Аммиак, получение и свойства
Аммиак NH3 – бесцветный газ с резким запахом с температурой кипения + 33,350С и температурой плавления +77,750С. Аномально высокие температуры кипения и плавления аммиака объясняются ассоциацией его молекул вследствие высокой полярности их и образования водородных связей. Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.
В водных растворах аммиака содержатся его гидраты состава NH3 ∙ H2O и 2NH3 ∙ H2O, образующие эвтектики, а также незначительное количество ионизированных молекул в результате реакции
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH–.
Константа равновесия этой реакции равна 1,75 ∙ 10–5, что соответствует степени диссоциации 0,004. При температурах выше 13000С аммиак диссоциирует на азот и водород:
2NH3 = N2 + 3H2 + ΔН.
Сухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры и при 180С ограничены интервалом содержания аммиака в газовой смеси от 0,155 до 0,270 об. долей. Эта особенность системы «аммиак–воздух» учитывается при производстве азотной кислоты окислением аммиака, в котором сырьем является аммиачно–воздушная смесь.
Аммиак – ключевой продукт для получения многочисленных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту. На основе аммиака в настоящее время производятся практически все соединения азота, используемые в качестве целевых продуктов и полупродуктов неорганической и органической технологии. На рис. 3. представлены основные направления использования аммиака в промышленности и сельском хозяйстве.
Рис. 3. Использование аммиака
Аммиак является важнейшим и практически единственным соединением азота, производимым в промышленных масштабах из азота атмосферы. Таким образом, его следует рассматривать как полупродукт для получения всех остальных соединений азота.
Скорость разложения аммиака на катализаторах
Проводились многочисленные исследования, имевшие целью установление закономерностей, которым подчиняется скорость реакций синтеза аммиака и его разложения [5].
Разложение аммиака на стенках кварцевого сосуда при 800-10000С протекает со скоростью, приблизительно пропорциональной давлению NH3, однако скорость разложения в некоторой степени зависит и от давления продуктов разложения (главным образом водорода). Эта зависимость неравномерна и в разных исследованиях выражается по-разному. Одни авторы утверждают, что скорость разложения на раскаленной платиновой проволоке пропорциональна давлению аммиака (следовательно, разложение является реакцией первого порядка), процесс разложения тормозится азотом и водородом, а под давлением, близким к 1 ат, разложение аммиака становится реакцией нулевого порядка.
Другие высказывают предположение, что процесс разложения аммиака на платине при давлении выше 10 мм рт. ст. является сложной реакцией, которую тормозит водород, причем скорость разложения пропорциональна дробным степеням давления NH3. Разложение аммиака на вольфраме и на платине под давлением ниже 1 мл рт. ст. является реакцией первого порядка и тормозится азотом и водородом. При давлении выше 1 лм рт. ст. тормозящее действие оказывает только водород. В области давлений 10—00 мм рт. ст. эта реакция становится реакцией нулевого порядка.
Разложение аммиака на молибденовой проволоке также является реакцией примерно нулевого порядка, которую, по мнению одних авторов, тормозит водород, по мнению других—азот. На меди была зафиксирована реакция первого порядка, тормозимая водородом. Особый характер процесса проявляется в реакции разложения аммиака на осмин (реакция нулевого порядка, тормозится продуктами разложения).
Разложение аммиака на железных катализаторах, активированных Al2O3 + К2О, является реакцией первого порядка, при давлении около 150 м рт. ст. она превращается в реакцию нулевого порядка. Реакция тормозится водородом, степень уменьшения скорости разложения зависит от температуры.
Из сказанного следует, что разложение аммиака в статических системах протекает настолько разнообразно, что из экспериментальных данных нельзя сделать общих выводов о механизме реакции и влиянии различных факторов на ее скорость [5].