Свойства аммиака и его воздействие на окружающую среду

Свойства аммиака

История открытия и изучения аммиака

Еще задолго до открытия аммиака хлорид аммония (sal ammoniac) (NH4C1) и летучая соль (sal volatile) ((NH4)2C03) были хорошо известными соединениями. Данные соединения имели большое количество синонимов, которые подчеркивали тот факт, что их получают с использованием отходов животных (например, mercurius animalis, spiritus salus urinae и др.). Уже в 1700 г. было известно, что летучая составляющая этих соединений может быть получена при добавлении к ним негашеной извести. Основной задачей в ту эпоху было определить природу хлорида аммония, который можно было использовать в различных процессах (например, для лужения металлов). Однако источник хлорида аммония держался в секрете венецианцами и другими торговцами в коммерческих целях [136].

Неопределенность, связанная с получением данного соединения, привела к серьезным дебатам ученых Французской королевской академии в первой половине XVIII в., а уже в конце XVIII в., в период прогресса науки, аммиак был выделен как газ. Достаточно сложно определить, кто из химиков впервые выделил аммиак, так как в действительности он был получен в несколько стадий различными учеными. Так, существует версия, что его выявил Дж. Блэк, известный благодаря открытию оксида углерода («неподвижного воздуха»). Он продемонстрировал освобождение летучих щелочей при воздействии белой магнезии (окиси магния) на соль аммония. В своих тезисах Блэк показал, как получить карбонат аммония, который состоит из летучего компонента (аммиака) и «неподвижного воздуха». Следует отметить, что исследования Блэка привели к открытию углекислого газа, а аммиак был всего лишь побочным продуктом реакции. Ранее С. Гейле показал, что при нагревании соли аммония и извести в реторте вода в присоединенной пневматической ванной возвращалась обратно в реторту. С. Гейле пришел к выводу, что летучая щелочь, которая высвобождалась, абсорбировала некоторое количество высвобожденного воздуха. В действительности аммиак абсорбировался водой в пневматической ванной [136]. Эта работа стала основой для открытия Пристли. В 1773 г. он собрал газы над пневматической ванной, наполненной жидкой ртутью, в которой собранный аммиак не растворялся. Таким образом, Пристли первым выделил аммиак и назвал его «щелочной воздух» [254].

В 1785 г. французский химик К. Бертолле с помощью электрического разряда установил точный химический состав аммиака [36]. В 1787 г. данный газ получил официальное название «нашатырь» - от латинского названия нашатырной щелочи {sal ammoniac). С этого времени в мире начались исследования по получению аммиака из азота и водорода. Аммиак был необходим для синтеза соединений азота, поскольку получение их из чилийской селитры ограничивалось постепенным истощением запасов последней. Проблема уменьшения запасов селитры обострилась к концу XIX в. Только в начале XX в. удалось изобрести процесс синтеза аммиака, пригодный для промышленности. Это осуществил Ф. Габер, начавший трудиться над задачей в 1904 г. и к 1909 г. создавший небольшой контактный аппарат, в котором использовал повышенное давление (в соответствии с принципом Ле Шателье) и катализатор из осмия. К. Бош к 1911 г. создал крупномасштабную версию аппарата для получения аммиака. В 1913 г. начал функционировать первый в мире завод по синтезу аммиака, который был расположен в Оппау (Германия) и принадлежал BASF. В 1918 г. Ф. Габер стал лауреатом Нобелевской премии по химии «за синтез аммиака из составляющих его элементов». В СССР первая партия синтетического аммиака была получена в 1928 г. на Чернореченском химическом комбинате.

Достижения в этой области знаний об аммиаке появились в результате интереса в XIX-XX вв. к источникам азота и эффективному использованию его в сельском хозяйстве. Это, в свою очередь, привело к первым исследованиям аммиака в атмосфере и изучению его поведения в окружающей среде. В начале XX в. стало понятно, что в атмосфере аммиак содержался в достаточно большом количестве, в то же время то количество азота, которое осаждалось, было недостаточным, чтобы удовлетворить нужды растений. Также было известно, что растения могут напрямую поглощать аммиак из атмосферы, но совсем мало знали о том, будут ли полезны эти потоки на практике.

