Amoniak

Amoniak (systematický název azan, triviální název čpavek, vzorec NH₃) je bezbarvý, velmi štiplavý plyn. Je to toxická, nebezpečná látka zásadité povahy, lehčí než vzduch. Při vdechování poškozuje sliznici. Běžně se vyskytuje na Zemi i vnějších planetách sluneční soustavy. Je běžným odpadním produktem metabolismu živočichů.

Amoniak
Model molekuly amoniaku
Obecné
Systematický název	azan
Triviální název	čpavek
Ostatní názvy	amoniak
Latinský název	Ammoniacum
Anglický název	Ammonia
Německý název	Ammoniak
Sumární vzorec	NH3
Vzhled	bezbarvý plyn
Identifikace
Registrační číslo CAS	7664-41-7
EC-no (EINECS/ELINCS/NLP)	231-635-3
Indexové číslo	007-001-00-5
PubChem	222
Číslo RTECS	BO0875000
Vlastnosti
Molární hmotnost	17,031 g/mol
Teplota tání	−77,73 °C / 196,15 K
Teplota varu	−33,34 °C / 240,15 K
Hustota	0,86 kg/m3 (101,3 kPa při bodu varu) 0,73 kg/m3 (101,3 kPa, 15 °C) 681,9 kg/m3 (−33,3 °C, kapalina) 820 kg/m3 (−80 °C, krystaly) 817 kg/m3 (−80 °C, průhledná pevná látka)
Disociační konstanta pKa	32.5 (−33 °C), 9.24 (amoniového kationtu)
Disociační konstanta pKb	4,75
Rozpustnost ve vodě	89,5 g/100 g (0 °C) 72 g/100 g (20 °C) 58,7 g/100 g (50 °C)
Struktura
Tvar molekuly	trojúhelníková pyramida
Dipólový moment	1,42 D
Bezpečnost
GHS05 GHS06 GHS09 Nebezpečí
H-věty	H221 H331 H314 H400
R-věty	R10 R23 R34 R50
S-věty	(S1/2) S9 S16 S26 S36/37/39 S45 S61
NFPA 704	1 3 0
Teplota vznícení	651 °C
Meze výbušnosti	15 až 28 %
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

Světová průmyslová produkce v roce 2018 činila 175 milionů tun. Amoniak se využívá především pro výrobu dusíkatých hnojiv (asi 80 %), čistidel nebo trhavin, jako chladivo a pro další účely. Vyrábí se převážně vysokotlakou syntézou plynného vodíku a dusíku (tzv. Haberův–Boschův proces).

Etymologie

Slovo amoniak pochází od boha Amona (salmiak jako „sůl Amonova“). Označení čpavek pochází od slova čpět (zapáchat).

Příprava a výroba

Nejdelší světový amoniakovod, vedoucí z ruské továrny TogliattiAzot do Oděsy na Ukrajině

Amoniak vzniká reakcí amonných solí se silnými hydroxidy, např. působením hydroxidu sodného na chlorid amonný:

NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O

případně tepelným rozkladem uhličitanu amonného:

(NH₄)₂CO₃ → 2 NH₃ + CO₂ + H₂O

nebo působením hydroxidu vápenatého na vodný roztok močoviny:

(NH₂)₂CO + Ca(OH)₂ → 2 NH₃ + CaCO₃

Průmyslově se vyrábí katalytickým slučováním dusíku a vodíku (jako katalyzátor se používá houbové železo) za vysokého tlaku (20 až 100 MPa) a vysoké teploty (nad 500 °C) – tato metoda se nazývá Haberova–Boschova syntéza amoniaku:

$\mathrm {3\,H_{2}+N_{2}\ {\xrightarrow[{t>500^{\circ }C}]{Fe}}\ 2\,NH_{3}.}$

Přestože je tato reakce exotermní, probíhá bez přítomnosti katalyzátorů velmi pomalu.

Vlastnosti

Amoniak se velmi dobře rozpouští ve vodě, a to při 0 °C 1 148 cm³ ve 100 ml vody, za vzniku zásaditého roztoku, který se nazývá čpavek.

Výsledný roztok je zásaditý a nazývá se také „hydroxid amonný“. Tohle označení je však poněkud nesprávné, jelikož molekula „NH₄OH“ neexistuje. Neexistence molekuly „NH₄OH“ je v souladu s faktem, že amoniak je Brønstedova, nikoli Arrheniova zásada. Zásaditý charakter amoniaku je tudíž podmíněn jeho schopností vázat proton vodíku H⁺, a ne tvorbou hydroxidových iontů OH⁻ v průběhu reakce NH₃ + H₂O → NH +
4  + OH⁻ (dle této reakce reagují pouze 4 z 1 000 molekul amoniaku). Správné označení vodního roztoku amoniaku je tudíž NH₃(aq) nebo NH₃ • H₂O.

Poznámka: V organické chemii se pro amoniak užívá systematický název azan a stejně tak pro jeho derivát hydrazin NH₂–NH₂ název diazan.

S kyselinami reaguje za vzniku amonných solí, např. s kyselinou sírovou vytváří síran amonný:

2 NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Amonné soli silných kyselin (např. kyseliny sírové) reagují v roztoku slabě kysele, protože amoniak je jen slabou zásadou.

Výskyt v přírodě

Amoniak vzniká mikrobiálním rozkladem organických zbytků, exkrementů a moči živočichů, přičemž se většinou váže ve formě amonných solí. Někteří živočichové, například ryby, vylučují většinu odpadního dusíku ve formě amoniaku. Ten je proto ve stopovém množství obsažen i v zemské atmosféře. Ve formě chloridu amonného se vyskytuje jako minerál salmiak zejména v okolí solfatar a dalších vulkanických jevů.

Ve velkém množství je obsažen v atmosférách velkých planet Sluneční soustavy (Jupiteru, Saturnu, Uranu a Neptunu) a také v atmosféře Saturnova měsíce Titanu. Nalezen byl i v kometách. Je také jednou z molekul, nacházejících se v mezihvězdném prostoru.

Použití

Hnojiva

Přibližně 83 % (v roce 2003) amoniaku se používá pro hnojiva, ať už ve formě solí nebo roztoků. Výroba amoniaku spotřebovává více než 1 % energie vyráběné lidstvem – je tak velmi významnou složkou světové spotřeby energie.

Čištění

Amoniak ve formě roztoku (hydroxid amonný, lidově čpavková voda 25%, NH₃ • H₂O nebo také nesprávně NH₄OH, čirá až nažloutlá kapalina) se často používá jako složka čisticích prostředků pro různé účely. Protože umožňuje dosáhnout lesku beze šmouh, často se využívá pro čištění skla, porcelánu a nerezavějící oceli. Nachází uplatnění také v čističích pro trouby, grily apod., kdy odstraňuje napečené nečistoty. Koncentrace amoniaku v těchto roztocích se pohybuje okolo 5–10 %.

Čpavková voda se také používá na oxidaci povrchu nových zinkových povrchů plechů a okapů – na čerstvém povrchu totiž barva neulpívá rovnoměrně, ale vytváří fleky. Tímto postupem „zestaříme“ čerstvý zinek, takže posléze na něm již barva bude držet normálně, a povrch bude dobře očištěný: 2–3% roztokem čpavkové vody (25% čpavkovou vodu zředíme s vodou v poměru 1 díl čpavkové vody a 10 dílů vody, můžeme přidat i saponát, zhruba 5 ml / litr) omýt plochu, kterou chceme natírat, nechat přibližně 10 minut působit, až vytvoří kovově zašedlý povrch, který následně opláchneme čistou vodou. Po vyschnutí můžeme začít natírat barvou. Roztok je toxický, stejně jako oplachová voda, likvidovat dle návodu výrobce. K zakoupení v drogériích.

Prekurzor pro výrobu dusíkatých sloučenin

Amoniak je přímým nebo nepřímým prekurzorem většiny dusíkatých sloučenin. Prakticky všechny syntetické a všechny anorganické sloučeniny dusíku lze připravit z amoniaku. Důležitým produktem je například kyselina dusičná. Vyrábí se Ostwaldovým procesem – vzdušnou oxidací amoniaku na katalyzátoru při teplotě 700–850 °C a tlaku 900 kPa. Meziproduktem je oxid dusnatý:

NH₃ + 2 O₂ → HNO₃ + H₂O

Kyselina dusičná se používá pro výrobu hnojiv, výbušnin a různých organických sloučenin dusíku.

Chladivo (R717)

Termodynamické vlastnosti amoniaku ho učinily jedním z chladiv běžně používaných před objevem dichlordifluormethanů známých jako freony. Použití však komplikuje toxicita amoniaku. Bezvodý amoniak se nicméně široce používá v průmyslových chladicích systémech (např. na zimních stadionech), díky vysoké účinnosti a nízké ceně. V kompresorových spotřebitelských výrobcích (např. chladničkách) se vzhledem ke zmíněné toxicitě používá méně často, uplatnění však nachází v absorpčních chladničkách.

Eliminace plynných emisí

Amoniak lze použít k odstraňování oxidu siřičitého vzniklého spalováním fosilních paliv. Výsledný produkt se převádí na síran amonný používaný jako hnojivo. Amoniak také neutralizuje oxidy dusíku (NO_x) produkované vznětovými motory. Tato technologie, nazývaná SCR (selective catalytic reduction, selektivní katalytická redukce), je založena na použití vanadového katalyzátoru.

Palivo

Během 2. světové války se amoniak používal v Belgii jako palivo pro autobusy. Před rokem 1900 se využíval do motorů a pro zařízení založená na sluneční energii. Kapalný amoniak se používal jako raketové palivo (letoun X-15). Přestože nemá tak vysokou výhřevnost jako jiná paliva, nezanechává v motorech saze a jeho hustota je přibližně stejná jako u kyslíku použitého jako oxidant, což zjednodušuje konstrukci zařízení. Rovnice hoření je následující: 4 NH₃ + 7 O₂ → 4 NO₂ + 6 H₂O

Nově byl amoniak navržen jako alternativa k fosilním palivům pro využití ve spalovacích motorech. Spalné teplo amoniaku je 22,5 MJ/kg, což je přibližně polovina oproti naftě. V běžných motorech, kde vodní pára nekondenzuje, je potřeba počítat s výhřevností amoniaku na úrovni o 21 % menší, než činí spalné teplo. Amoniak lze využít v existujících motorech jen s menšími úpravami karburátorů nebo vstřikování.

Pro naplnění poptávky po zvýšeném množství amoniaku by bylo potřeba zvýšit výrobu. Přestože jde (podle vyrobeného množství) o druhou chemikálii v pořadí, objem výroby tvoří jen malý zlomek využívaného množství ropy. Lze ho vyrábět pomocí obnovitelných zdrojů, ale také pomocí energie z uhlí nebo jádra. Účinnost je však nižší než u akumulátorových baterií. Vodní elektrárna v Rjukanu (Telemark, Norsko) o výkonu 60 MW dodávala proud pro výrobu amoniaku elektrolýzou vody – od roku 1913 sloužila výrobě hnojiv pro většinu Evropy. Při výrobě energie z uhlí lze CO₂ snadno ukládat (produkty vlastního spalování jsou dusík a voda). V roce 1981 jedna kanadská firma upravila automobil Chevrolet Impala pro provoz na amoniak jako palivo.

„Čpavkový motor“

Tramvaj poháněná čpavkovým motorem

Pro pohon lokomotiv byly zkonstruovány speciální motory. Jedním z nich byl i tzv. čpavkový motor, uvedený v roce 1886. Pracoval na principu uvolňování amoniaku z vodného roztoku při zahřátí – plynný amoniak poháněl pístový stroj a byl následně pohlcován zpět ve vodě, čímž se uvolňovalo teplo. Takto to fungovalo do vyrovnání tlaků. Praktické nasazení ztroskotalo kvůli silnému zápachu amoniaku.

Antimikrobiální činidlo v potravinářských výrobcích

Již v roce 1895 bylo známo, že amoniak je „silné antiseptikum … ke konzervaci masového extraktu postačuje 1,4 g na litr“. Bezvodý amoniak se ukázal jako účinné antimikrobiální činidlo pro krmiva a dnes se komerčně používá k redukci nebo eliminaci mikrobiální kontaminace masa. V říjnu 2009 oznámil The New York Times, že americká firma Beef Products Inc., která zpracovává hovězí masový separát (obsahující 50–70 % tuku) na sedm milionů liber libového jemně tvarovaného masa týdně odstraňováním tuku (zahříváním a centrifugací), následně dezinfikuje výsledný produkt amoniakem. Proces byl americkým ministerstvem zemědělství kvalifikován jako účinný a bezpečný, a to na základě studie (financované Beef Products), která prokázala, že takové ošetření snižuje výskyt E. coli na nedetekovatelné úrovně. Další pátrání novinářů v prosinci 2009 odhalilo obavy o bezpečnost procesu, stejně jako stížnosti spotřebitelů na chuť a pach masa ošetřeného optimálními úrovněmi amoniaku. Vedlejším účinkem amoniaku je to, že jím zpracované maso si udržuje růžovou, zdánlivě zdravě vypadající barvu, i když je ve skutečnosti zkažené.

Sportovní stimulant

Amoniak nachází uplatnění v různých sportech, zvláště v silových disciplínách (např. vzpírání nebo silový trojboj), jako respirační stimulant.

Textil

Kapalný amoniak se používá k ošetření materiálů z bavlny, s cílem získat stejné vlastnosti jako při merceraci. Specifickou oblastí je také předsrážení vlny.

Plyn pro balony

Při běžné teplotě a tlaku je amoniak lehčí než vzduch, nadnáší zhruba na úrovni 60 % vodíku nebo helia. Proto se někdy používá k plnění meteorologických balonů. Díky relativně vysoké teplotě varu (v porovnání s heliem a vodíkem) lze amoniak případně ochladit a zkapalnit přímo na vzdušném prostředku a snížit tak vztlak, resp. naopak přeměnit zpět na plyn ke zvýšení vztlaku.

Zpracování dřeva

Amoniak se historicky používal ke ztmavování dřeva z bílého dubu pro výrobu nábytku. Plynný amoniak reaguje s přírodními taniny ve dřevě a způsobuje změnu barvy.

Biochemické vlastnosti

Toxicita roztoků amoniaku obvykle nepůsobí problémy člověku a jiným savcům, protože mají specifický mechanismus, který je schopen amoniak eliminovat. Eliminace spočívá v konverzi na karbamoylfosfát (pomocí enzymu karbamoylfosfátsyntázy), ten následně vstupuje do močovinového cyklu a je přeměněn na aminokyseliny nebo vyloučen močí. Ryby a obojživelníci však tento mechanismus postrádají, mohou obvykle amoniak pouze přímo vylučovat.^[zdroj?] I v nízkých koncentracích je tedy amoniak velmi toxický pro vodní živočichy, proto je Směrnicí Rady 67/548/EHS klasifikován jako nebezpečný pro životní prostředí.

Bezpečnost

Tlaková láhev s amoniakem

Americký úřad OSHA stanovil patnáctiminutový expoziční limit pro plynný amoniak na 35 ppm (objemově) a osmihodinový limit na 25 ppm. Agentura National Institute for Occupational Safety and Health snížila na základě nedávné konzervativnější interpretace původního výzkumu z roku 1943 koncentraci IDLH (bezprostředně nebezpečnou pro život a zdraví) z 500 na 300 ppm. Jedná se o koncentraci, kterou může být zdravý pracovník vystaven po 30 minut, aniž by utrpěl nevratné škody na zdraví.

Jiné organizace či státy mají různé limity expozic. V Česku platí limity PEL 14 mg·m⁻³ a NPK–P 36 mg·m⁻³, při emisích do ovzduší nad 10 000 kg ročně platí povinnost hlášení do Integrovaného registru znečišťování.

Ve městech je hlavním zdrojem znečištění amoniakem doprava.

Historicky se vdechování čpavku používalo při mdlobě namísto jednoduchého položení na zem

Amoniak má ostrý, dráždivý, štiplavý zápach, který varuje před potenciálně nebezpečnou expozicí. Průměrných práh vnímání je 5 ppm, dostatečně nižší než jsou nebezpečné nebo škodlivé koncentrace. Expozice velmi vysokým koncentracím může vést k poškození plic a k smrti. Amonné sloučeniny by neměly přijít do kontaktu se zásadami (pokud to není cílem), protože se mohou uvolnit nebezpečné dávky amoniaku.

Vodný roztok amoniaku se sice dá běžně koupit, ale i tento roztok je silně žíravý a toxický. Při práci s ním je nutné používat ochranné pomůcky a pracoviště účinně větrat. Při styku s kůží je nutné omývat postižené místo vodou a případně (podle rozsahu zranění) je nutné kontaktovat lékaře.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Ammonia na anglické Wikipedii.

Literatura

• Z. Ibler a kol.: Technický průvodce energetika, BEN - technická literatura, 2002, ISBN 80-7300-026-1

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu amoniak na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo amoniak ve Wikislovníku
• Ammonia (NH3) Properties
• Gas Encyclopaedia: Ammonia Archivováno 16. 12. 2006 na Wayback Machine.

Autoritní data	NKC: ph502999 PSH: 5866 BNF: cb12532810x (data) GND: 4001735-7 LCCN: sh85004538 NDL: 00560264 NLI: 987007293895805171

Portály: Chemie