Способы получения аммиака с реакциями

Производство аммиака

Тема кодификатора ЕГЭ по химии: Общие научные принципы химического производства на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола.

В этой статье мы рассмотрим принципы химического производства на примере получения аммиака в объеме, достаточном для решения заданий по этой теме в ЕГЭ по химии.

В промышленности аммиак получают по методу Габера – прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

Реакция азота с водородом обратимая, экзотермическая, гомогенная (газофазная). Для увеличения выхода аммиака необходимо смещать равновесие в сторону продукта. Согласно принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия вправо в данной реакции необходимо повышать давление и понижать температуру. Однако низкая температура уменьшит скорость реакции.

Поэтому для повышения скорости реакции температура в процессе поддерживается все-таки высокой, 500-550 о С и в присутствии катализатора.

А для смещения равновесия применяют очень высокие давления 15-30 МПа.

В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Рассмотрим процессы, протекающие на разных участках производства аммиака:

1 этап. Трубопровод. В трубопровод подается предварительно подготовленная азотно-водородная смесь (N₂:Н₂=1:3) в соотношении 1 к 3.

2 этап. Турбокомпрессор. Турбокомпрессор используется для сжатия исходной смеси газов с целью повышения давления. Синтез аммиака проводится при очень высоком давлении (15-30 МПа, или 150-300 атм).

3 этап. Колонна синтеза. В колонне синтеза (контактном аппарате) производится синтез аммиака. Азотно-водородная смесь продавливается через полки с катализатором. Процесс синтеза протекает обратимо (т.е. частично) и является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей азотоводородной смеси с помощью теплообменников. Смесь, выходящая из колонны синтеза в холодильник, состоит из аммиака (20-30%) и не прорегировавших азота и водорода.

4 этап. Холодильник. В холодильнике реакционная смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на дальнейшее разделение в сепаратор.

5 этап. Сепаратор. После прохождения холодильника температура реакционной смеси значительно снижается, и аммиак переходит в жидкую фазу. В сепараторе происходит разделение реакционной смеси, жидкий аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.

6 этап. Циркуляционный насос. Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаѐтся довести использование азотводородной смеси (конверсию) до 95%.

Источник

Аммиак: получение и свойства

Аммиак

Строение молекулы и физические свойства

В молекуле аммиака NH₃ атом азота соединен тремя одинарными ковалентными полярными связями с атомами водорода:

Геометрическая форма молекулы аммиака — правильная треугольная пирамида. Валентный угол H-N-H составляет 107,3 о :

У атома азота в аммиаке на внешнем энергетическом уровне остается одна неподеленная электронная пара. Эта электронная пара оказывает значительное влиение на свойства аммиака, а также на его структуру. Электронная структура аммиака — тетраэдр , с атомом азота в центре:

Аммиак – бесцветный газ с резким характерным запахом. Ядовит. Весит меньше воздуха. Связь N-H — сильно полярная, поэтому между молекулами аммиака в жидкой фазе возникают водородные связи. При этом аммиак очень хорошо растворим в воде, т.к. молекулы аммиака образуют водородные связи с молекулами воды.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Химические свойства аммиака

1. В водном растворе аммиак проявляет основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион аммония. Реакция может протекать и в водном растворе, и в газовой фазе:

Таким образом, среда водного раствора аммиака – щелочная. Однако аммиак – слабое основание . При 20 градусах один объем воды поглощает до 700 объемов аммиака.

Видеоопыт растворения аммиака в воде можно посмотреть здесь.

2. Как основание, аммиак взаимодействует с кислотами в растворе и в газовой фазе с образованием солей аммония.

Например , аммиак реагирует с серной кислотой с образованием либо кислой соли – гидросульфата аммония (при избытке кислоты), либо средней соли – сульфата аммония (при избытке аммиака):

Еще один пример : аммиак взаимодействует с водным раствором углекислого газа с образованием карбонатов или гидрокарбонатов аммония:

Видеоопыт взаимодействия аммиака с концентрированными кислотами – азотной, серной и и соляной можно посмотреть здесь.

В газовой фазе аммиак реагирует с летучим хлороводородом. При этом образуется густой белый дым – это выделяется хлорид аммония.

NH₃ + HCl → NH₄Cl

Видеоопыт взаимодействия аммиака с хлороводородом в газовой фазе (дым без огня) можно посмотреть здесь.

3. В качестве основания, водный раствор аммиака реагирует с растворами солей тяжелых металлов , образуя нерастворимые гидроксиды.

Например , водный раствор аммиака реагирует с сульфатом железа (II) с образованием сульфата аммония и гидроксида железа (II):

4. Соли и гидроксиды меди, никеля, серебра растворяются в избытке аммиака, образуя комплексные соединения – аминокомплексы.

Например , хлорид меди (II) реагирует с избытком аммиака с образованием хлорида тетрамминомеди (II):

Гидроксид меди (II) растворяется в избытке аммиака:

5. Аммиак горит на воздухе , образуя азот и воду:

Если реакцию проводить в присутствии катализатора (Pt), то азот окисляется до NO:

6. За счет атомов водорода в степени окисления +1 аммиак может выступать в роли окислителя , например в реакциях с щелочными, щелочноземельными металлами, магнием и алюминием . С металлами реагирует только жидкий аммиак.