Первые микрометеорологические полевые измерения для оценки сухого осаждения проведены Холом и Миллером в 1911 г. Целью этих исследований было оценить прямое поглощение аммиака из воздуха различными типами растительности. Данные исследования позволили впервые получить вертикальный градиент концентрации над разными растительными сообществами. В ходе того исследования был получен интересный результат - над удобряемой растительностью концентрация аммиака на высоте 0,15 м выше, чем на высоте 1,15 м, в то время как над неудобряемой - наоборот. То есть эти первые измерения показали, что растения могут быть источниками аммиака.

Интерес к источникам азота для растений привел к разработке сетей изучения атмосферной химии азота и исследований баланса сельскохозяйственного азота и выбросов. Большинство исследований, проводимых в середине XX в., ставили целью «добыть» азот из различных источников для улучшения плодородия почвы. Самые ранние измерения выбросов аммиака от навоза были сделаны для того, чтобы оценить потери азота из системы. В это же время изучались факторы, которые влияли на выбросы газообразного аммиака от сельскохозяйственных почв.

В период с 1980 г. до настоящего времени можно выделить ряд ключевых достижений в исследованиях атмосферного аммиака.

В первую очередь это осознание экологического воздействия аммиака, поступающего в атмосферу от сельскохозяйственных источников. В начале 1980-х гг. было выявлено, что осаждение атмосферного аммиака на чувствительные наземные экосистемы приводит к закислению и эвтрофикации почв, в результате чего снижается биоразнообразие. Достаточно большой вклад в изучение данного вопроса внесли ученые из Дании. В результате их исследований был определен порог, при котором газообразная форма аммиака и валовое осаждение атмосферного азота воздействовали на различные растения, который выразили в виде критических нагрузок и уровней содержания аммиака в атмосфере. Развивающееся признание экологических эффектов аммиака стало частью более широкого признания роли валового осаждения азота из атмосферы.

Со временем ученые признали доминирующую роль при воздействии восстановленных форм азота (NHT) по сравнению с оксидами азота для чувствительных экосистем. Изначально изучению оксидов азота уделялось гораздо больше внимания, чем аммиаку. В то же время в конце 1990-х гг. было признано, что на обширных территориях осаждение восстановленной формы азота доминирует над окисленной в отношении эвтрофикации наземных экосистем.

Важным достижением является разработка методов измерения атмосферного аммиака и аммония. Многие из последних открытий, связанных с атмосферным аммиаком, были сделаны благодаря улучшенным методам измерения NHv. Основной задачей исследователей этого направления было отделить газообразный аммиак и соединения аммония, которые находятся в твердой фазе. Изначально при пробоотборе собирался не только газообразный аммиак, но и некоторое количество аэрозоля, что в некоторых случаях приводило к переоценке концентрации первого. В настоящее время разработаны методы, позволяющие достаточно точно определять концентрацию аммиака при его небольшом содержании в атмосфере (на фоновых территориях).

Прорывом в химии атмосферного аммиака было открытие его двунаправленного потока между почвой и атмосферой. До 1980 г. знания об обмене аммиака между атмосферой и почвой были очень ограничены и основаны на нескольких исследованиях, выполненных в Австралии и Северной Америке.

Данные исследования касались изучения газообразных выбросов аммиака от пастбищ и сельскохозяйственных угодий, а также абсорбции аммиака листьями растительности при очень высоких его концентрациях. Ключевым открытием было обнаружение точки компенсации, ниже которой аммиак поглощается листьями растений, а при превышении которой растения являются дополнительным источником данного загрязняющего вещества [27, 138, 264].

