Аммиак — это неорганическое химическое соединение азота и водорода с формулой N H 3 . Стабильный бинарный гидрид и простейший пниктогенный гидрид , аммиак — бесцветный газ с характерным резким запахом. С биологической точки зрения это обычный азотистый отход , и он вносит значительный вклад в пищевые потребности наземных организмов, выступая в качестве предшественника удобрений . [13] Около 70% аммиака, производимого в промышленности, используется для производства удобрений [14] в различных формах и составе, таких как мочевина и диаммонийфосфат . Аммиак в чистом виде также вносится непосредственно в почву.
Аммиак, напрямую или косвенно, также является строительным блоком для синтеза многих химических веществ.
Аммиак встречается в природе и был обнаружен в межзвездной среде. Во многих странах он классифицируется как чрезвычайно опасное вещество . [15]
Аммиак производится биологическим путем в процессе, называемом фиксацией азота , но еще больше его производится промышленным путем с помощью процесса Габера . Этот процесс помог произвести революцию в сельском хозяйстве, предоставив дешевые удобрения. Мировое промышленное производство аммиака в 2021 году составило 235 миллионов тонн. [16] [17] Промышленный аммиак перевозится в цистернах или баллонах. [18]
NH 3 кипит при температуре −33,34 °C (−28,012 °F) при давлении в одну атмосферу , но жидкость часто можно использовать в лабораторных условиях без внешнего охлаждения. Бытовой аммиак или гидроксид аммония представляет собой раствор NH 3 в воде.
Плиний в XXXI книге своей «Естественной истории » упоминает соль под названием hammoniacum , названную так из-за близости ее источника к храму Юпитера Амона ( греч. Ἄμμων Ammon ) в римской провинции Киренаика . [19] Однако описание соли, которое дает Плиний, не соответствует свойствам хлорида аммония . Согласно комментарию Герберта Гувера в его английском переводе De re metallica Георгия Агриколы , это, скорее всего, была обычная морская соль. [20] В любом случае, эта соль в конечном итоге дала аммиаку и соединениям аммония их название.
Следы аммиака/аммония обнаруживаются в дождевой воде. Хлорид аммония ( sal ammonic ) и сульфат аммония встречаются в вулканических районах. Кристаллы бикарбоната аммония были обнаружены в гуано Патагонии . [21]
Аммиак встречается по всей Солнечной системе на Марсе , Юпитере , Сатурне , Уране , Нептуне и Плутоне , среди прочих мест: на меньших ледяных телах , таких как Плутон, аммиак может действовать как геологически важный антифриз, поскольку смесь воды и аммиака может иметь температуру плавления до -100 °C (-148 °F; 173 K), если концентрация аммиака достаточно высока, и, таким образом, позволяет таким телам сохранять внутренние океаны и активную геологию при гораздо более низкой температуре, чем это было бы возможно с одной только водой. [22] [23] Вещества, содержащие аммиак, или те, которые похожи на него, называются аммиачными . [24]
Аммиак — бесцветный газ с характерным резким запахом . Он легче воздуха , его плотность составляет 0,589 плотности воздуха . Он легко сжижается из-за прочных водородных связей между молекулами. Газообразный аммиак превращается в бесцветную жидкость , которая кипит при температуре -33,1 °C (-27,58 °F) и замерзает до бесцветных кристаллов [21] при температуре -77,7 °C (-107,86 °F). Мало данных доступно при очень высоких температурах и давлениях, но критическая точка жидкость-пар наступает при 405 К и 11,35 МПа. [25]
Симметрия кристалла кубическая, символ Пирсона cP16, пространственная группа P2 1 3 № 198, постоянная решетки 0,5125 нм . [26]
Жидкий аммиак обладает сильными ионизирующими свойствами, что отражает его высокое значение ε , равное 22 при −35 °C (−31 °F). [27] Жидкий аммиак имеет очень высокое стандартное изменение энтальпии испарения (23,5 кДж/моль ; [28] для сравнения, у воды это значение составляет 40,65 кДж/моль, у метана — 8,19 кДж/моль, а у фосфина — 14,6 кДж/моль) и может транспортироваться в герметичных или охлаждаемых сосудах; однако при стандартной температуре и давлении жидкий безводный аммиак испаряется. [29]
Аммиак легко растворяется в воде. В водном растворе его можно удалить кипячением. Водный раствор аммиака является основным и может быть описан как водный аммиак или гидроксид аммония . [30] Максимальная концентрация аммиака в воде ( насыщенный раствор ) имеет удельный вес 0,880 и часто известна как «.880 аммиак». [31]
Жидкий аммиак является широко изученным неводным ионизирующим растворителем. Его наиболее заметным свойством является его способность растворять щелочные металлы с образованием сильно окрашенных электропроводящих растворов, содержащих сольватированные электроны . Помимо этих замечательных растворов, большую часть химии в жидком аммиаке можно классифицировать по аналогии с соответствующими реакциями в водных растворах . Сравнение физических свойств NH 3 со свойствами воды показывает, что NH 3 имеет более низкую температуру плавления, температуру кипения, плотность, вязкость , диэлектрическую проницаемость и электропроводность . Эти различия приписываются, по крайней мере частично, более слабой водородной связи в NH 3. Ионная константа самодиссоциации жидкого NH 3 при −50 °C составляет около 10 −33 .
Жидкий аммиак является ионизирующим растворителем, хотя и в меньшей степени, чем вода, и растворяет ряд ионных соединений, включая многие нитраты , нитриты , цианиды , тиоцианаты , комплексы циклопентадиенила металлов и бис(триметилсилил)амиды металлов . [32] Большинство солей аммония растворимы и действуют как кислоты в растворах жидкого аммиака. Растворимость галогенидных солей увеличивается от фторида к иодиду . Насыщенный раствор нитрата аммония ( раствор Дайверса , названный в честь Эдварда Дайверса ) содержит 0,83 моль растворенного вещества на моль аммиака и имеет давление паров менее 1 бар даже при 25 °C (77 °F). Однако растворяются лишь немногие оксианионные соли с другими катионами. [34]
Жидкий аммиак растворяет все щелочные металлы и другие электроположительные металлы, такие как Ca , [35] Sr , Ba , Eu и Yb (а также Mg с использованием электролитического процесса [33] ). При низких концентрациях (<0,06 моль/л) образуются темно-синие растворы: они содержат катионы металлов и сольватированные электроны , свободные электроны, которые окружены клеткой из молекул аммиака.
Эти растворы являются сильными восстановителями. При более высоких концентрациях растворы имеют металлический вид и электропроводность. При низких температурах два типа растворов могут сосуществовать как несмешивающиеся фазы.
Диапазон термодинамической стабильности растворов жидкого аммиака очень узок, так как потенциал окисления до молекулярного азота, E ° ( N 2 + 6 [NH 4 ] + + 6 e − ⇌ 8 NH 3 ), составляет всего +0,04 В. На практике как окисление до молекулярного азота, так и восстановление до молекулярного водорода протекают медленно. Это особенно касается восстановительных растворов: растворы упомянутых выше щелочных металлов стабильны в течение нескольких дней, медленно разлагаясь на амид металла и молекулярное водород. Большинство исследований с использованием растворов жидкого аммиака проводятся в восстановительных условиях; хотя окисление жидкого аммиака обычно происходит медленно, все равно существует риск взрыва, особенно если в качестве возможных катализаторов присутствуют ионы переходных металлов .
Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды , как предсказывает теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (теория VSEPR) с экспериментально определенным углом связи 106,7°. [36] Центральный атом азота имеет пять внешних электронов с дополнительным электроном от каждого атома водорода. Это дает в общей сложности восемь электронов или четыре электронные пары, которые расположены тетраэдрически . Три из этих электронных пар используются в качестве пар связей, что оставляет одну неподеленную пару электронов. Неподеленная пара отталкивается сильнее, чем пары связей; поэтому угол связи составляет не 109,5°, как ожидается для правильного тетраэдрического расположения, а 106,8°. [36] Эта форма придает молекуле дипольный момент и делает ее полярной . Полярность молекулы, и особенно ее способность образовывать водородные связи , делает аммиак хорошо смешивающимся с водой. Неподеленная пара делает аммиак основанием , акцептором протонов. Аммиак является умеренно основным; 1,0 М водный раствор имеет pH 11,6, и если к такому раствору добавить сильную кислоту до тех пор, пока раствор не станет нейтральным ( pH = 7 ), 99,4% молекул аммиака протонируются . Температура и соленость также влияют на долю аммония [NH 4 ] + . Последний имеет форму правильного тетраэдра и изоэлектронен с метаном .
Молекула аммиака легко подвергается инверсии азота при комнатной температуре; полезной аналогией является зонтик , выворачивающийся наизнанку при сильном ветре. Энергетический барьер для этой инверсии составляет 24,7 кДж/моль, а резонансная частота составляет 23,79 ГГц , что соответствует микроволновому излучению с длиной волны 1,260 см. Поглощение на этой частоте было первым наблюдаемым микроволновым спектром [37] и использовалось в первом мазере .
Одним из наиболее характерных свойств аммиака является его основность . Аммиак считается слабым основанием. Он соединяется с кислотами , образуя соли аммония ; так, с соляной кислотой он образует хлорид аммония (нашатырный спирт); с азотной кислотой — нитрат аммония и т. д. Абсолютно сухой газообразный аммиак не будет соединяться с абсолютно сухим газообразным хлористым водородом; для осуществления реакции необходима влага. [38] [39]
В ходе демонстрационного эксперимента в условиях атмосферной влажности открытые бутылки с концентрированными растворами аммиака и соляной кислоты создают облако хлорида аммония , которое как будто появляется «из ничего», поскольку солевой аэрозоль образуется в месте встречи двух рассеивающихся облаков реагентов между двумя бутылками.
Соли, образующиеся при воздействии аммиака на кислоты, известны как соли аммония , и все они содержат ион аммония ( [NH 4 ] + ). [38]
Хотя аммиак хорошо известен как слабое основание, он также может действовать как чрезвычайно слабая кислота. Это протонное вещество и способно образовывать амиды (содержащие ион NH − 2 ). Например, литий растворяется в жидком аммиаке , давая синий раствор ( сольватированный электрон ) амида лития :
Как и вода, жидкий аммиак подвергается молекулярной автоионизации с образованием сопряженных кислот и оснований :
Аммиак часто действует как слабое основание , поэтому он обладает некоторой буферной способностью. Изменения pH приведут к тому, что в растворе будет присутствовать больше или меньше катионов аммония ( NH + 4 ) и амидных анионов ( NH − 2 ) . При стандартном давлении и температуре
Аммиак не горит легко и не поддерживает горение , за исключением узких смесей топлива с воздухом, содержащих 15–28% аммиака по объему в воздухе. [40] При смешивании с кислородом он горит бледным желтовато-зеленым пламенем. Возгорание происходит, когда хлор переходит в аммиак, образуя азот и хлористый водород ; если хлор присутствует в избытке, то также образуется чрезвычайно взрывоопасный трихлорид азота ( NCl 3 ).
Сгорание аммиака с образованием азота и воды является экзотермическим :
Стандартное изменение энтальпии сгорания , Δ H ° c , выраженное на моль аммиака и с конденсацией образовавшейся воды, составляет −382,81 кДж/моль. Диназотид является термодинамическим продуктом сгорания : все оксиды азота нестабильны по отношению к N 2 и O 2 , что является принципом каталитического нейтрализатора . Оксиды азота могут образовываться как кинетические продукты в присутствии соответствующих катализаторов , реакция, имеющая большое промышленное значение в производстве азотной кислоты :
Последующая реакция приводит к образованию NO 2 :
Сгорание аммиака в воздухе очень затруднено при отсутствии катализатора ( такого как платиновая сетка или теплый оксид хрома (III) ) из-за относительно низкой теплоты сгорания , более низкой скорости ламинарного горения, высокой температуры самовоспламенения , высокой теплоты испарения и узкого диапазона воспламеняемости . Однако недавние исследования показали, что эффективное и стабильное сгорание аммиака может быть достигнуто с помощью вихревых горелок, тем самым возрождая исследовательский интерес к аммиаку как топливу для производства тепловой энергии. [41] Диапазон воспламеняемости аммиака в сухом воздухе составляет 15,15–27,35%, а в воздухе с относительной влажностью 100% — 15,95–26,55%. [42] [ необходимо разъяснение ] Для изучения кинетики горения аммиака требуются знания подробного надежного механизма реакции, но получить их было сложно. [43]
Аммиак является прямым или косвенным предшественником большинства производимых азотсодержащих соединений. Он является предшественником азотной кислоты, которая является источником большинства N-замещенных ароматических соединений.
Амины могут быть образованы в результате реакции аммиака с алкилгалогенидами или, чаще, со спиртами :
Реакция раскрытия его кольца с оксидом этилена дает этаноламин , диэтаноламин и триэтаноламин .
Амиды могут быть получены реакцией аммиака с карбоновой кислотой и их производными. Например, аммиак реагирует с муравьиной кислотой (HCOOH) с образованием формамида ( HCONH 2 ) при нагревании. Ацилхлориды являются наиболее реакционноспособными, но аммиак должен присутствовать по крайней мере в двукратном избытке, чтобы нейтрализовать образующийся хлористый водород . Эфиры и ангидриды также реагируют с аммиаком с образованием амидов. Аммониевые соли карбоновых кислот могут быть дегидратированы до амидов путем нагревания до 150–200 °C, если отсутствуют термочувствительные группы.
Другие азоторганические соединения включают алпразолам , этаноламин , этилкарбамат и гексаметилентетрамин .
Азотная кислота образуется в процессе Оствальда путем окисления аммиака воздухом на платиновом катализаторе при температуре 700–850 °C (1292–1562 °F), ≈9 атм. Оксид азота и диоксид азота являются промежуточными продуктами в этом превращении: [44]
Азотная кислота используется для производства удобрений , взрывчатых веществ и многих азоторганических соединений.
Водород в аммиаке подвержен замещению бесчисленным множеством заместителей. Газообразный аммиак реагирует с металлическим натрием, образуя амид натрия , NaNH 2 . [38]
При взаимодействии с хлором образуется монохлорамин .