Например , жидкий аммиак реагирует с натрием с образованием амида натрия:

Также возможно образование Na₂NH, Na₃N.

При взаимодействии аммиака с алюминием образуется нитрид алюминия:

2NH₃ + 2Al → 2AlN + 3H₂

7. За счет азота в степени окисления -3 аммиак проявляет восстановительные свойства. Может взаимодействовать с сильными окислителями — хлором, бромом, пероксидом водорода, пероксидами и оксидами некоторых металлов. При этом азот окисляется, как правило, до простого вещества.

Например , аммиак окисляется хлором до молекулярного азота:

Пероксид водорода также окисляет аммиак до азота:

Оксиды металлов , которые в электрохимическом ряду напряжений металлов расположены справа — сильные окислители. Поэтому они также окисляют аммиак до азота.

Например , оксид меди (II) окисляет аммиак:

2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O

Источник

Способы получения аммиака в промышленности и лаборатории

Получение аммиака происходит различными методами. Этот процесс осуществляется как в лаборатории, так и на промышленном производстве. Легковесный газ с резким запахом состоит из азота и водорода. Чаще всего он используется для изготовления удобрений, полимеров и некоторых кислот.

История получения

Аммиак известен с давних времен. По сведениям ученых, свое название он получил в честь бога Амона, которого почитали в Древнем Египте. Образовывался газ в результате разложения мочевины в жарком климате. Резкий запах соединения египтяне связывали с культом божества.

В чистой форме аммиак H2+N2=NH3+Q получил известный ученый Джозеф Луи Пристли. В своей лаборатории он нагревал хлорид аммония с гашеной известью. Такая схема до сих пор используется, если нужно получить на выходе небольшое количество газа. Полученный аммиак Пристли собирал надо ртутью. Раствор в водной основе имеет признаки щелочи.

В 1784 году французский химик Бертолле разложил аммиак на элементный состав. Спустя 3 года было утверждено официальное название «нашатырь». Оно сохраняется до сих пор в ряде западноевропейских языков.

Промышленный метод

Получение аммиака в промышленности происходит на основе азота, который соединяют с водородом. Последний берут из воды, азот набирают в воздухе. Метод разработал Фриц Габер. Сейчас процесс получения аммиака в производстве носит имя этого ученого.

Реакция 3H2+N2=2NH3+Q происходит при понижении объема и выходе тепла. Поскольку она обратима, то необходимо соблюдать некоторые условия. Высокое давление и небольшие температуры способствуют повышению объема полученного аммиака, при этом происходит замедление процессов. Благодаря сохранившимся описаниям первых опытов удалось обеспечить необходимые параметры для создания реакций:

1. Температура должна достичь 500 °C.
2. Давление — 350 атмосфер.
3. В качестве катализатора выступает оксид железа (магнетит). К нему добавляют части оксида серебра, кальция и других веществ.

Газ, который удалось сделать в таких условиях, имеет 30% аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество требуется охладить, тогда оно превратится в жидкость. В то же время не до конца израсходованные газы будут возвращены в синтез. Тогда можно собрать аммиак в большом количестве с возможностью максимального использования полученного сырья.

Лабораторный способ

Лабораторный способ получения вещества обеспечивается благодаря действию щелочи на твердые соли аммония. Для этого используют формулу 2NH4Cl+CaOH2=2NH3+2H2O+c=CaCl2. Собирание проводят в перевернутую пробирку из-за воздуха, так как он легче по плотности. Распознавание происходит следующими методами:

• по запаху;
• лакмусовая бумажка окрасится в синий цвет;
• от поднесенной стеклянной палочки, смоченной в HCl, будет идти дым белого цвета.

Полностью осушить газ можно смесью извести и едкого натрия. Через нее пропустят получившуюся реакцию. С аналогичной целью жидкий аммиак перемешивается с металлическим натрием, после чего подвергается дистилляции. Благодаря этому будет легче распознать газ.

Химические свойства

Газ представляет собой довольно реакционное вещество. В таком виде NH3 окисляется. Продукт окисления будет зависеть как от силы окислителя, так и от условий проведения реакции. Например, 8NH3+3Cl2=N2+6NH4Cl или 2NH3+2Na=2NaNH2+H2.

Водный раствор обычно называют нашатырным спиртом. При этом его не относят к соответствующей группе, так как это неорганическое соединение. У химиков такой продукт называют гидроксидом аммония.

Также NH3 относится к лигандам в комплексных соединениях. Его молекулы образовывают донорные связи как с водородом, так и с частью переходных металлов в виде меди или кобальта. Это приведет к появлению растворимых химикатов. Они применяются в качестве реактивов для качественного анализа.

NH3 можно получить различными методами, которые описываются соответствующими уравнениями. В промышленных масштабах газ получают смешиванием азота и водорода. Благодаря своим свойствам его можно применять как на производстве, так и в лабораториях и рабочих условиях.

Источник