Ammoniakk

Kjemi

Ammoniakk virker som en svak base:

NH₃ + H₂O ↔ NH₄⁺ + OH^-

Ammoniakk er lett løselig i vann (NH₃(aq)) kalt ammoniumhydroksid, og løseligheten er avhengig av temperatur. Molekylet ammoniumhydroksid (NH₄OH) kan man ikke isolere og finnes bare i tynne løsninger. En mettet vannløsning ved 25^oC inneholder ca. 31% ammoniakk, tilsvarende ca. 18M, og 1 molar ammoniakk har pH ca. 11.6.

Bjerrumdiagram for ammoniakk og ammonium, og viser hvordan ammoniakk fordamper ved høy pH. 

Baseionisasjonskonstanten K_b ved 25^oC:

\(\displaystyle K_b = \frac{[NH_4^+][OH^-]}{[NH_3]}= 1.77 \cdot 10^{-5} \)

I reaksjon med saltsyre (HCl) blir det dannet ammoniumklorid (NH₄Cl, ammoniac). En åpnet kjemikalieflaske med ammoniakk plassert ved siden av en flaske med konsentrert saltsyre i avtrekk gir en hvit tåke av ammoniumklorid over flasketutene.

NH₃ + HCl → NH₄Cl

I kjemisk reaksjon inngår ammoniakk i nukleofil substitusjon. Alkylhalider og ammoniakk kan danne aminer. Den kjemiske gruppen –NH₂ er nukleofil.  

Ammoniakk kan inngå som ligand i metallkomplekser med transisjonsmetaller.

Joseph Black laget ammoniakk i 1776 i en reaksjon med ammoniumklorid (NH₄Cl) og magnesiumoksid (MgO)

2NH₄Cl + MgO→ 2NH₃ + MgCl₂ + H₂O

Den franske kjemikeren Claude Louis Berthollet (1748-1822)  fant ut i 1785 den kjemiske oppbygningen av ammoniakk.

I 1807 utførte Humphry Davy (1778-1829)  elektrolyse av vann og oppdaget små mengder ammoniakk.

Ammoniakk finnes i verdensrommet i atmosfæren til planten Mars og planetene utover.

Ammoniakk og N-gjødsel

Omtrent 85% av industrielt produsert ammoniakk i Haber-Bosch-prosessen blir brukt til nitrogengjødsel, den industrielle reaksjonen som endret verden. Nitrogengjødsel laget fra ammoniakk er urea, ammoniumfosfat, ammoniumnitrat og nitrater.  Walther Nernst (1864-1941) ved Universitetet i Berlin var den første som laget ammoniakk (NH₃) ved å kombinere hydrogen (H₂) og nitrogen (N₂) ved høyt trykk og temperatur som trengs for å bryte trippelbindingen mellom nitrogenatomene (N≡N).

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Kjemikeren Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932) studerte den samme reaksjonen med bruk av en jernkatalysator. Ostwald fikk i 1909 nobelprisen i kjemi «som anerkjennelse for hans arbeid med katalyse og for hans undersøkelser omkring de fundamentale prinsippene som styrer kjemisk likevekt og reaksjonshastighet». Jfr. Ostwaldprosessen.

Henry Le Chatelier (1850-1936) i Frankrike hadde i 1884 utviklet prinsippet om kjemisk likevekt (eponym Le Chateliers prinsipp), og klarte i 1901 nesten å lage ammoniakk med en jernkatalysator, men ga opp da det var oksygen tilstede og laget en eksplosjon.

 Fritz Haber (1868-1934) arbeidet med samme problemstilling med å lage ammoniakk fra hydrogen og nitrogen,  og forbedret metoden sammen med  den britiske kjemikeren Robert Le Rossignol (1884-1976) . Fritz Haber fikk nobelprisen i kjemi i 1918 «for syntesen av ammoniakk fra dets grunnstoffer».

Carl Bosch (1874-1940) ved BASF studerte nærmere i 1907 forsøkene til Ostwald og perfeksjonerte eksperimenter ved høyt trykk og temperatur og gjorde forsøk ved 100 atmosfærer,  500^oC med en osmiumkatalysator. Carl Bosch og Frederich Bergius fikk i 1932 nobelprisen i kjemi «for deres innsats i å lage og utvikle kjemiske høytrykksmetoder».

BASF (Badische Anilin & Soda Fabrik) kjøpte Habers patent og anla i 1913 en ammoniumfabrikk i Ludwigshafen. Haber-Bosch-prosessen. Birkeland-Eydes-prosess var avhengig av store mengder energi til den elektriske lysbuen for å lage oksidert nitrogen, og den ble utkonkurrert av den mer energieffektive Haber-Bosch-prosessen. Det skjedde sammenslåinger av tyske industriselskaper og Ig Farben overtok patentet og inngikk blant annet i samarbeid med Norsk Hydro. Et alternativ var Frank-Caro-prosessen, The American Cyanmide Company.