Пятивалентный аммиак известен как λ 5 -амин, азотный пентагидрид спонтанно распадается на трехвалентный аммиак (λ 3 -амин) и водородный газ при нормальных условиях. Это вещество когда-то исследовалось как возможное твердое ракетное топливо в 1966 году. [45]
Аммиак также используется для производства следующих соединений:
Аммиак является лигандом, образующим комплексы аммиака с металлами . По историческим причинам аммиак назван аммиаком в номенклатуре координационных соединений . Одним из примечательных комплексов аммиака является цисплатин ( Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 , широко используемый противораковый препарат. Комплексы аммиака с хромом (III) легли в основу революционной теории Альфреда Вернера о структуре координационных соединений. Вернер отметил, что могут быть образованы только два изомера ( fac - и mer -) комплекса [CrCl 3 (NH 3 ) 3 ] , и пришел к выводу, что лиганды должны быть расположены вокруг иона металла в вершинах октаэдра .
Аммиак образует 1:1 аддукты с различными кислотами Льюиса , такими как I 2 , фенол и Al(CH 3 ) 3 . Аммиак является жестким основанием (теория HSAB), и его параметры E и C составляют E B = 2,31 и C B = 2,04. Его относительная донорная сила по отношению к ряду кислот, по сравнению с другими основаниями Льюиса, может быть проиллюстрирована с помощью графиков CB .
Аммиак и соли аммония можно легко обнаружить, в очень малых следах, путем добавления раствора Несслера , который дает отчетливую желтую окраску в присутствии малейших следов аммиака или солей аммония. Количество аммиака в солях аммония можно количественно оценить путем перегонки солей с гидроксидом натрия (NaOH) или калия (KOH), при этом выделяющийся аммиак поглощается известным объемом стандартной серной кислоты , а избыток кислоты затем определяется объемно ; или аммиак может быть поглощен соляной кислотой , а хлорид аммония, таким образом, осаждается в виде гексахлороплатината аммония , [NH 4 ] 2 [PtCl 6 ] . [46]
Серные палочки сжигаются для обнаружения небольших утечек в промышленных аммиачных холодильных системах. Большие количества можно обнаружить, подогрев соли едкой щелочью или негашеной известью , когда характерный запах аммиака сразу станет очевидным. [46] Аммиак является раздражителем, и раздражение увеличивается с концентрацией; допустимый предел воздействия составляет 25 ppm , а летальный исход выше 500 ppm по объему. [47] Более высокие концентрации с трудом обнаруживаются обычными детекторами, тип детектора выбирается в соответствии с требуемой чувствительностью (например, полупроводниковый, каталитический, электрохимический). Для обнаружения концентраций до 12,5% по объему были предложены голографические датчики. [48]
В лабораторных условиях газообразный аммиак можно обнаружить с помощью концентрированной соляной кислоты или газообразного хлористого водорода. Плотный белый дым (который является паром хлорида аммония ) возникает в результате реакции между аммиаком и HCl(г). [49]
Аммиачный азот (NH 3 –N) — это мера, обычно используемая для проверки количества ионов аммония , полученных естественным путем из аммиака и возвращенных в аммиак через органические процессы, в воде или отходах. Это мера, используемая в основном для количественной оценки значений в системах обработки отходов и очистки воды , а также в качестве меры здоровья природных и искусственных запасов воды. Измеряется в единицах мг/л ( миллиграмм на литр ).
Древнегреческий историк Геродот упоминал, что в районе Ливии, населенном народом под названием «аммонийцы» (ныне оазис Сива на северо-западе Египта, где до сих пор существуют соленые озера), были выходы соли. [50] [51] Греческий географ Страбон также упоминал соль из этого региона. Однако древние авторы Диоскорид , Апиций , Арриан , Синезий и Аэций Амидский описывали эту соль как образующую прозрачные кристаллы, которые можно было использовать для приготовления пищи и которые по сути были каменной солью . [52] Hammoniacus sal появляется в трудах Плиния , [53] хотя неизвестно, эквивалентен ли этот термин более современному аммиаку (хлориду аммония). [21] [54] [55]
Ферментация мочи бактериями производит раствор аммиака ; поэтому ферментированная моча использовалась в античности для стирки тканей и одежды, для удаления шерсти со шкур при подготовке к дублению, в качестве протравы при окрашивании тканей и для удаления ржавчины с железа. [56] Древние дантисты также использовали ее для чистки зубов. [57] [58] [59]
В форме нашатыря (نشادر, nushadir ) аммиак был важен для мусульманских алхимиков . Он упоминается в «Книге камней» , вероятно, написанной в IX веке и приписываемой Джабиру ибн Хайяну . [60] Он также был важен для европейских алхимиков XIII века, упоминаемый Альбертом Великим . [21] Он также использовался красильщиками в Средние века в виде ферментированной мочи для изменения цвета растительных красителей. В XV веке Василий Валентин показал, что аммиак можно получить путем воздействия щелочей на нашатырь. [61] В более поздний период, когда нашатырь получали путем перегонки копыт и рогов быков и нейтрализации полученного карбоната соляной кислотой , название «дух оленьей шкуры» применялось к аммиаку. [21] [62]
Газообразный аммиак был впервые выделен Джозефом Блэком в 1756 году путем реакции нашатырного спирта ( хлорида аммония ) с прокаленной магнезией ( оксидом магния ). [63] [64] Он был снова выделен Питером Вульфом в 1767 году, [65] [66] Карлом Вильгельмом Шееле в 1770 году [67] и Джозефом Пристли в 1773 году и был назван им «щелочным воздухом». [21] [68] Одиннадцать лет спустя, в 1785 году, Клод Луи Бертолле установил его состав. [69] [21]
Производство аммиака из азота в воздухе (и водорода) было изобретено Фрицем Габером и Робертом ЛеРоссиньолем. Патент был отправлен в 1909 году (USPTO Nr 1,202,995) и выдан в 1916 году. Позднее Карл Бош разработал промышленный метод производства аммиака ( процесс Габера–Боша ). Впервые он был использован в промышленных масштабах в Германии во время Первой мировой войны [70] после блокады союзников, которая прервала поставки нитратов из Чили . Аммиак использовался для производства взрывчатых веществ для поддержания военных действий. [71] Нобелевская премия по химии 1918 года была присуждена Фрицу Габеру «за синтез аммиака из его элементов».
До появления природного газа водород в качестве предшественника аммиака производился путем электролиза воды или с использованием хлорщелочного процесса .
С появлением сталелитейной промышленности в XX веке аммиак стал побочным продуктом производства коксующегося угля.
