Свойства
Молекула NН3 имеет форму правильной пирамиды с атомом азота в вершине; связи NН полярны, энергия связи NH 389,4 кДж/моль. У атома N имеется неподелённая пара электронов, которая обусловливает способность аммиака к образованию донорно-акцепторной и водородной связей. Аммиак. Структура молекулы. Архив БРЭ.Молекула NН3 способна к инверсии – «выворачиванию наизнанку» путём прохождения атома азота сквозь образованную атомами водорода плоскость основания пирамиды.
Аммиак – бесцветный газ с резким запахом; tпл –77,7 °C; tкип –33,35 °C; плотность газообразного NН3 (при 0 °C, 0,1 МПа) 0,7714 кг/м3; теплота образования аммиака из элементов ΔНобр –45,94 кДж/моль. Сухая смесь аммиака с воздухом (15,5–28% по массе NН3) способна взрываться. Жидкий NН3 – бесцветная, сильно преломляющая свет жидкость, хороший растворитель для многих органических и неорганических соединений. Аммиак легко растворим в воде (33,1% по массе при 20 °C), несколько хуже в спирте, ацетоне, бензоле, хлороформе. Раствор аммиака в воде – аммиачная вода – бесцветная жидкость с запахом аммиака; раствор, содержащий 10% по массе NН3, имеет торговое название нашатырный спирт. В водном растворе аммиака частично ионизирован на N и ОН–, что обусловливает щелочную реакцию раствора (рK 9,247).
Получение и применение
В природе аммиак образуется при разложении азотсодержащих соединений. В 1774 г. Дж. Пристли впервые собрал в ртутной ванне аммиак, образующийся при действии извести на хлорид аммония. Старейший промышленный способ получения NН3 – выделение аммиака из отходящих газов при коксовании угля.
Основной способ получения аммиака – синтез его из азота и водорода, предложенный в 1908 г. Ф. Габером. Синтез аммиака в промышленности осуществляют по реакции . Сдвигу равновесия вправо способствуют повышение давления и понижение температуры. Процесс проводят при давлении около 30 МПа и температуре 450–500 °C в присутствии катализатора – Fe, активированного оксидами K2О, Аl2О3, СаО и др. При однократном прохождении через массу катализатора возможно превращение в аммиак лишь 20–25% исходной газовой смеси; для полного превращения необходима многократная циркуляция. Основное сырьё для получения Н2 в производстве аммиака – природный горючий газ, перерабатываемый методом двухступенчатой парогазовой конверсии метана.
Производство аммиака включает следующие стадии: очистку природного газа от сернистых соединений каталитическим гидрированием их до Н2S c последующим поглощением сероводорода оксидом цинка; паровую конверсию природного газа под давлением 3,8 МПа при температуре 860 °C на катализаторе Ni – Al в трубчатой печи (первичный риформинг); паровоздушную конверсию остаточного метана в шахтном конвертере (вторичный риформинг) при 990–1000 °C и 3,3 МПа на катализаторе Ni – Al; на этом этапе водород обогащается азотом из атмосферного воздуха для получения смеси азота с водородом (соотношение по объёму 1:3), поступающей на синтез NН3; конверсию СО до СО2 и Н2 сначала при 450 °C и 3,1 МПа на катализаторе Fe – Cr, затем при 200–260 °C и 3,0 МПа на катализаторе Zn – Cr – Cu; очистку Н2 от СО2 абсорбцией раствором моноэтаноламина или горячим раствором K2СО3 при 2,8 МПа; очистку смеси Н2 и N2 путём гидрирования от остаточных СО и СО2 в присутствии катализатора Ni – Al при 280 °C и 2,6 МПа; компримирование (сжатие) очищенного газа до 15–30 МПа и синтез аммиака на железном промотированном катализаторе при 400–500 °C в реакторе синтеза с насадкой с радиальным или аксиальным ходом газа. Поставляемый в промышленность жидкий аммиак содержит не менее 99,96% по массе NH3. В аммиак, транспортируемый по трубопроводу, добавляется до 0,2–0,4% Н2О для ингибирования коррозии стали.
Современная технология синтеза аммиака заключается в получении азота из воздуха, а водорода – из воды при помощи электролизёра, работающего на возобновляемой энергии. Полученный таким способом аммиак называют зелёным аммиаком, ввиду отсутствия выбросов углекислого газа при его производстве. В зависимости от способа производства и объема выбросов CO2 различают голубой и серый аммиак.
Аммиак применяют в производстве азотной кислоты, мочевины, солей аммония, аммофоса, уротропина, соды (по аммиачному методу), как жидкое удобрение, в качестве хладагента и пр. Пучок молекул NH3 был использован в качестве рабочего вещества в первом квантовом генераторе – мазере (1954).
Аммиак токсичен. При содержании в воздухе 0,02% аммиака по объёму раздражает слизистые оболочки. Жидкий аммиак вызывает сильные ожоги кожи.
Мировое производство аммиака (в пересчёте на N) около 147 млн т/год (2020), в том числе в РФ 16,1 млн т/год.
Дата публикации: 17 июня 2022 г. в 14:49 (GMT+3)
Физические свойства аммиака
* Табличные данные подготовлены по материалам зарубежных справочников
Формулы для расчета физических свойств аммиака
При проведении инженерных расчётов удобнее использовать приближённые формулы для оценки физических свойств аммиака NH3⋆:
Плотность аммиака NH3
⋆ Приближённые формулы физических свойств аммиака получены авторами настоящего сайта.
Размерность величин: температура — градусы Цельсия. Формула плотности аммиака выведена для атмосферного давления.
Приближённые формулы действительны в диапазоне температур от 25 до 230 oC.
Аммиак (NН3) – токсичное горючее газообразное вещество, обладающее свойством образовывать при контакте с воздухом взрывоопасную смесь.
При нормальном давлении и комнатной температуре существует в виде газа. Для использования в производстве и при транспортировании аммиак (нитрид водорода) сжижают.
Технический аммиак используется как основное сырьё при производстве большого количества веществ, содержащих азот и используемых в разных отраслях промышленности: минеральных удобрений, азотной и синильной кислот, в общем органическом синтезе и т.д.
В таблице представлены плотность и теплофизические свойства аммиака в газообразном состоянии в зависимости от температуры при давлении 760 мм.рт.ст. Свойства аммиака указаны при температуре от -23 до 627 °С.
В таблице даны следующие свойства аммиака:
- плотность аммиака, кг/м3;
- удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
- динамическая вязкость, Па·с;
- кинематическая вязкость, м2/с;
- температуропроводность, м2/с;
- число Прандтля.
По данным таблицы видно, что свойства аммиака существенно зависят от температуры. Так, с ростом температуры уменьшается плотность аммиака, и число Прандтля; остальные характеристики этого газа увеличивают свои значения.
Например, при температуре 27°С (300 К) аммиак имеет плотность, равную 0,715 кг/м3, а при нагревании до 627°С (900 К) плотность аммиака снижается до величины 0,233 кг/м3.
Плотность аммиака при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении существенно ниже плотности воздуха при этих условиях.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность аммиака в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000.
Свойства аммиака (сухой насыщенный пар)
В таблице даны теплофизические свойства сухого насыщенного пара аммиака в зависимости от температуры.
Свойства приведены в интервале температуры от -70 до 70 °С.
В таблице указаны следующие свойства пара аммиака:
- давление насыщенных паров, МПа;
- плотность аммиака, кг/м3;
- теплота фазового перехода, кДж/кг;
- удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
- теплопроводность, Вт/(м·град);
- температуропроводность, м2/с;
- динамическая вязкость, Па·с;
- кинематическая вязкость, м2/с;
- число Прандтля.
Свойства аммиака сильно зависят от температуры. Имеет место прямая зависимость между температурой и давлением насыщенных паров аммиака.
Плотность насыщенного пара аммиака при этом значительно увеличивается. Снижаются значения температуропроводности и вязкости. Теплопроводность насыщенного пара аммиака в таблице указана в степени 104. Не забудьте разделить на 10000.
Свойства жидкого аммиака в состоянии насыщения
В таблице даны теплофизические свойства насыщенной жидкости аммиака в зависимости от температуры.
Свойства аммиака в состоянии насыщенной жидкости даны в интервале температуры от -70 до 70 °С.
В таблице приведены следующие свойства жидкого аммиака:
- давление насыщенных паров, МПа;
- плотность аммиака, кг/м3;
- удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
- теплопроводность, Вт/(м·град);
- температуропроводность, м2/с;
- динамическая вязкость, Па·с;
- кинематическая вязкость, м2/с;
- коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
- число Прандтля.
Плотность аммиака в жидком состоянии менее зависима от температуры, чем плотность его пара. Только динамическая вязкость существенно снижается при росте температуры жидкого аммиака.
Теплопроводность аммиака в жидком и газообразном состояниях
В таблице приведены значения теплопроводности аммиака в жидком и газообразном состояниях в зависимости от температуры и давления.
Теплопроводность аммиака (размерность Вт/(м·град)) указана в диапазоне температуры от 27 до 327 °С и давления от 1 до 1000 атмосфер.
Теплопроводность аммиака в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000.
Значения теплопроводности выше черты указаны для жидкого аммиака, теплопроводность которого с ростом температуры снижается.
Теплопроводность газообразного аммиака увеличивается при нагревании. Увеличение давления приводит к росту значения теплопроводности, как для жидкого, так и для газообразного аммиака.
В следующей таблице приведена теплопроводность аммиака при низких температурах и атмосферном давлении.
Теплопроводность жидкого аммиака на линии насыщения в зависимости от температуры приведена в таблице ниже. Следует отметить, что теплопроводность жидкого аммиака при нагревании уменьшается.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность аммиака в таблицах указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000.