Een van de belangrijkste stikstofverbindingen is ammoniak. Volgens zijn fysische eigenschappen is het een kleurloos gas met een scherpe, verstikkende geur (dit is de geur van een waterige oplossing van ammoniumhydroxide NH₃·H₂O). Het gas is zeer goed oplosbaar in water. In waterige oplossing is ammonium een zwakke base. Het is een van de belangrijkste producten van de chemische industrie.
NH₃ is een goed reductiemiddel, omdat in het ammoniummolecuul stikstof de laagste oxidatietoestand heeft -3. Veel kenmerken van ammoniak worden bepaald door een paar enkele elektronen in het stikstofatoom - additiereacties met ammoniak treden op vanwege zijn aanwezigheid (dit paar singles bevindt zich in de vrije baan van het Proton H⁺).
Ammoniak krijgen
Er zijn twee praktische methoden om ammoniak te verkrijgen: de ene in het laboratorium en de andere in de industrie.
Denk aan de productie van ammoniak in de industrie. Interactie van moleculaire stikstof en waterstof: N₂ + 2H₂=2NH₃(omkeerbare reactie). Deze methode om ammoniak te verkrijgen wordt de Haber-reactie genoemd. Om moleculaire stikstof en waterstof te laten reageren, moeten ze worden verwarmd tot 500 C of 932 ᵒF, een MPA-druk van 25-30 moet worden opgebouwd. Poreus ijzer moet als katalysator aanwezig zijn.
Ontvangen in het laboratorium is een reactie tussen ammoniumchloride en calciumhydroxide: CA(OH)₂ + 2NH₄Cl=CaCl₂ + 2NH₄OH (aangezien NH₄OH een zeer zwakke verbinding is, ontleedt het onmiddellijk in gasvormige ammoniak en water: NH₄OH=NH₃ + H₂O).
Ammoniak oxidatiereactie
Ze gaan door met een verandering in de oxidatietoestand van stikstof. Omdat ammoniak een goed reductiemiddel is, kan het worden gebruikt om zware metalen uit hun oxiden te halen.
Metaalreductie: 2NH₃ + 3CuO=3Cu + N₂ + 3H₂O (Als koper(II)oxide wordt verwarmd in aanwezigheid van ammoniak, neemt het roodkopermetaal af).
Oxidatie van ammoniak in aanwezigheid van sterke oxidatiemiddelen (bijvoorbeeld halogenen) vindt plaats volgens de vergelijking: 2NH₃ + 3Cl₂=N₂ + 6HCl (deze redoxreactie vereist verwarming). Bij blootstelling aan kaliumpermanganaat op ammoniak in een alkalisch medium wordt de vorming van moleculaire stikstof, kaliumpermanganaat en water waargenomen: 2NH₃ + 6KMnO₄+ 6KOH=6K₂MnO₄+ N₂ + 6H₂O.
Bij intensief verhitten (tot 1200 °C of 2192 ᵒF) kan ammoniak ontleden in eenvoudige stoffen: 2NH₃=N₂ + 3H₂. Bij 1000 oC of 1832 reageert ammoniak met methaan CH4: 2CH₄ + 2NH₃ + 3O₂=2HCN + 6H₂O (Blauwzuur en water). Door ammoniak te oxideren met natriumhypochloriet, kan hydrazine H₂X₄krijgen: 2NH3 + NaOCl=N2H4 + NaCl + H 2O
Verbranding van ammoniak en de katalytische oxidatie ervan met zuurstof
Oxidatie van ammoniak met zuurstof heeft bepaalde kenmerken. Er zijn twee verschillende soorten oxidatie: katalytisch (met een katalysator), snel (brandend).
Bij verbranding treedt een redoxreactie op, waarvan de producten moleculaire stikstof en water zijn: 4NH3 + 2O2=2N2 + 6H2O zelfontbranding van ammoniak). Katalytische oxidatie met zuurstof treedt ook op bij verhitting (ongeveer 800 ᵒC of 1472 ᵒF), maar één van de reactieproducten is anders: 4NH₃ + 5O₂=4NO + 6H₂O (in aanwezigheid van platina of oxiden van ijzer, mangaan, chroom of kob alt als een katalysator, de oxidatieproducten zijn oxidestikstof (II) en water).
Beschouw de homogene oxidatie van ammoniak met zuurstof. Ongecontroleerde monotone oxidatie van de ammoniakgassectie is een relatief langzame reactie. Het wordt niet in detail gerapporteerd, maar de onderste ontvlambaarheidsgrens van ammoniak-luchtmengsels bij 25°C is ongeveer 15% in het drukbereik van 1-10 bar en neemt af naarmate de begintemperatuur van het gasmengsel stijgt.
Als CNH~ de molfractie is van NH3 in een lucht-ammoniakmengsel met een gemengde temperatuur (OC), dan volgt uit de gegevens CNH=0,15-0 dat de ontvlambaarheidsgrens laag is. Daarom is het redelijk om te werken met een voldoende veiligheidsmarge onder de ondergrensontvlambaarheid, in de regel zijn gegevens over het mengen van ammoniak met lucht vaak verre van perfect.
Chemische eigenschappen
Beschouw de contactoxidatie van ammoniak tot stikstofmonoxide. Typische chemische reacties met ammoniak zonder de stikstofoxidatietoestand te veranderen:
- Reactie met water: NH₃ + H₂O=NH₄OH=NH₄⁺ + he⁻ (de reactie is omkeerbaar omdat ammoniumhydroxide NH₄OH een onstabiele verbinding is).
- Reactie met zuren om normale en zure zouten te vormen: NH₃ + HCl=NH₄Cl (normaal ammoniumchloridezout wordt gevormd); 2NH₃ + H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄.
- Reacties met zouten van zware metalen om complexen te vormen: 2NH₃ + AgCl=[Ag(NH₃)₂]Cl (complexe zilververbindingen (I) diaminechloride vormen).
- Reactie met haloalkanen: NH3 + CH3Cl=[CH3NH3]Cl (methylammoniumhydrochloridevormen zijn het gesubstitueerde ammoniumion NH4=).
- Reactie met alkalimetalen: 2NH₃ + 2K=2KNH₂ + H₂ (vormt kaliumamide KNH₂; stikstof verandert de oxidatietoestand niet, hoewel de reactie redox is). Additiereacties vinden in de meeste gevallen plaats zonder de oxidatietoestand te veranderen (alle bovenstaande, behalve de laatste, worden geclassificeerd door dit type).
Conclusie
Ammoniak is een populaire stof die actief wordt gebruikt in de industrie. Tegenwoordig neemt het een speciale plaats in in ons leven,aangezien we de meeste van zijn producten elke dag gebruiken. Dit artikel zal nuttig zijn voor velen die willen weten wat ons omringt.