В США по состоянию на 2019 год [обновлять]примерно 88% аммиака использовалось в качестве удобрений в виде солей, растворов или безводного вещества. [72] При внесении в почву он помогает повысить урожайность таких культур , как кукуруза и пшеница . [73] 30% сельскохозяйственного азота, применяемого в США, находится в форме безводного аммиака, а во всем мире ежегодно применяется 110 миллионов тонн. [74] Растворы аммиака в концентрации от 16% до 25% используются в ферментационной промышленности в качестве источника азота для микроорганизмов и для регулирования pH во время ферментации. [75]
Благодаря своим испаряющим свойствам аммиак является полезным хладагентом . [70] Он широко использовался до популяризации хлорфторуглеродов (фреонов). Безводный аммиак широко используется в промышленных холодильных установках и на хоккейных площадках из-за его высокой энергоэффективности и низкой стоимости. Он страдает от недостатка токсичности и требует коррозионно-стойких компонентов, что ограничивает его бытовое и мелкомасштабное использование. Наряду с его использованием в современном парокомпрессионном охлаждении он используется в смеси с водородом и водой в абсорбционных холодильниках . Цикл Калины , который приобретает все большее значение для геотермальных электростанций, зависит от широкого диапазона кипения смеси аммиака и воды.
Аммиачный охладитель также используется в радиаторах на борту Международной космической станции в контурах, которые используются для регулирования внутренней температуры и позволяют проводить зависящие от температуры эксперименты. [76] [77] Аммиак находится под достаточным давлением, чтобы оставаться жидким на протяжении всего процесса. Однофазные аммиачные системы охлаждения также обслуживают силовую электронику в каждой паре солнечных батарей.
Потенциальное значение аммиака как хладагента возросло с открытием того, что выбрасываемые в атмосферу ХФУ и ГФУ являются мощными и стабильными парниковыми газами. [78]
Еще в 1895 году было известно, что аммиак является «сильным антисептиком ... для сохранения говяжьего чая (бульона) требуется 1,4 грамма на литр ». [79] В одном исследовании безводный аммиак уничтожил 99,999% зоонозных бактерий в трех типах кормов для животных , но не в силосе . [80] [81] В настоящее время безводный аммиак используется в коммерческих целях для снижения или устранения микробного загрязнения говядины . [82] [83] Постная мелкозернистая говядина (широко известная как « розовая слизь ») в мясной промышленности производится из жирных говяжьих обрезков (около 50–70% жира) путем удаления жира с помощью нагрева и центрифугирования , а затем обработки его аммиаком для уничтожения кишечной палочки . Этот процесс был признан эффективным и безопасным Министерством сельского хозяйства США на основании исследования, которое показало, что обработка снижает количество кишечной палочки до неопределяемых уровней. [84] Возникли опасения по поводу безопасности процесса, а также жалобы потребителей на вкус и запах говядины, обработанной аммиаком. [85]
Аммиак использовался в качестве топлива и является предлагаемой альтернативой ископаемому топливу и водороду. Будучи жидким при температуре окружающей среды под собственным давлением паров и имея высокую объемную и гравиметрическую плотность энергии, аммиак считается подходящим носителем для водорода, [86] и может быть дешевле, чем прямая транспортировка жидкого водорода. [87]
По сравнению с водородом, аммиак легче хранить. По сравнению с водородом в качестве топлива , аммиак гораздо более энергоэффективен и может производиться, храниться и доставляться с гораздо меньшими затратами, чем водород, который должен храниться в сжатом виде или в виде криогенной жидкости. [88] [89] Чистая плотность энергии жидкого аммиака составляет 11,5 МДж/л, [88] что примерно в три раза меньше, чем у дизельного топлива .
Аммиак может быть преобразован обратно в водород для использования в качестве источника энергии для водородных топливных элементов, или он может быть использован непосредственно в высокотемпературных твердооксидных аммиачных топливных элементах для обеспечения эффективных источников энергии, которые не выделяют парниковые газы . [90] [91] Преобразование аммиака в водород может быть достигнуто с помощью процесса с амидом натрия [92] или каталитического разложения аммиака с использованием твердых катализаторов. [93]
Были предложены и иногда использовались аммиачные двигатели или двигатели на аммиаке, использующие аммиак в качестве рабочей жидкости . [94] Принцип аналогичен принципу, используемому в беспламенном локомотиве , но с аммиаком в качестве рабочей жидкости вместо пара или сжатого воздуха. Аммиачные двигатели использовались экспериментально в 19 веке Голдсуорти Герни в Великобритании и на трамвайной линии Сент-Чарльз-авеню в Новом Орлеане в 1870-х и 1880-х годах, [95] а во время Второй мировой войны аммиак использовался для питания автобусов в Бельгии . [96]
Аммиак иногда предлагается в качестве практической альтернативы ископаемому топливу для двигателей внутреннего сгорания . [96] [97] [98] [99] Однако аммиак не может быть легко использован в существующих двигателях цикла Отто из-за его очень узкого диапазона воспламеняемости. Несмотря на это, было проведено несколько испытаний. [100] [101] [102] Его высокое октановое число 120 [103] и низкая температура пламени [104] позволяют использовать высокие степени сжатия без штрафа за высокое производство NO x . Поскольку аммиак не содержит углерода, его сгорание не может производить углекислый газ , оксид углерода , углеводороды или сажу .
Производство аммиака в настоящее время создает 1,8% мировых выбросов CO2 . «Зеленый аммиак» — это аммиак, произведенный с использованием зеленого водорода (водорода, произведенного электролизом с использованием электроэнергии из возобновляемых источников энергии), тогда как «голубой аммиак» — это аммиак, произведенный с использованием синего водорода (водорода, произведенного путем паровой конверсии метана (= SMR), где диоксид углерода был улавлен и сохранен (ср. улавливание и хранение углерода = CCS). [105]
Ракетные двигатели также работали на аммиаке. Ракетный двигатель Reaction Motors XLR99 , который приводил в действие гиперзвуковой исследовательский самолет X-15, использовал жидкий аммиак. Хотя он не был таким мощным, как другие виды топлива, он не оставлял сажи в многоразовом ракетном двигателе, а его плотность примерно соответствовала плотности окислителя — жидкого кислорода , что упростило конструкцию самолета.
В 2020 году Саудовская Аравия отправила 40 метрических тонн жидкого «голубого аммиака» в Японию для использования в качестве топлива. [106] Он был произведен как побочный продукт нефтехимической промышленности и может сжигаться без выделения парниковых газов . Его плотность энергии по объему почти вдвое больше, чем у жидкого водорода. Если процесс его создания можно будет масштабировать с помощью исключительно возобновляемых ресурсов, производя зеленый аммиак, это может сыграть важную роль в предотвращении изменения климата . [107] Компания ACWA Power и город Неом объявили о строительстве завода по производству зеленого водорода и аммиака в 2020 году. [108]
Зеленый аммиак рассматривается как потенциальное топливо для будущих контейнеровозов. В 2020 году компании DSME и MAN Energy Solutions объявили о строительстве судна на основе аммиака, DSME планирует коммерциализировать его к 2025 году. [109] Также изучается использование аммиака в качестве потенциального альтернативного топлива для реактивных двигателей самолетов . [110]
Япония намерена реализовать план по разработке технологии совместного сжигания аммиака, которая может увеличить использование аммиака при производстве электроэнергии, в рамках усилий по оказанию помощи отечественным и другим азиатским коммунальным предприятиям в ускорении перехода к углеродной нейтральности . [111] В октябре 2021 года состоялась первая Международная конференция по топливному аммиаку (ICFA2021). [112] [113]
В июне 2022 года корпорации IHI удалось сократить выбросы парниковых газов более чем на 99% при сжигании жидкого аммиака в газовой турбине класса 2000 киловатт, достигнув производства электроэнергии, действительно не содержащего CO2. [ 114] В июле 2022 года четыре страны — Япония, США, Австралия и Индия — договорились содействовать развитию технологий чистого сжигания водорода и аммиака в качестве топлива на первой встрече по вопросам энергетики группы по безопасности. [ 115][обновлять] Однако по состоянию на 2022 год производятся значительные объемы NOx. [ 116] Закись азота также может быть проблемой, поскольку это « парниковый газ, который, как известно, обладает потенциалом глобального потепления (ПГП) до 300 раз больше, чем у диоксида углерода ». [117]
МЭА прогнозирует , что к 2050 году аммиак будет покрывать примерно 45% потребностей в топливе для судоходства. [118]
При высокой температуре и в присутствии подходящего катализатора аммиак разлагается на составляющие его элементы. [119] Разложение аммиака является слабо эндотермическим процессом, требующим 23 кДж/моль (5,5 ккал/моль ) аммиака, и дает водород и азот .
Аммиак используется для очистки SO 2 от сжигания ископаемого топлива, а полученный продукт преобразуется в сульфат аммония для использования в качестве удобрения. Аммиак нейтрализует загрязняющие вещества оксида азота ( NO x ), выбрасываемые дизельными двигателями. Эта технология, называемая SCR ( селективное каталитическое восстановление ), основана на катализаторе на основе ванадия . [120]
Аммиак может быть использован для смягчения последствий разливов газообразного фосгена . [121]
Аммиак, как пар, выделяемый нюхательными солями , нашел значительное применение в качестве стимулятора дыхания. Аммиак обычно используется в незаконном производстве метамфетамина с помощью метода Берча . [123] Метод Берча для изготовления метамфетамина опасен, поскольку щелочной металл и жидкий аммиак оба чрезвычайно реакционноспособны, а температура жидкого аммиака делает его восприимчивым к взрывному кипению при добавлении реагентов. [124]
Жидкий аммиак используется для обработки хлопчатобумажных материалов, придавая им свойства мерсеризации с помощью щелочей. В частности, он используется для предварительной промывки шерсти. [125]
При стандартной температуре и давлении аммиак менее плотный, чем атмосфера, и имеет приблизительно 45–48% подъемной силы водорода или гелия . Аммиак иногда использовался для наполнения воздушных шаров в качестве подъемного газа . Из-за его относительно высокой температуры кипения (по сравнению с гелием и водородом) аммиак потенциально может быть охлажден и сжижен на борту дирижабля для уменьшения подъемной силы и добавления балласта (и возвращен в газ для увеличения подъемной силы и уменьшения балласта). [126]
Аммиак использовался для затемнения радиально распиленного белого дуба в мебели в стиле Arts & Crafts и Mission. Пары аммиака реагируют с натуральными танинами в древесине и вызывают изменение ее цвета. [127]
Управление по охране труда и здоровья США (OSHA) установило 15-минутный предел воздействия для газообразного аммиака в 35 ppm по объему в окружающем воздухе и 8-часовой предел воздействия в 25 ppm по объему. [129] Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) недавно снизил IDLH (непосредственно опасный для здоровья или жизни уровень, которому здоровый работник может подвергаться в течение 30 минут без возникновения необратимых последствий для здоровья) с 500 ppm до 300 ppm на основе последних более консервативных интерпретаций оригинального исследования 1943 года. 1-часовой предел IDLH по-прежнему составляет 500 ppm. Другие организации имеют различные уровни воздействия. Стандарты ВМС США [US Bureau of Ships 1962] максимально допустимые концентрации (ПДК): для непрерывного воздействия (60 дней) — 25 ppm; для воздействия в течение 1 часа — 400 ppm. [130]
Пары аммиака имеют резкий, раздражающий, едкий запах, который действует как предупреждение о потенциально опасном воздействии. Средний порог запаха составляет 5 ppm, что значительно ниже любой опасности или ущерба. Воздействие очень высоких концентраций газообразного аммиака может привести к повреждению легких и смерти. [129] Аммиак регулируется в США как негорючий газ, но он соответствует определению материала, который является токсичным при вдыхании и требует разрешения на опасную безопасность при транспортировке в количествах, превышающих 3500 галлонов США (13 000 л; 2900 имп галлонов). [131]
Жидкий аммиак опасен, поскольку он гигроскопичен и может вызывать едкие ожоги . Для получения дополнительной информации см. Газовоз § Влияние на здоровье определенных грузов, перевозимых на газовозах .
Токсичность растворов аммиака обычно не вызывает проблем для людей и других млекопитающих, поскольку существует определенный механизм, предотвращающий его накопление в кровотоке. Аммиак преобразуется в карбамоилфосфат ферментом карбамоилфосфатсинтетазой , а затем входит в цикл мочевины, чтобы либо включиться в аминокислоты , либо вывестись с мочой. [132] У рыб и земноводных этот механизм отсутствует, поскольку они обычно могут выводить аммиак из своего организма путем прямого выведения. Аммиак даже в разбавленных концентрациях очень токсичен для водных животных, и по этой причине он классифицируется как « опасный для окружающей среды» . Атмосферный аммиак играет ключевую роль в образовании мелких твердых частиц . [133]
Аммиак является составной частью табачного дыма . [134]
Аммиак присутствует в потоках сточных вод коксования, как жидкий побочный продукт производства кокса из угля . [135] В некоторых случаях аммиак сбрасывается в морскую среду , где он действует как загрязняющее вещество. Уайалла сталелитейный завод в Южной Австралии является одним из примеров предприятия по производству кокса, которое сбрасывает аммиак в морские воды. [136]
Токсичность аммиака считается причиной необъяснимых потерь в рыбоводных хозяйствах . Избыток аммиака может накапливаться и вызывать изменение метаболизма или повышение pH тела подвергшегося воздействию организма. Устойчивость различается у разных видов рыб. [137] При более низких концентрациях, около 0,05 мг/л, неионизированный аммиак вреден для видов рыб и может привести к плохому росту и скорости конверсии корма, снижению плодовитости и фертильности, а также повысить стресс и восприимчивость к бактериальным инфекциям и заболеваниям. [138] Подвергшись воздействию избытка аммиака, рыбы могут страдать от потери равновесия, гипервозбудимости, повышенной дыхательной активности и поглощения кислорода, а также учащенного сердцебиения. [137] При концентрациях, превышающих 2,0 мг/л, аммиак вызывает повреждение жабр и тканей, крайнюю летаргию, судороги, кому и смерть. [137] [139] Эксперименты показали, что смертельная концентрация для различных видов рыб составляет от 0,2 до 2,0 мг/л. [139]
Зимой, когда аквакультурному стаду дают меньше кормов, уровень аммиака может быть выше. Более низкие температуры окружающей среды снижают скорость фотосинтеза водорослей, поэтому любые присутствующие водоросли удаляют меньше аммиака. В среде аквакультуры, особенно в больших масштабах, не существует быстродействующего средства против повышенного уровня аммиака. Для снижения вреда выращиваемой рыбе [139] и окружающей среде в открытых водных системах рекомендуется профилактика, а не коррекция.
Подобно пропану , безводный аммиак кипит при температуре ниже комнатной при атмосферном давлении. Для хранения жидкости подходит емкость, рассчитанная на 250 фунтов на квадратный дюйм (1,7 МПа ). [140] Аммиак используется в многочисленных различных промышленных применениях, требующих сосудов для хранения из углеродистой или нержавеющей стали. Аммиак с содержанием воды не менее 0,2% по весу не вызывает коррозии углеродистой стали. Резервуары для хранения из углеродистой стали NH3 с содержанием воды 0,2% по весу или более могут прослужить более 50 лет. [141] Эксперты предупреждают, что соединения аммония не должны контактировать с основаниями (за исключением случаев преднамеренной и сдерживаемой реакции), так как может выделяться опасное количество аммиачного газа.
.jpg/1280px-Ammonia_solution_(25-28%).jpg)
Опасность растворов аммиака зависит от концентрации: «разбавленные» растворы аммиака обычно имеют концентрацию 5–10% по весу (< 5,62 моль/л); «концентрированные» растворы обычно готовятся при концентрации >25% по весу. 25% (по весу) раствор имеет плотность 0,907 г/см 3 , а раствор с меньшей плотностью будет более концентрированным. Классификация растворов аммиака в Европейском союзе приведена в таблице.
Пары аммиака из концентрированных растворов аммиака оказывают сильное раздражающее действие на глаза и дыхательные пути , и эксперты предупреждают, что с этими растворами следует работать только в вытяжном шкафу . Насыщенные ('0,880' – см. § Свойства ) растворы могут создавать значительное давление внутри закрытой бутылки в теплую погоду, и эксперты также предупреждают, что бутылку следует открывать с осторожностью. Обычно это не проблема для 25% ('0,900') растворов.
Эксперты предупреждают, что растворы аммиака нельзя смешивать с галогенами , так как образуются токсичные и/или взрывоопасные продукты. Эксперты также предупреждают, что длительный контакт растворов аммиака с серебром , ртутью или солями йода также может привести к образованию взрывоопасных продуктов: такие смеси часто образуются при качественном неорганическом анализе , и что их необходимо слегка подкислить, но не концентрировать (<6% w/v) перед утилизацией после завершения теста.
Безводный аммиак классифицируется как токсичный ( T ) и опасный для окружающей среды ( N ). Газ горюч ( температура самовоспламенения : 651 °C) и может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (16–25%). Допустимый предел воздействия (PEL) в Соединенных Штатах составляет 50 ppm (35 мг/м3 ) , в то время как концентрация IDLH оценивается в 300 ppm. Повторное воздействие аммиака снижает чувствительность к запаху газа: обычно запах ощущается при концентрации менее 50 ppm, но десенсибилизированные люди могут не чувствовать его даже при концентрации 100 ppm. Безводный аммиак разъедает сплавы, содержащие медь и цинк , что делает латунную арматуру непригодной для работы с газом. Жидкий аммиак также может разъедать резину и некоторые пластмассы.
Аммиак бурно реагирует с галогенами . Трииодид азота , первичное взрывчатое вещество , образуется при контакте аммиака с йодом . Аммиак вызывает взрывчатую полимеризацию окиси этилена . Он также образует взрывчатые фульминирующие соединения с соединениями золота , серебра , ртути , германия или теллура и со стибином . Бурные реакции также были зарегистрированы с ацетальдегидом , растворами гипохлорита , феррицианидом калия и пероксидами .
Аммиак имеет один из самых высоких показателей производства среди всех неорганических химикатов. Производство иногда выражается в терминах «фиксированного азота». Мировое производство оценивалось в 160 миллионов тонн в 2020 году (147 тонн фиксированного азота). [143] На Китай приходилось 26,5% этого объема, за ним следовали Россия с 11,0%, США с 9,5% и Индия с 8,3%. [143]
До начала Первой мировой войны большую часть аммиака получали сухой перегонкой [144] азотистых растительных и животных отходов, в том числе верблюжьего навоза , где его перегоняли путем восстановления азотистой кислоты и нитритов водородом; кроме того, его получали перегонкой угля , а также разложением солей аммония щелочными гидроксидами [145], такими как негашеная известь : [21]
Для мелкомасштабного лабораторного синтеза можно нагреть мочевину и гидроксид кальция или гидроксид натрия :
Процесс Габера [146] , также называемый процессом Габера–Боша, является основным промышленным процессом производства аммиака . [147] [148] Он преобразует атмосферный азот (N 2 ) в аммиак (NH 3 ) путем реакции с водородом (H 2 ) с использованием тонкоизмельченного металлического железного катализатора:
Эта реакция немного благоприятна с точки зрения энтальпии , но неблагоприятна с точки зрения энтропии , поскольку четыре эквивалента реагирующих газов преобразуются в два эквивалента продуктового газа. В результате для продвижения реакции необходимы высокие давления и умеренно высокие температуры .
Немецкие химики Фриц Габер и Карл Бош разработали этот процесс в первом десятилетии 20-го века, и его улучшенная эффективность по сравнению с существующими методами, такими как процессы Биркеланда-Эйде и Франка-Каро, стала крупным достижением в промышленном производстве аммиака. [149] [150] [151] Процесс Габера можно объединить с паровым риформингом для получения аммиака всего с тремя химическими входами: водой, природным газом и атмосферным азотом. И Габер, и Бош в конечном итоге были удостоены Нобелевской премии по химии : Габер в 1918 году конкретно за синтез аммиака, а Бош в 1931 году за связанный с этим вклад в химию высокого давления .Аммиак может быть синтезирован электрохимически. Единственными необходимыми входными данными являются источники азота (потенциально атмосферный) и водорода (вода), что позволяет производить его в месте использования. Наличие возобновляемой энергии создает возможность производства с нулевыми выбросами. [152] [153]
« Зеленый аммиак» — это название аммиака, полученного из водорода, который в свою очередь производится из источников, не содержащих углерод, таких как электролиз воды. Аммиак из этого источника может использоваться в качестве жидкого топлива с нулевым вкладом в глобальное изменение климата .
Другой режим электрохимического синтеза включает восстановительное образование нитрида лития , который может быть протонирован до аммиака при наличии источника протонов , которым может быть водород. В первые годы разработки этого процесса в качестве такого источника использовался этанол . Первое использование этой химии было описано в 1930 году, когда растворы лития в этаноле использовались для получения аммиака при давлении до 1000 бар. [154] В 1994 году Цунето и др. использовали электроосаждение лития в тетрагидрофуране для синтеза аммиака при более умеренных давлениях с разумной эффективностью Фарадея . [155] Последующие исследования дополнительно изучили систему этанол–тетрагидрофуран для электрохимического синтеза аммиака. [156] [157] Было обнаружено, что помимо простого опосредования переноса протонов в реакцию восстановления азота, этанол играет многогранную роль, влияя на превращения электролита и способствуя образованию твердоэлектролитной интерфазы, что повышает общую эффективность реакции [158] [156]
В 2020 году было показано, что независимый от растворителя газодиффузионный электрод улучшает транспорт азота к реактивному литию. Были достигнуты скорости производства NH3 до 30 ± 5 нмоль/с/см2 и эффективность Фарадея до 47,5 ± 4% при температуре окружающей среды и давлении 1 бар. [ 159]
Этанол можно заменить солью тетраалкилфосфония . [160] Исследование показало, что скорость образования NH3 составляет 53 ± 1 нмоль/с/см2 при эффективности Фарадея 69 ± 1% при парциальном давлении водорода 0,5 бар и азота 19,5 бар при температуре окружающей среды. [160]
В 2022 году аммиак был получен с помощью литий-опосредованного процесса в электролизере непрерывного потока, также демонстрирующем водородный газ как источник протонов. Исследование синтезировало аммиак с эффективностью Фарадея 61 ± 1% при плотности тока −6 мА/см 2 при 1 бар и комнатной температуре. [161]
Аммиак необходим для жизни. [163] Например, он необходим для образования аминокислот и нуклеиновых кислот , основных строительных блоков жизни. Однако аммиак довольно токсичен. Таким образом, природа использует переносчиков для аммиака. Внутри клетки эту роль выполняет глутамат . В кровотоке источником аммиака является глутамин . [164]
Этаноламин, необходимый для клеточных мембран, является субстратом для этаноламинаммонийлиазы , которая производит аммиак: [165]
Аммиак является как метаболическими отходами , так и метаболическим входом во всей биосфере . Он является важным источником азота для живых систем. Хотя атмосферный азот в изобилии (более 75%), немногие живые существа способны использовать атмосферный азот в его двухатомной форме, газе N2 . Поэтому фиксация азота необходима для синтеза аминокислот, которые являются строительными блоками белка . Некоторые растения зависят от аммиака и других азотистых отходов, включаемых в почву разлагающимся веществом. Другие, такие как азотфиксирующие бобовые , извлекают выгоду из симбиотических отношений с бактериями ризобий , которые создают аммиак из атмосферного азота. [166]
Для людей вдыхание аммиака в высоких концентрациях может быть смертельным. Воздействие аммиака может вызвать головные боли , отеки , нарушение памяти, судороги и кому, поскольку он нейротоксичен по своей природе. [167]
В некоторых организмах аммиак вырабатывается из атмосферного азота ферментами , называемыми нитрогеназами . Весь этот процесс называется фиксацией азота . Интенсивные усилия были направлены на понимание механизма биологической фиксации азота. Научный интерес к этой проблеме обусловлен необычной структурой активного центра фермента , который состоит из ансамбля Fe7MoS9 . [168]
Аммиак также является метаболическим продуктом дезаминирования аминокислот , катализируемым ферментами, такими как глутаматдегидрогеназа 1. Выделение аммиака распространено у водных животных. У людей он быстро преобразуется в мочевину ( печенью ), которая гораздо менее токсична, в частности, менее щелочная. Эта мочевина является основным компонентом сухого веса мочи . Большинство рептилий, птиц, насекомых и улиток выделяют мочевую кислоту исключительно в виде азотистых отходов.
Аммиак играет роль как в нормальной, так и в ненормальной физиологии животных . Он биосинтезируется посредством нормального метаболизма аминокислот и токсичен в высоких концентрациях. Печень преобразует аммиак в мочевину посредством серии реакций, известных как цикл мочевины . Дисфункция печени, например, наблюдаемая при циррозе , может привести к повышенному количеству аммиака в крови ( гипераммониемия ). Аналогичным образом, дефекты ферментов, ответственных за цикл мочевины, таких как орнитинтранскарбамилаза , приводят к гипераммониемии . Гипераммониемия способствует спутанности сознания и коме печеночной энцефалопатии , а также неврологическому заболеванию, распространенному у людей с дефектами цикла мочевины и органическими ацидуриями . [169]
Аммиак важен для нормального кислотно-щелочного баланса животных. После образования аммония из глутамина α-кетоглутарат может расщепляться с образованием двух ионов бикарбоната , которые затем становятся буферами для пищевых кислот. Аммоний выводится с мочой, что приводит к чистой потере кислоты. Сам аммиак может диффундировать через почечные канальцы , соединяться с ионом водорода и, таким образом, обеспечивать дальнейшее выделение кислоты . [170]
Ионы аммония являются токсичным отходом метаболизма у животных . У рыб и водных беспозвоночных он выделяется непосредственно в воду. У млекопитающих, акул и земноводных он преобразуется в цикле мочевины в мочевину , которая менее токсична и может храниться более эффективно. У птиц, рептилий и наземных улиток метаболический аммоний преобразуется в мочевую кислоту , которая является твердой и поэтому может выделяться с минимальной потерей воды. [171]
Аммиак был обнаружен в атмосферах гигантских планет Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна , наряду с другими газами, такими как метан , водород и гелий . Внутри Сатурна могут находиться замороженные кристаллы аммиака. [172] Он обнаружен на Деймосе и Фобосе — двух лунах Марса . [ требуется ссылка ]
Аммиак был впервые обнаружен в межзвездном пространстве в 1968 году на основе микроволнового излучения со стороны галактического ядра . [173] Это была первая многоатомная молекула, обнаруженная таким образом. Чувствительность молекулы к широкому диапазону возбуждений и легкость, с которой ее можно наблюдать в ряде регионов, сделали аммиак одной из важнейших молекул для изучения молекулярных облаков . [174] Относительная интенсивность линий аммиака может быть использована для измерения температуры излучающей среды.
Были обнаружены следующие изотопные виды аммиака: NH 3 , 15 NH 3 , NH 2 D , NHD 2 и ND 3 . Обнаружение трижды дейтерированного аммиака было сочтено неожиданностью, поскольку дейтерий относительно редок. Считается, что низкотемпературные условия позволяют этой молекуле выживать и накапливаться. [175]
С момента своего межзвездного открытия NH 3 оказался бесценным спектроскопическим инструментом в изучении межзвездной среды. Благодаря большому количеству переходов, чувствительных к широкому диапазону условий возбуждения, NH 3 широко обнаружен астрономами — его обнаружение было описано в сотнях журнальных статей. Ниже приведен пример журнальных статей, в котором подчеркивается диапазон детекторов, которые использовались для идентификации аммиака.
Изучение межзвездного аммиака было важным для ряда областей исследований в последние несколько десятилетий. Некоторые из них описаны ниже и в первую очередь связаны с использованием аммиака в качестве межзвездного термометра.
Межзвездное содержание аммиака было измерено для различных сред. Соотношение [ NH 3 ]/[ H 2 ] оценивается в диапазоне от 10 −7 в небольших темных облаках [176] до 10 −5 в плотном ядре комплекса молекулярных облаков Ориона . [177] Хотя было предложено всего 18 общих путей производства, [178] основным механизмом образования межзвездного NH 3 является реакция:
Константа скорости этой реакции k зависит от температуры окружающей среды и равна 10 К. [179] Константа скорости была рассчитана по формуле . Для реакции первичного образования a = 1,05 × 10−6 и B = −0,47 . Предполагая, что распространенность NH + 4 составляети распространенность электронов составляет 10−7 , типичную для молекулярных облаков, образование будет происходить со скоростью1,6 × 10−9 см −3 с −1 в молекулярном облаке общей плотности10 5 см −3 . [180]
Все другие предложенные реакции образования имеют константы скорости от двух до 13 порядков меньше, что делает их вклад в распространенность аммиака относительно незначительным. [181] В качестве примера незначительного вклада других реакций образования можно привести реакцию:
имеет константу скорости 2,2 × 10−15 . Предполагая плотность H2 105 и отношение [ NH2 ] /[ H2 ] 10−7 , эта реакция протекает со скоростью 2,2 × 10−12 , что более чем на три порядка медленнее, чем первичная реакция выше .
Некоторые из других возможных реакций образования:
Всего предложено 113 реакций, приводящих к разрушению NH 3 . Из них 39 были сведены в обширные таблицы химии соединений C, N и O. [182] Обзор межзвездного аммиака приводит следующие реакции в качестве основных механизмов диссоциации: [174]
с константами скорости 4,39×10−9 [ 183] и 2,2×10−9 , [ 184] соответственно. Уравнения выше ( 1 , 2 ) выполняются со скоростью 8,8×10−9 и 4,4×10−13 соответственно . Эти расчеты предполагали заданные константы скорости и распространенности [ NH 3 ]/[ H 2 ] = 10−5 , [ [H 3 ] + ]/[ H 2 ] = 2×10−5 , [ HCO + ]/[ H 2 ] = 2×10−9 и общие плотности n = 10 5 , типичные для холодных, плотных молекулярных облаков. [185] Очевидно, что среди этих двух первичных реакций уравнение ( 1 ) является доминирующей реакцией разрушения со скоростью ≈10 000 раз быстрее, чем уравнение ( 2 ). Это связано с относительно высоким содержанием [H 3 ] + .
Радионаблюдения NH 3 с помощью 100-метрового радиотелескопа Эффельсберга показывают, что линия аммиака разделена на два компонента — фоновый хребет и неразрешенное ядро. Фон хорошо соответствует ранее обнаруженным местоположениям CO. [186] 25-метровый телескоп Чилболтон в Англии обнаружил радиосигналы аммиака в областях H II , мазерах HNH 2 O , объектах H–H и других объектах, связанных со звездообразованием. Сравнение ширины эмиссионных линий показывает, что турбулентные или систематические скорости не увеличиваются в центральных ядрах молекулярных облаков. [187]
Микроволновое излучение аммиака наблюдалось в нескольких галактических объектах, включая W3(OH), Orion A , W43 , W51 и пять источников в галактическом центре. Высокий уровень обнаружения указывает на то, что это обычная молекула в межзвездной среде и что области высокой плотности обычны в галактике. [188]
Наблюдения VLA за NH 3 в семи регионах с высокоскоростными газовыми потоками выявили конденсации менее 0,1 пк в L1551, S140 и Цефее А. Три отдельных конденсации были обнаружены в Цефее А, одна из них с сильно вытянутой формой. Они могут играть важную роль в создании биполярного потока в регионе. [189]
Внегалактический аммиак был отображен с помощью VLA в IC 342. Горячий газ имеет температуру выше 70 К, что было выведено из соотношений линий аммиака и, по-видимому, тесно связан с самыми внутренними частями ядерного бара, наблюдаемого в CO. [190] NH 3 также отслеживался с помощью VLA в направлении образца из четырех галактических ультракомпактных областей HII: G9.62+0.19, G10.47+0.03, G29.96-0.02 и G31.41+0.31. На основе диагностики температуры и плотности сделан вывод, что в целом такие сгустки, вероятно, являются местами массивного звездообразования на ранней эволюционной фазе до развития ультракомпактной области HII. [191]
Поглощение на 2,97 микрометра из-за твердого аммиака было зарегистрировано в межзвездных зернах в объекте Беклина-Нойгебауэра и, вероятно, в NGC 2264-IR. Это обнаружение помогло объяснить физическую форму ранее плохо изученных и связанных с ними линий поглощения льда. [192]
Спектр диска Юпитера был получен с борта обсерватории Койпера , охватывая спектральный диапазон от 100 до 300 см −1 . Анализ спектра дает информацию о глобальных средних свойствах аммиачного газа и аммиачной ледяной дымки. [193]
Всего было обследовано 149 позиций темных облаков на предмет наличия «плотных ядер» с использованием вращающейся инверсионной линии (J,K) = (1,1) NH 3 . В целом ядра не имеют сферической формы, с соотношением сторон от 1,1 до 4,4. Также обнаружено, что ядра со звездами имеют более широкие линии, чем ядра без звезд. [194]
Аммиак был обнаружен в туманности Дракона и в одном или, возможно, двух молекулярных облаках, которые связаны с высокоширотным галактическим инфракрасным перистым облаком . Это открытие имеет важное значение, поскольку они могут представлять собой места рождения звезд B-типа металличности населения I в галактическом гало, которые могли быть рождены в галактическом диске. [195]
Уравновешивая и стимулированное излучение со спонтанным излучением, можно построить соотношение между температурой возбуждения и плотностью. Более того, поскольку переходные уровни аммиака можно аппроксимировать двухуровневой системой при низких температурах, этот расчет довольно прост. Это предположение можно применить к темным облакам, регионам, предположительно имеющим чрезвычайно низкие температуры, и возможным местам будущего звездообразования. Обнаружения аммиака в темных облаках показывают очень узкие линии, что указывает не только на низкие температуры, но и на низкий уровень внутренней турбулентности облаков. Расчеты соотношения линий обеспечивают измерение температуры облаков, которое не зависит от предыдущих наблюдений CO. Наблюдения за аммиаком согласуются с измерениями CO температур вращения ≈10 К. При этом можно определить плотность, и, как было рассчитано, она находится в диапазоне от 10 4 до 10 5 см −3 в темных облаках. Картографирование NH 3 дает типичные размеры облаков 0,1 пк и массы около 1 солнечной массы. Эти холодные, плотные ядра являются местами будущего звездообразования.
Сверхкомпактные регионы HII являются одними из лучших трассеров формирования звезд большой массы. Плотный материал, окружающий регионы UCHII, вероятно, в основном молекулярный. Поскольку полное исследование формирования массивных звезд обязательно включает облако, из которого образовалась звезда, аммиак является бесценным инструментом для понимания этого окружающего молекулярного материала. Поскольку этот молекулярный материал может быть пространственно разрешен, можно ограничить источники нагрева/ионизации, температуры, массы и размеры регионов. Компоненты скорости с доплеровским смещением позволяют разделить отдельные регионы молекулярного газа, которые могут отслеживать оттоки и горячие ядра, происходящие из формирующихся звезд.
Аммиак был обнаружен во внешних галактиках, [196] [197] и путем одновременного измерения нескольких линий можно напрямую измерить температуру газа в этих галактиках. Соотношения линий подразумевают, что температура газа теплая (≈50 K), происходящая из плотных облаков размером в десятки парсеков. Эта картина согласуется с картиной внутри нашей галактики Млечный Путь — горячие плотные молекулярные ядра образуются вокруг недавно образующихся звезд, погруженных в более крупные облака молекулярного материала в масштабе нескольких сотен парсеков (гигантские молекулярные облака; GMC).