I dag blir hydrogen (H₂) som inngår i prosessen laget fra metan (CH₄) i naturgass.

0.6 tonn naturgass gir ca. 1 tonn NH₃.

7CH₄ + 10H₂O + 8N₂ + 3O₂ → 16NH₃ + 7CO₂

Ved trykk 20 MPa, 500-600^oC, blir det laget ca. 5% NH₃. Ved å atskille NH₃ ved å omdanne det til væske fjerne NH3 kontinuerlig flyttes likevekten mot høyre i reaksjonen. Effektiviteten øker ved å sende H₂ og N₂ som ikke reagerer til en nye runder i prosessen, samt resirkulere varmen i reaksjonsprosessen.  

Ammoniumsulfat ((NH₄)₂SO₄) blir ikke produsert med tanke på gjødsel.  Ammoniumsulfat blir laget som et biprodukt ved syrevasking av koks eller syntetisk fiber i svovelsyreprosessen.

Hydrogen fra metan for å lage ammoniakk

Hydrogen blir laget fra metan i naturgass. Tidligere ble hydrogen produsert ved elektrolyse av vann, en meget energikrevende reaksjon som krever mye elektrisk kraft. Nå ønsker man renessanse i prosessen med elektrolyse av vann for å lage «grønn ammoniakk».

N₂ + 3H₂→ 2NH₃

Prosessgassen fra Haber-Bosch-prosessen kan samles, ca. to tonn CO₂ for hvert tonn ammoniakk. Ren CO₂ kan bli brukt til vannrensing (diffusioforese), eller i produksjon av brus- mineralvann og øl.  Imidlertid er CO₂ fra forbrenning kostbart å samle opp, samt lagre og transportere CO₂ er dyrt.

Hydrogen (H₂) blir laget fra naturgass ved dampreformering

Først fjernes svovel (RSH) fra naturgassen ved hydrogenering, fordi svovel kan ødelegge katalysatoren

RSH + H₂ → H₂S + RH

Deretter reagerer hydrogensulfid (H₂S) med zinkoksid (ZnO) og danner zinksulfid (ZnS) som kan fjernes fra prosessen

H₂S + ZnO → ZnS + H₂O

Katalytisk dampreformering av metan i naturgassen (CH₄) blir det laget hydrogen:

CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO

CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂

Karbonmonoksid (CO) omdannes katalytisk til CO₂ og mer hydrogen

CO + H₂O → H₂ + CO₂

CO₂ kan fjernes i reaksjon med etanolamin, eller CO₂ kan fjernes ved å bli adsorbert til overflater med store arealer og ved høyt trykk¸ Produksjonen av ammoniakk er avhengig av stor energitilførsel via naturgass. Det er også mulig å lage ammoniakk fra kull. Dagens produksjon av nitrogengjødsel er avhengig av fossilt brensel.

 

Fra ammoniakk til salpetersyre

Ammoniakk kan deretter bli oksidert med platina-rhodium som katalysator til salptersyre (HNO₃) i Ostwaldprosessen:

2NH₃ + O₂ + H₂O → 2HNO₃ + 3H₂O   (740 kJ/mol)

Deretter kan det bli laget ammoniumnitrat (NH₄NO₃) i en reaksjon mellom ammoniakk og salpetersyre:

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

Ammoniumnitrat er eksplosivt, men blir også brukt som plantegjødsel blandet med kalsiumkarbonat (CaCO₃). I Beirut i Libanon i 2020 eksploderte omtrent 2750 tonn ammoniumnitrat i et lagerskur på havna, med store ødeleggelser og mange døde. I 1921 eksploderte ca. 400 tonn ammoniumsulfat-nitrat ved BASFs anlegg ved Oppenau-Ludwigshafen og drepte flere hundre arbeidere ved fabrikken.

Fra ammoniakk til urea

Ammoniakk kan også omdannes til urea i Bosch-Meiser ureaprosess ved blanding av ammoniakk og karbondioksid ved høy temperatur og trykk:

2NH₃ + CO₂ → ((NH₄)(H₂NCO₂)  →(NH₂)₂CO + H₂O

Urea er ikke eksplosiv, løses i vann eller alkohol. Urea brukt som gjødsel eller til reduksjon av nitrogenoksider i varmekraftverk eller solgt som AdBlue^® i brukt til å fjerne nitrogenoksider fra eksosen i dieselmotorer.

Luktsalt

(NH₄)₂CO₃ (sal volatil) brukt som luktsalt.

Salmiakk og vaskemiddel

Salmiakk er et rengjøringsmiddel og en 1-3% løsning av ammoniakk i vann i form av ammoniumklorid (NH₄Cl). Brukt blant annet til vinduer hvor det ikke etterlater seg striper siden ammoniakk fordamper. Salt lakris er tilsatt ammoniumklorid (NH₄Cl). Fermentering av urin brukt som vaskemiddel

Ammoniakk i kjøleanlegg

Ammoniakk blir brukt i industrielle kjølesystemer med kondensering (presses lett sammen og danner en klar væske) og fordampning av NH₃. Ved fordampningen fjernes varme (fordampningsvarmen til NH₃ er ca. 23.5 kJ mol^-1, jfr. fordampningsvarmen til vann ved 25^oC er 44 kJ mol-1). Ved atmosfæretrykk er kokepunkt -33.34^oC og ved frysepunkt -77.7^oC dannes hvite krystaller.

Hjortetakksalt og baking

Hornsalt eller hjortetakksalt (Hirschhornsalz, hartshornsalt, staghornsalt) som hevemiddel til baking (E503) består litt varierende av to deler ammoniumhydrogenkarbonat (NH₄HCO₃), en del ammoniumkarbonat, eventuelt  noe ammoniumkarbamat (NH₄CO₂NH₂). Ved oppvarming gir det  

NH₄HCO₃→ NH₃ + CO₂ + H₂O

(NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + CO₂ + H₂O

Ammoniakk forsvinner under stekingen. Imidlertid kan ammoniakk i reaksjon med reduserende sukker gi komplekse kjemiske reaksjoner kan danne 4-metylimidazol eller glukosaminer i deigen. Disse mellomproduktene (intermediater) kan reagerer med aminosyren asparagin bidrar til at det dannes akrylamid.

Keratin (hornstoff) er et strukturelt fiberprotein fra horn, gevir, klover med høyt innhold av aminosyren cystein som gir disulfidbindinger. Keratin finnes også i hår, ull, fjær og negler.

NH₃ og fargesoff

Ammoniakk i reaksjoner med garvestoffer (tanniner) i veden gir mørkefarget treverk.

Mørkefargete klasse II og IV karamell er ammoniakaramell (E150c) ammoniakksulfittkaramell (E150d) som sukkerkolør ved oksidering av sukker. og fargestoff i næringsmiddelindustri.

Ammoniakk og akrylonitril

Brukt til å lage akrylonitril (CH2=CHC≡N) i reaksjon med ammoniakk, propylen og katalysator ved høy temperatur og høyt trykk, en ammoksidering i SOHIO-prosessen:

2CH₃-CH=CH₂ + 2NH₃ + 3O₂ → 2 CH₂=CH-C≡N + 6H₂O

Akrylonitril er giftig og brennbar, men blir brukt som monomer og kopolymer I produksjon av diverse typer plast (polyakrylonitril, og syntetisk gummi (akrylonitrilbutadien).

Ammoniakkbehandling av halm

Halm fra åkeren etter innhøsting av korn kan tilsettes ammoniakk og pakkes i rundballer omgitt av plast. Ammoniakk brukt til behandling («luting») av halm med å nedbryte lignin og gjøre halmen lettere fordøyelig for husdyr. Tidligere brukt man lut (NaOH), men ble erstattet med ammoniakk. Prisen på ammoniakk gjør at metoden blir mindre brukt.  Ammoniakkbehandling av halm i rundballer kan gi  opphav til 4-metylimidazol.

Ammoniakk som brennstoff og hydrogenbærer

Ammoniakk kan brenne, men vanskelig å antenne uten katalysator, men kan blandes med andre brennstoff. Imidlertid er ammoniakk en kompakt form med hydrogen som kan brukes brennstoff i skip eller varmekraftverk.

Forbrenning i en eksoterm reaksjon

4NH₃ + 3O₂ →2N₂ + 6H₂O

Kompresjonstenningsmotor og gnisttenningsmotorer, eller gassturbiner drevet med ammoniakk kombinert med annet drivstoff e.g. diesel-ammoniakk men gir høyere tenningstemperatur. NH₃ som drivstoff lager ikke CO₂, partikulært materiale, flyktige organiske forbindelser eller svoveloksider (SO_x), men det blir sluppet ut uforbrent ammoniakk og nitrogenoksider (NO_x og N₂O). Nitrogenoksider blir det dannet uansett. Ammoniakk-hydrogen- eller ammoniakkbrenselceller er under utvikling. Imidlertid er det ganske mange ulemper med hydrogen og ammoniakk, og vil sannsynligvis tape i kampen om fremtidens energiløsning.

Ammoniakk til rakettdrivstoffet hydrazin

Hydrazin og dimetylhydrazin blir bukt som flytende rakettbrennstoff. 

Hypergolisk og spontant selvantennende under påvirkning av nitrogendioksid NO₂/N₂O₄

Hydrazin (N₂H₄) er giftig og kreftfremkallende, I Raschig-syntese reagerer natriumhypokloritt NaClO) med ammoniakk:

NH₃ + ClO^- → NH₂Cl + OH^-

NH₂Cl + NH₃ + OH^- → N₂H₄ + Cl^- + OH^-

Ammoniakk og  Strecker aminosyresyntese

Kjemisk syntese av aminosyrer i en kondenseringsreaksjon mellom ammoniakk og et aldehyd sammen med kaliumcyanid (KCN) hvor det blir laget alfa (α)-aminonitril som deretter blir hydrolysert. Oksygenatomet i karbonylgruppen (-C=O) et keton eller aldehyde (R-CHO) blir først protonert. Deretter inngår karbonatomet en nukleofil reaksjon med ammoniakk. Streckersyntese er av interesse for opprinnelsen av liv og aminosyrer som er funnet på meteoritter.  Navn etter den tyske kjemikeren Adolph Strecker (1822-1871) som hadde Justus von Liebig som veileder. Fra 1851-1860 var Strecker en periode ansatt ved Det Kongelige Fredriks Universitet i Kristiania, i stilling etter Julius Thaulow. Strecker dro deretter til Tübingen, og i 1862 ble stillingen overtatt av Peter Waage, jfr.Gulberg-Waages massevirkningslov. 

Ammoniakk og luftforurensninger

Ammoniakk fra landbruk og industri deltar i dannelse av partikulært materiale (PM) i atmosfæren, fra ammoniumsalter i reaksjon med svovelsyre eller salpetersyre. Overskudd av nitrogen bidrar dessuten til eutrofiering. Ammoniakk kan også komme fra nedbrytning av ureagjødsel og anaerob omsetning av organiske materiale. Ammoniakk reduserer veksten av acidofile lav og moser og erikoide lyngarter, hvor det skjer et artsskifte med hvor blåtopp (Molinia caerulea) og smyle (Deschampsia flexuosa) blir dominerende, samt økt vekst av nitrofile epifytter e.g. messinglav (Xanthoria parietina).

Ammoniakk og fjerning av nitrogenoksider

Ammoniakk (NH₃) brukt selektiv katalytisk reduksjon av nitrogengoksider (NO_x) i varmekraftproduksjon og skipsmotorer. Nitrogenmonoksid (NO) og nitrogendioksid (NO₂) i gassturbineksos omdannet til oksygen og nitrogen i reaksjon med NH₃ og katalysator, eller sikrere brukt i form av urea-selektiv katalytisk reduksjon (SCR).

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃→ 7N₂ + 12H₂O

NH₃ i reaksjon med med svoveloksider (SO_X) gir aerosoler med ammoniumhydrogensulfat (NH₄HSO₄) og ammoniumsulfat ((NH₄)₂SO₄) <300^oC

Katalysator vanadiumpentoksid (V₂O₄) + wolframtrioksid WO₃ sammen med titandioksid (TiO₂)

2SO₂ + O₂ → 2SO₃

2NH₃ + SO₃ + H₂O → (NH₄)₂SO₄

NH₃ + SO₃ +H₂O → NH₄HSO₄

Ammoniakk finnes i interstellare skyer dannet i en serie reaksjoner fra N⁺ og hydrogen (H₂) som ender med:

NH₃⁺ + e- → NH₃ + H•

Ammoniakk fra urea brukt til syrenøytralisering

Helicoacter pylori er en Gram-negative bakterie som kan kolonisere slimhinnen i den sure magesekken ved å nøytralisere saltsyren (HCl) med ammoniakk (VH₃) laget fra urea (CO(NH₂)₂) som fraktes med blodet, og  som nedbrytes av enzymet urease som bakterien skiller ut. Bakterien kan derved  leve i slimhinneveggen i kontakt med den sure magesaften og gi opphav til magesår og andre sykdommer i magesekken.

Eznymet urease katalyserer hydrolyse av urea til ammoniakk og karbamat

CO(NH₂)₂ + H₂O ⇒ NH₃ + H₂NC(O)UH

Karbamat dekomponerer sponatant til ammoniakk og karbonsyre

H2NC(O)UH + 2H₂O ⇒ NH₃ + H₂CO₃

H₂CO₃ ⇒ H⁺ + HCO₃^-

2NH₃ + 2NH₃ ⇒ 2NH₄⁺ + 2OH^-

Urease blir også beskrevet som denne reaksjonen

CO(NH₂)₂ + H₂O ⇒ 2NH₃ + CO₂

Urease inneholder nikkel (Ni²⁺) i det aktive sete. I tillegg til å bli nøytralisert av HCl kan annoniakk bli assimilert inn i aminosyren glutamin katalysert av enzymet glutamin syntetase

glutamat + NH₃ + ATP  ⇒ glutamin + ADP + Pi

Glutamin fungere som nitrogendonor i flere metabolismereaksjoner.

Tilbake til hovedside