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氨氣

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氨氣,無機化合物,常溫下為氣體,無色有刺激性惡臭的氣味,易溶於水,氨溶於水時,氨分子跟水分子通過*氫鍵結合成一水合氨(NH3·H2O),一水合氨能小部分電離成離子氫氧根離子,所以氨水顯弱鹼性,能使酚酞溶液紅色。氨與酸作用得可到銨鹽,氨氣主要用作致冷劑及制取銨鹽和氮肥

氨氣

  化學式: NH3
  英文名:Ammonia

氨的分子結構

由濃氨水制取氨氣的兩種方法

[1]
  氮原子有5個價電子,其中有3個未成對,當它與氫原子化合時,每個氮原子可以和3個氫原子通過極性共價鍵結合成氨分子,氨分子里的氮原子還有一個孤對電子。
  氨分子的空間結構是三角錐形,三個氫原子處於錐底,氮原子處在錐頂。每兩個N—H鍵之間夾角為107°18』,因此,氨分子屬於極性分子
  結構電子式

物理性質

  相對分子質量 17.031
  氨氣在標準狀況下的密度為0.7081g/L
  氨氣極易溶於水,溶解度1:700
  臨界點:133攝氏度,11.3Atm
  EINECS號: 231-635-3[2]
  無色有刺激性惡臭的氣體;蒸汽壓 506.62kPa(4.7℃);熔點 -77.7℃;沸點-33.5℃;溶解性:極易溶於水,相對密度(水=1)0.82(-79℃);相對密度(空氣=1)0.6;穩定性:穩定;危險標記 6(有毒氣體);主要用途:用作致冷劑及制取銨鹽和氮肥
  
1 名稱
2 化學式 NH3
3 CAS 註冊號 7664-41-7
4 相對分子質量 17.031
5 熔點 195.41K,-77.74℃,-107.93oF
6 沸點,101.325kPa(1atm) 239.72K,-33.43℃,-28.17oF
7 臨界溫度 405.65K,-132.5℃,-270.5oF
8 臨界壓力 11.3mPa,112.78bar,111.3atm,1635.74psia
9 臨界體積 72.47cm3/mol
10 臨界密度 0.235g/cm3
11 臨界壓縮係數 0.242
12 偏心因子 0.252
13 液體刻密度 ,25℃時 0.602g/cm3
14 液體熱膨脹係數 ,25℃時 0.0025 1/℃
15 表面張力 ,25℃時 19.75×10-3 N/m,19.75dyn/cm
16 氣體密度 ,101.325 kPa(atm)和70 oF(21.1℃)時 0.705kg/m3 ,0.0440 lb/ft3
17 氣體相對密度,101.325 kPa(1atm)和70oF時(空氣=1) 0.588
18 汽化熱 , 沸點下 1336.97kj/kg,574.9BTU/1b
19 熔化熱 , 熔點下 332.16kj/kg,142.83BTU/1b
20 氣體定壓比熱容 cp,25℃時 2.112kj/(kg? k),0.505BTU/(1b·R)
21 氣體定容比熱容 cp,25℃時 1.624kj/(kg? k),0.388BTU/(1b·R)
22 氣體比熱容比 , cp/cv 1.301
23 液體比熱容 ,25℃時 4.708kj/(kg?k ),1.125BTU/(1b·R )
24 因體比熱容 ,-103℃時 2.189kj/(kg?k ),0.523BTU/(1b·R )
25 氣體摩爾熵 ,25℃時 192.67j/(mol?k )
26 氣體摩爾生成熵,25℃時 -98.94j/(mol?k )
27 氣體摩爾生成焓 ,25℃時 -45.9kj/mol
28 氣體摩爾吉布斯生成能 ,25℃時 -16.4kj/mol
29 溶解度參數 29.217(j/cm3 )0.5
30 液體摩爾體積 24.993cm3 /mol
31 在水中的溶解度 ,25 ℃時 全溶
32 辛醇 -水分配係數 ,lgKow ---
33 在水中的亨利定律常數 ,25 ℃時 ---
34 氣體黏度 ,25℃時 101.15×10-7Pa ?s,101.15μP
35 液體黏度 ,25℃時 0.135mPa ?s,0.082cp
36 氣體熱導率 ,25℃時 0.02466W/(m ? k)
37 液體熱導率 ,25℃時 0.5024W/(m ? k)
38 空氣中爆炸低限含量 16.1%( φ )
39 空氣中爆炸高限含量 25%( φ )
40 閃點 ---
41 自燃點 651.1℃,1204oF
42 燃燒熱 ,25℃(77oF)氣態時 18603.1kj/kg,7999.3BTU/1b
43 美國政府工業衛生工作者會議 (ACGIH) 閾值濃度 25×10-6(φ )
44 美國職業安全與衛生管理局 (OSHA) 允許濃度值 50×10-6(φ )
45 美國國立職業安全與衛生研究所 (NIOSH) 推薦濃度值 25×10-6(φ )

化學性質

(1)跟水反應

  [1] 氨在水中的反應可表示為:NH3+H2O=NH3·H2O
  一水合氨不穩定受熱分解生成氨和水
  氨水中存在三分子、三離子、三平衡
  分子:NH3.NH3·H2O、H2O;
  離子:NH4+、OH-、H+;
  三平衡:NH3+H2O NH3·H2O NH4++OH-
  H2O H++OH-
  氨水在中學化學實驗中三應用
  ①用蘸有濃氨水的玻璃棒檢驗HCl等氣體的存在
  ②實驗室用它與鋁鹽溶液反應制氫氧化
  ③配製銀氨溶液檢驗有機物分子中醛基的存在。

(2)跟酸反應

  2NH3+H2SO4===(NH4)2SO4
  NH3+HCl===NH4Cl
  3NH3+H3PO4===(NH4)3PO4
  NH3+CO2+H2O===NH4HCO3
  (反應實質是氨分子中氮原子的孤對電子跟溶液里具有空軌道的氫離子通過配位鍵而結合成離子晶體。若在水溶液中反應,離子方程式為:
  8NH3+3Cl2===N2+6NH4Cl
  (黃綠色褪去,產生白煙)
  反應實質:2NH3+3Cl2===N2+6HCl
  NH3+HCl===NH4Cl
  總反應式:8NH3+3Cl2===N2+6NH4Cl

(3)在純氧中燃燒

  4NH3+3O2==點燃==2N2+6H2O

(4)與碳的反應

  NH3+C=加熱=HCN+H2↑(劇毒氰化氫)

(5)液氨的自偶電離

  液氨的自偶電離為:
  2NH3==(可逆)NH2- + NH4+ K=1.9×10^-30(223K)

(6)取代反應

  取代反應的一種形式是氨分子中的氫被其他原子或基團所取代,生成一系列氨的衍生物。另一種形式是氨以它的氨基或亞氨基取代其他化合物中的原子或基團,例如;
  COCl2+4NH3==CO(NH2)2+2NH4Cl
  HgCl2+2NH3==Hg(NH2)Cl+NH4Cl
  這種反應與水解反應相類似,實際上是氨參與的復分解反應,故稱為氨解反應。

(7)與水、二氧化碳

  NH3+H20+CO2==NH4HCO3
  該反應是侯氏制鹼法的第一步,生成的碳酸氫銨與飽和氯化鈉溶液反應生成碳酸氫鈉沉澱,加熱碳酸氫鈉制得純鹼。
  此反應可逆,碳酸氫銨受熱會分解
  NH4HCO3=(加熱)=NH3+CO2+H2O

(8)與氧化物反應

  3CuO+2NH3 ==加熱==3Cu+3H2O+N2
  這是一個氧化還原反應,也是實驗室常用的臨時制取氮氣的方法,採用氨氣與氧化銅供熱,體現了氨氣的還原性。

氨氣的製法

1.工業製法

  工業上氨是以哈伯法通過N2和H2在高溫高壓催化劑存在下直接化合而製成:
  工業上制氨氣
  高溫高壓
  N2+3H2==高溫高壓催化劑===2NH3(可逆反應)
  催化劑
  △rHθ =-92.4kJ/mol

2. 實驗室製備

氨氣
  [1]實驗室,氨常用銨鹽與鹼作用或利用氮化物易水解的特性製備:

實驗室制氨氣的裝置圖

2NH4Cl(固態) + Ca(OH)2(固態)===2NH3↑+ CaCl2 + 2H2O
  Li3N + 3H2O === 3LiOH + NH3↑
  實驗室快速制得氨氣的方法
  用濃氨水加固體NaOH(或加熱濃氨水
  注意點:
  (1)不能用NH4NO3跟Ca(OH)2反應制氨氣
  
 硝酸銨受撞擊、加熱易爆炸,且產物與溫度有關,可能產生NH3.N2.N2O、NO
  (2)不能用NH4Cl加熱分解制氨氣
  NH4Cl加熱分解生成HCl氣體和NH3氣體,但冷卻后可以自由結合重新生成NH4Cl,故無法進行分離收集,所以即使分解可產生氨氣,也不可以用NH4Cl加熱分解制取氨氣。
  (3)實驗室制NH3不能用NaOH、KOH代替Ca(OH)2
  
 因為NaOH、KOH是強鹼,具有吸濕性(潮解)易結塊,不易與銨鹽混合充分接觸反應。又KOH、NaOH具有強腐蝕性在加熱情況下,對玻璃儀器有腐蝕作用,所以不用NaOH、KOH代替Ca(OH)2制NH3。
  (4)用試管收集氨氣要堵棉花
  
 因為NH3分子微粒直徑小,易與空氣發生對流,堵棉花目的是防止NH3與空氣對流,確保收集純凈。
  (5)乾燥氨氣 乾燥氨氣應採用鹼石灰氫氧化鈉(NaOH)、氧化鈣(CaO)混合物)。不能用硫酸,因為濃H2SO4(強氧化性)與NH3反應生成(NH4)2SO4 ; 不能用氯化鈣,NH3與CaCl2反應能生成CaCl2·8NH3(八氨合氯化鈣)
  CaCl2+8NH3==CaCl2·8NH3
  類似的還有乙醇,也不能用氯化鈣。

銨鹽

  銨鹽是氨與酸作用得到銨鹽,銨鹽是由銨根離子(NH4+)和酸根離子組成的化合物。一般為無色晶體,易溶於水,是強電解質。從結構來看,NH4+離子和Na+離子是等電子體。NH4+離子的半徑比Na+離子的大,而且接近於K+離子,一般銨鹽的性質也類似於鉀鹽,如溶解度,一般易溶,易成礬。銨鹽和鉀鹽是同晶型等,在化合物分類中常把銨鹽和鹼金屬鹽歸為一類。

1.水解

  因為氨是弱鹼,銨鹽是弱鹼強酸鹽或弱鹼弱酸鹽,前者水解后溶液顯酸性:
  NH4++H2O== NH3·H2O+H+

2.受熱分解

  所有的銨鹽加熱后都能分解,其分解產物與對應的酸以及加熱的溫度有關。分解產物一般為氨和相應的酸。如果酸具有氧化性,則在加熱條件下,氧化性酸和產物氨將進一步反應,使NH3氧化為N2或其氧化物:
  碳酸氫銨最易分解,分解溫度為30℃:
  氯化銨受熱分解成氨氣和氯化氫。這兩種氣體在冷處相遇又可化合成氯化銨。這不是氯化銨的升華,而是它在不同條件下的兩種化學反應:
  硝酸銨受熱分解的產物隨溫度的不同而不同。加熱溫度較低時,分解生成硝酸和氨氣:
  溫度再高時,產物又有不同;在更高的溫度或撞擊時還會因分解產物都呈氣體而爆炸。
  硫酸銨要在較高的溫度才分解成NH3和相應的硫酸。強熱時,還伴隨有氨被硫酸氧化的副反應,所以產物就比較複雜。

3.跟鹼反應放出氨氣

  實驗室里就是利用此反應來制取氨,同時也利用這個性質來檢驗銨離子的存在。銨鹽在工農業生產上有重要用途,大量的銨鹽用作氮肥,如NH4HCO3.(NH4)2SO4.NH4NO3等。NH4NO3還是某些炸藥的成分,NH4Cl用於製備乾電池和染料工業,它也用於金屬的焊接上,以除去金屬表面的氧化物薄層。

人工固氮和天然固氮

1.人工固氮

  工業上通常用H2和N2 在催化劑、高溫、高壓下合成氨
  最近,兩位希臘化學家,位於Thessaloniki的阿里斯多德大學的George Marnellos和MichaelStoukides發明了一種合成氨的新方法(Science,2Oct.1998,P98)。在常壓下,令氫與用氦稀釋的氮分別通入一加熱到570℃的以鍶-鈰-釔-鈣鈦礦多孔陶瓷(SCY)為固體電解質的電解池中,用覆蓋在固體電解質內外表面的多孔鈀多晶薄膜的催化,轉化為氨,轉化率達到78%;對比:幾近一個世紀的哈伯法合成氨工藝通常轉化率為10至15%!他們用在線氣相色譜檢測進出電解池的氣體,用HCl吸收氨引起的pH變化估算氨的產率,證實提高氮的分壓對提高轉化率無效;升高電流和溫度雖提高質子在SCY中的傳遞速度卻因SCY導電率受溫度限制,升溫反而加速氨的分解。

2.天然固氮

  ①大氣固氮
  
 閃電能使空氣里的氮氣轉化為一氧化氮,一次閃電能生成80~1500kg的一氧化氮。這也是一種自然固氮。自然固氮遠遠滿足不了農業生產的需求。
  ②生物固氮
  
 豆科植物中寄生有根瘤菌,它含有氮酶,能使空氣里的氮氣轉化為氨,再進一步轉化為氮的化合物。固氮酶的作用可以簡述如下:
  除豆科植物的根瘤菌外,還有牧草和其他禾科作物根部的固氮螺旋桿菌、一些原核低等植物——固氮藍藻、自生固氮菌體內都含有固氮酶,這些酶有固氮作用。這一類屬自然固氮的生物固氮。

注意事項

  氨對接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用,可以吸收皮膚組織中的水分,使組織蛋白變性,並使組織脂肪皂化,破壞細胞膜結構。氨的溶解度極高,所以主要對動物或人體的呼吸道有刺激和腐蝕作用,常被吸附皮膚粘膜眼結膜上,從而產生刺激和炎症。可麻痹呼吸道纖毛和損害粘膜上皮組織,使病原微生物易於侵入,減弱人體對疾病抵抗力。氨通常以氣體形式吸入人體,氨被吸入肺后容易通過肺泡進入血液,與血紅蛋白結合,破壞運氧功能。進入肺泡內的氨,少部分為二氧化碳所中和,餘下被吸收至血液,少量的氨可隨汗液尿液或呼吸排出體外。

氨氣泄露

短期內吸入大量氨氣后可出現流淚咽痛聲音嘶啞咳嗽、痰帶血絲、胸悶呼吸困難,可伴有頭暈頭痛噁心嘔吐乏力等,嚴重者可發生肺水腫成人呼吸窘迫綜合症,同時可能發生呼吸道刺激癥狀。若吸入的氨氣過多,導致血液中氨濃度過高,就會通過三叉神經末梢的反射作用而引起心髒的停搏和呼吸停止,危及生命。
  長期接觸氨氣,部分人可能會出現皮膚色素沉積或手指潰瘍等癥狀。
  室內空氣中氨氣主要來自建築施工中使用的混泥土添加劑。添加劑中含有大量氨內物質,在牆體中隨著溫度、濕度等環境因素的變化而還原成氨氣釋放出來。

NH3系列常用方程式

  NH4+ + H2O ═ NH3*H2O + H+
  2NH4+ + SiO32- + H2O ═ H4SiO4↓ + 2NH3↑
  NH4+ + AlO2- + H2O == Al(OH)3↓ + NH3↑(一水合氨雖是鹼,但不能與氫氧化鋁反應
  NH4+ + HCO3- + 2OH- == CO32- + H2O + NH3*H2O(向NH4HCO3溶液中加入足量NaOH溶液)
  NH3 + H2O== NH3*H2O
  NH3*H2O== NH4+ + OH-
  NH3*H2O + Ag+ == AgOH↓+ NH4+ 2AgOH == Ag2O + H2O (AgNO3溶液中加入少量氨水)
  2NH3*H2O + Ag+ == [Ag(NH3)2]+ + H2O (足量氨水):
  2NH3*H2O + Cu2+ == Cu(OH)2↓+ 2NH4+ (向CuSO4溶液中加入少量氨水):
  4NH3*H2O + Cu2+ == [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O (足量氨水):
  2NH3*H2O + Zn2+ == Zn(OH)2↓+ 2NH4+ (向ZnCl2溶液中加入少量氨水)
  4NH3*H2O + Zn2+ == [Zn(NH3)4]2+ + 4H2O ( 足量氨水):
  3NH3*H2O + Al3+ == Al(OH)3↓+ 3NH4+H2↑
  注:在魯教版,偏鋁酸根離子(AlO2-)寫作四羥基合鋁酸離子[Al(OH)4-]

氨氣的噴泉實驗

  在常溫,常壓下,一體積的水中能溶解700體積的氨。
  在乾燥的圓底燒瓶里充滿氨氣,用帶有玻璃管和滴管(滴管里預先吸入水)的塞子塞緊瓶口。立即倒置燒瓶,使玻璃管插入盛水的燒杯里(水裡事先加入少量的酚酞試液),把實驗裝置裝好后。打開橡皮管的夾子,擠壓滴管的膠頭,使少量的水進入燒瓶。觀察現象
  實驗的基本原理是使燒瓶內外在短時間內產生較大的壓強差,利用大氣壓將燒瓶下面燒杯中的液體壓入燒瓶內,在尖嘴導管口形成噴泉。

氨氣檢驗

方法一:

  用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗,試紙變藍證明有氨氣。

方法二:

  用玻璃棒蘸濃鹽酸或者濃硝酸靠近,產生白霧,證明有氨氣。

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