Oksidacija amoniaka in njegove lastnosti

Ena najpomembnejših dušikovih spojin je amoniak. Glede na fizikalne lastnosti je brezbarven plin ostrega, dušljivega vonja (diši po vodni raztopini amonijevega hidroksida NH₃-H₂O). Plin je dobro topen v vodi. Amonij je v vodni raztopini šibka baza. Eden najpomembnejših izdelkov kemične industrije.

NH₃ je dober reducent, saj ima dušik v molekuli amonija najnižje oksidacijsko stanje -3. Veliko lastnosti amoniaka določa par enojnih elektronov v dušikovem atomu - adicijske reakcije z amoniakom potekajo zaradi njegove prisotnosti (ta par enojnih elektronov se nahaja v prosti orbiti protona H⁺).

Kako dobiti amoniak

V praksi obstajata dve glavni metodi za proizvodnjo amoniaka: ena v laboratoriju in druga v industriji.

Razmislite o industrijski proizvodnji amoniaka. Interakcija molekularnega dušika in vodika: N₂ + 2H₂ = 2NH₃ (povratna reakcija). Ta metoda pridobivanja amoniaka se imenuje Haberjeva reakcija. Da bi molekularni dušik in vodik reagirala, ju je treba segreti na 500 ᵒC ali 932 ᵒF, ustvariti je treba tlak MPA 25-30. Porozno železo mora biti prisotno kot katalizator.

V laboratoriju dobimo reakcijo med amonijevim kloridom in kalcijevim hidroksidom: CA(OH)₂ + 2NH₄Cl = CaCl₂ + 2NH₄OH (ker je NH₄OH zelo šibka spojina, takoj razpade na amonijev plin in vodo: NH₄OH = NH₃ + H₂O).

Reakcija oksidacije amoniaka

Pri tem se spreminja oksidacijsko stanje dušika. Ker je amonijak dober reducent, ga lahko uporabimo za redukcijo težkih kovin iz njihovih oksidov.

Redukcija kovine: 2NH₃ + 3CuO = 3Cu + N₂ + 3H₂O (pri segrevanju bakrovega (II) oksida v prisotnosti amoniaka se reducira rdeča bakrova kovina).

Oksidacija amoniaka v prisotnosti močnih oksidantov (npr. halogenov) poteka po enačbi: 2NH₃ + 3Cl₂ = N₂ + 6HCl (ta redoks reakcija zahteva toploto). Ko kalijev permanganat reagira z amoniakom v v alkalnem mediju opazimo tvorbo molekularnega dušika, kalijevega permanganata in vode: 2NH₃ + 6KMnO₄ + 6KOH = 6K₂MnO₄+ N₂ + 6H₂O.

Pri močnem segrevanju (do 1200 °C ali 2192 ᵒF) lahko amonijak razpade na preproste snovi: 2NH₃ = N₂ + 3H₂. Pri 1000 oC ali 1832 amoniak reagira z metanom CH₄:2CH₄ + 2NH₃ + 3O₂ = 2HCN + 6H₂O (cianovodikova kislina in voda). Z oksidacijo amonijaka z natrijevim hipokloritom lahko dobimo hidrazin H₂X₄: 2NH₃ + NaOCl = N₂H₄ + NaCl + H₂O

Zgorevanje amoniaka in njegova katalitična oksidacija s kisikom

Oksidacija amoniaka s kisikom ima nekatere značilnosti. Poznamo dve vrsti oksidacije: katalitično (s katalizatorjem) in hitro (izgorevanje).

Med zgorevanjem poteka redoks reakcija, katere produkta sta molekularni dušik in voda: 4NH3 + 2O2 = 2N2 + 6H2O (plamen je rumeno-zelene barve, zgorevanje se začne pri 651 ali 103,8 °C po Fahrenheitu, saj je to temperatura samovžiga amonijaka). Katalitična oksidacija s kisikom poteka tudi pri segrevanju (približno 800 ᵒC ali 1472 ᵒF), vendar je eden od reakcijskih produktov drugačen: 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (v prisotnosti platine ali železovih, manganovih, kromovih ali kobaltovih oksidov kot katalizatorja sta produkta oksidacije dušikov oksid (II) in voda).

Obravnavajmo homogeno oksidacijo amonijaka s kisikom. Nenadzorovana monooksidacija plinskega dela amoniaka je razmeroma počasna reakcija. O tem ni podrobno poročano, vendar je spodnja meja vnetljivosti zmesi amoniaka in zraka pri 25 °C približno 15 % v območju tlaka 1-10 barov in se z naraščanjem začetne temperature mešanice plinov zmanjšuje.

Če je CNH~ molski delež NH₃ v mešanici zraka in amoniaka pri temperaturi tmixed (OC) izhaja iz CNH = 0.15-0 sledi, da je meja vnetljivosti nizka. Zato je pametno delati z zadostno varnostno rezervo pod spodnjo mejo vnetljivosti, saj so podatki o mešanju amoniaka z zrakom pogosto daleč od popolnih.

Kemijske lastnosti

Upoštevajte kontaktno oksidacijo amoniaka v dušikov oksid. Tipične kemijske reakcije z amoniakom brez spremembe stopnje oksidacije dušika:

• Reakcija z vodo: NH₃ + H₂O = NH₄OH = NH₄⁺ + on- (reakcija je povratna, saj je amonijev hidroksid NH₄OH nestabilna spojina).
• Reagira s kislinami in tvori normalne in kisle soli: NH₃ + HCl = NH₄Cl (nastane normalna sol amonijev klorid); NH₃ + H₂SO₄ = NH₄HSO₄ (kisla sol amonijevega hidrosulfata nastane pri reakciji amonijaka s hladno koncentrirano žveplovo kislino); 2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄.
• Reakcije s solmi težkih kovin za tvorbo kompleksov: 2NH₃ + AgCl = [Ag(NH₃)₂]Cl (kompleksne oblike srebrovega (I) klorida diamina).
• Reakcija s halogenalkani: NH3 + CH3Cl = [CH3NH3]Cl (metilamonijev hidroklorid tvori substituiran amonijev ion NH4=).
• Reakcija z alkalnimi kovinami: 2NH₃ + 2K = 2KNH₂ + H₂ (nastane kalijev amid KNH₂; dušik ne spremeni oksidacijskega stanja, čeprav je reakcija redoks). Reakcije seštevanja potekajo v večini primerov brez spremembe oksidacijskega stanja (vse zgoraj navedene reakcije, razen zadnje, so razvrščene v to vrsto).

Zaključek

Amoniak je priljubljena snov, ki se pogosto uporablja v industriji. Danes zavzema posebno mesto v našem življenju, saj kot večina Izdelke njegove dejavnosti uporabljamo vsak dan. Ta članek bo koristno branje za številne ljudi, ki želijo vedeti, kaj je okoli nas.