Разработка полных инвентаризаций выбросов аммиака и атмосферных моделей - одно из главных достижений последних лет. Первые инвентаризации выбросов аммиака составлены как часть национального или глобального бюджета. В табл. 1.1 показан ряд результатов таких инвентаризаций. Видно, что более поздние оценки лучше согласуются между собой. Однако в то время как некоторые источники очень хорошо изучены, например, животноводство в европейских странах и США, другие основаны на очень небольшом количестве измерений (естественные источники, сжигание биомассы, животноводство в тропических странах).

Таблица 1.1. Примеры оценок выбросов аммиака на глобальном уровне,

млн т

Год исследования

Природные

наземные

экосистемы

Природные

источники

(океаны)

Сжигание

биомассы

Антропогенные

источники

Валовый

выброс

аммиака

Источник

1976

2-6

-

24-47

30-50

[268]

1983

<36

-

<60

17-35

< 130

[174]

1992

-

-

-

-

122

[217]

1992

10 (6-45)

13 (8-18)

5 (1-9)

47 (35-56)

75 (50-128)

[262]

1996

8

15

-

30

53

[234]

1997

7,2

8,2

4,1

34

54

[107]

2000

4-8

10-15

5-7

20-40

50-60

[293]

2001

2,4

-

6,0

36,0

44,4

[195]

2003

12

-

-

40

52

[160]

Много работ выполнено для оценки пространственного распределения выбросов аммиака различного масштаба от глобального до регионального. Такие карты выбросов предоставляют первичную информацию для моделей рассеяния, которые позволяют сделать разносторонний анализ концентрации газообразного аммиака и частиц, содержащих NHJ, а также осаждение азота.

Все эти достижения являются базой для решения новых проблем, связанных с поступлением аммиака в окружающую среду. Это вклад выбросов аммиака в образование тонкодисперсных взвешенных частиц, роль органического азота в выбросах, сезонная вариабельность выбросов аммиака, методы по снижению выбросов и др.

Свойства аммиака

Аммиак - бесцветный газ с удушливым резким запахом. Химическая формула - NH3, относительная молекулярная масса - 17,03, температура кипения равна -33,42 °С.

Благодаря наличию неподеленной электронной пары во многих реакциях аммиак выступает как основание Бренстеда или комплексообразователь. Водный раствор аммиака («нашатырный спирт») имеет слабощелочную реакцию. При нагревании аммиак разлагается, проявляя восстановительные свойства. Так, он горит в атмосфере кислорода, образуя воду и азот.

При взаимодействии с кислотами дает соответствующие соли аммония. Являясь очень слабой кислотой, способен образовывать с металлами соли - амиды. Реагируя с галогенами, образует опасные взрывчатые вещества; с карбоновыми кислотами, их ангидридами, галогенангидридами, эфирами и другими производными дает амиды; с альдегидами и кетонами - основания Шиффа, которые возможно восстановить до соответствующих аминов (восстановительное аминирование).

При высоких температурах (1000 °С) аммиак реагирует с углем, образуя синильную кислоту HCN и частично разлагаясь на азот и водород. Также он может реагировать с метаном, образуя синильную кислоту. В воде аммиак гидролизуется с образованием сильного основания - гидроксида аммония [51, 96].

Использование аммиака

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Ежегодное мировое производство данного соединения составляет 150 млн т (в Беларуси производится более

900 тыс. т аммиака в год). Он является исходным веществом для производства азотной кислоты и ее солей, солей аммония, азотных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, а также используется при производстве соды.

Так как испарение жидкого аммиака сопровождается поглощением большого количества тепла из окружающей среды, он широко употребляется в различных холодильных устройствах [36].

Углекислый аммоний применяют в хлебопечении (вместо дрожжей), при крашении, промывке шерсти.

Хлорид аммония входит в состав сухих гальванических элементов, им очищают поверхность металлов от оксидов перед пайкой [41].

В медицине используется 10%-й раствор аммиака, так называемый нашатырный спирт.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >