Amoniak
Cząsteczka amoniaku ma kształt tzw. piramidy trygonalnej. Atom azotu wykazuje hybrydyzację sp³, trzy z powstałych orbitali tworzą wiązania z atomami wodoru, czwarty jest zajmowany przez wolną parę elektronową. Jej obecność powoduje odpychanie elektronów tworzących wiązania N-H, przez co kąt między tymi wiązaniami jest nieco mniejszy (wynosi 106°45') niż np. między wiązaniami C-H w metanie (109°28'). Struktura piramidy trygonalnej nie jest jednak stabilna - amoniak i większość jego pochodnych (aminy) ulega tzw. inwersji parasolowej, w której cząsteczka "przewraca się na drugą stronę" jak parasol na silnym wietrze, a wolna para elektronowa przeskakuje na drugą stronę atomu azotu.
Z powodu stosunkowo dużej różnicy elektroujemności między atomem azotu i wodoru - ΔE = 0,84 (wg skali Paulinga) oraz asymetrycznej budowie, cząsteczka amoniaku ma dość duży moment dipolowy (μ=1,46 D).
Otrzymywanie
1)W skali przemysłowej amoniak otrzymywany jest metodą bezpośredniej syntezy z pierwiastków tzw. metoda Habera-Bosha:
N2 + 3H2 2NH2 ∆H= -92,4 kJ/mol
Surowcami, z których otrzymuje się mieszaninę wodoru i azotu służącą do wyrobu amoniaku, są gaz ziemny (metan), para wodna i powietrze.
2)Małe ilości amoniaku na potrzeby laboratoriów uzyskuje się także w wyniku działania mocnych zasad na sole amonowe w podwyższonej temperaturze np.:
2NH4Cl + Ca(OH)2 CaCl2 + 2H2O + 2 NH3
3)W wyjątkowych przypadkach uzyskuje się amoniak przeprowadzając hydrolizę azotków. Ten sposób stosuje się na przykład w procesie preparowania Ciężkiego amoniaku, tj. zawierającego deuter zamiast zwykłego wodoru, czyli protu:
Mg3N2 + 6D2O 3Mg(OD)2 + 2ND3
W naturze amoniak powstaje jako produkt gnicia substancji białkowych. Przed wynalezieniem metody Habera i Boscha do przemysłowego otrzymywania amoniaku stosowano reakcję hydrolizy cyjanoamidu wapnia, suchą destylację niektórych roślin i produktów zwierzęcych oraz redukcję kwasu azotowego(III) (azotawego) i jego soli wodorem.
Właściwości fizyczne i chemiczne
Amoniak w normalnych warunkach jest gazem bezbarwnym, o charakterystycznym zapachu, drażniącym błony śluzowe. Łatwo ulega skropleniu na ciecz bezbarwną, silnie łamiącą światło, wrzącą w temp. 239,74 K wykazującą znaczne ciepło parowania. Dzięki swoim cechom skroplony amoniak znalazł zastosowanie w technice chłodniczej. W wodzie amoniak rozpuszcza się bardzo dobrze, jest to wynikiem silnego oddziaływania pomiędzy cząsteczkami amoniaku, a cząsteczkami wody i wytwarzania pomiędzy nimi wiązań wodorowych. Gazowy amoniak tworzy z gazowym HCl białe dymy chlorku amonu: NH3 + HCl NH4Cl.
Wodne roztwory amoniaku zobojętniają kwasy tworząc sole amonowe, mocne zasady wypierają amoniak z soli amonowych: (NH4)2SO4 +2NaOH Na2SO4 + 2H2O + 2NH3.
Podczas oziębiania wodnych roztworów amoniaku wydzielają się, zależnie od składu r-ru hydraty: NH3xH2O o temp topnienia 194,15K, lub 2NH3xH2O, o temp topnienia 194,32 K. W tych hydratach cząsteczki amoniaku wiążą się z cząsteczkami wody za pośrednictwem niezbyt mocnych wiązań wodorowych.
W powietrzu amoniak zapala się w zetknięciu z płomieniem, ale po usunięciu płomienia nie pali się dalej. Płomień może spowodować także wybuch mieszaniny powietrza z 16-27% amoniakiem. W tlenie amoniak spala się żółtawym płomieniem dając azot i wodę: 4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O.
W obecności katalizatora platynowego amoniak spala się w temp ok., 1100K na tlenek azotu:
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
Reakcja ta jest przeprowadzana na skalę przemysłową ( metoda Ostwalda) w celu otrzymania tlenku azotu stanowiącego produkt pośredni w produkcji kwasu azotowego.
W wysokich temperaturach amoniak działa silnie redukująco, co jest spowodowane obecnością wodoru powstającego jako produkt termiczne rozpadu amoniaku.
Ciekły amoniak jako rozpuszczalnik
Ciekły amoniak wykazuje wiele podobieństw do wody. Analogicznie do niej autodysocjuje wg równania:
2 NH3 → NH4+ + NH2-
Stała Ki tej autodysocjacji w temperaturze -50 °C wynosi 10-30. Kation amonowy (NH4+) jest słabszym kwasem (wg definicji Brønsteda i Lowry'ego) niż kation oksoniowy (H3O+), a anion amidkowy (NH2-) jest silniejszą zasadą niż jon wodorotlenowy, co powoduje, że nawet słabe kwasy silnie dysocjują w amoniaku, a silne zasady dysocjują słabo.
Ciekły amoniak rozpuszcza metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych z wytworzeniem kolorowych, silnie reduktywnych, przewodzących prądroztworów. Kolor roztworu zmienia się wraz ze stężeniem jonów metalu. Przy małym stężeniu roztwór jest niebieski, przy zatężeniu zmienia barwę na brązową.
Anna Pasztaleniec-Serafińska