Соединения азота имеют исключительное значений для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства. Их потребляют производства азотной кислоты, разнообразных минеральных удобрений, полимерных материалов, взрывчатых веществ и ракетных топлив, красителей, фармацевтических препаратов.

Азот принадлежит к числу достаточно распространенных химических элементов. Его кларк (% мас.) для планеты в целом составляет 0,01, для земной коры равен 0,04, для атмосферы – 75,5. Формы существования азота в земной коре весьма разнообразны. Он входит в состав минералов, содержится в каменном угле, нефти и других видах ископаемого топлива. Важнейшее значение имеет азот для жизни на Земле, являясь одним из элементов, входящих в состав белковых структур. На рис. 8.1 представлены формы существования азота на земле и содержание элемента в них.

Рисунок 8.1 – Формы существования азота в литосфере

Основным природным источником азота является атмосфера. Масса азота в ней составляет 4 × 10 15 тонн. Однако газообразный молекулярный азот представляет одно из самых устойчивых химических веществ. Энергия связи в молекуле азота равна 940,5 кДж/моль. В естественных условиях лишь незначительное количество атмосферного азота переходит в биологически усвояемую форму в результате грозовых разрядов по реакции

или непосредственно фиксируется ограниченными видами растений в форме аминокислот в ходе фотосинтеза, катализируемого ферментами

Большинство организмов (высшие растения и животные) усваивают азот в виде его соединений со степенью окисления –3 и не могут использовать азот атмосферы. То же относится и к использованию соединений азота в промышленности.

Скорость перевода атмосферного азота в состояние, в котором он может быть усвоен или реализован, в природных процессах весьма мала. В среднем половина необходимого для жизни азота возвращается через атмосферу за 10 8 лет. В то же время организация современного культурного земледелия связана с непрерывным уносом усвояемого азота с посевных площадей, достигающим 88 млн тонн в год, а это 90 % азота, необходимого для питания растений. Поэтому первоочередная задача – непрерывное пополнение запасов азота в почве в усвояемой растениями форме. До конца ХIX столетия источником «связанного» азота служили естественные удобрения и лишь в незначительной степени природные соли – нитраты натрия и калия, запасы которых в природе весьма ограничены. Увеличение масштабов культурного земледелия и потребностей промышленности в разнообразных соединениях азота потребовали разработки промышленных способов получения этих соединений, то есть способов «связывания» атмосферного азота.

8.1.2. Методы связывания атмосферного азота

В начале ХХ века почти одновременно были разработаны три технических метода синтеза соединений из молекулярного азота: дуговой, цианамидный и аммиачный.

Сравнительная энергоемкость этих методов фиксации азота приведена в табл. 8.1

Таблица 8.1 – Энергоемкость методов фиксации азота

Метод	Затраты энергии на производство 1 т аммиака, кДж
Дуговой
Цианамидный
Аммиачный

Энергетически наиболее выгоден аммиачный метод фиксации, что и обусловило его широкое промышленное внедрение.

8.2. Получение аммиака. Общие сведения

Аммиак является важнейшим и практически единственным соединением азота, производимым в промышленных масштабах из азота атмосферы. Таким образом, его следует рассматривать как полупродукт для получения всех остальных соединений азота.

8.2.1. Технологические свойства аммиака

Аммиак NH 3 – бесцветный газ с резким запахом с температурой кипения - 33,35 0 С и температурой плавления -77,75 0 С. Аномально высокие температуры кипения и плавления аммиака объясняются ассоциацией его молекул вследствие высокой полярности их и образования водородных связей. Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.

В водных растворах аммиака содержатся его гидраты состава , образующие эвтектики, а также незначительное количество ионизированных молекул в результате реакции

Константа равновесия этой реакции равна , что соответствует степени диссоциации 0,004. При температурах выше 1300 0 С аммиак диссоциирует на азот и водород:

Сухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры и при 18 0 С ограничены интервалом содержания аммиака в газовой смеси от 0,155 до 0,270 об. долей. Эта особенность системы «аммиак–воздух» учитывается при производстве азотной кислоты окислением аммиака, в котором сырьем является аммиачно–воздушная смесь.

8.2.2. Области использования аммиака

Аммиак – ключевой продукт для получения многочисленных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту. На основе аммиака в настоящее время производятся практически все соединения азота, используемые в качестве целевых продуктов и полупродуктов неорганической и органической технологии. На рис. 8.2 представлены основные направления использования аммиака в промышленности и сельском хозяйстве.

Рисунок 8.2 – Использование аммиака

8.2.3. Сырье для производства аммиака

Азотоводородная смесь (АВС) - сырье в производстве аммиака стехиометрического состава N 2: H 2 = 1: 3. Так как ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, сырьевая база аммиачного производства определяется вторым компонентом смеси – водородом, который может быть получен разделением обратного коксового газа, газификацией твердого топлива, конверсией природного газа (рис. 8.3).

Рисунок 8.3 – Сырьевые ресурсы производства аммиака

Структура сырьевой базы производства аммиака менялась, и сейчас свыше 90% аммиака вырабатывается на основе природного газа. В табл. 8.2 приведена динамика изменения структуры основных видов сырья аммиачного производства.

Таблица 8.2 – Изменение сырьевой базы производства аммиака

Виды сырья	Доля сырья по годам, %					Энергоемкость, тонн усл. топлива
	1960	1965	1970	1975	1980
Твердое топливо
Коксовый газ
Природный газ

Азотоводородная смесь независимо от метода ее получения содержит примеси веществ, некоторые из которых являются каталитическими ядами, вызывающими как обратимое (кислород, оксиды углерода, пары воды), так и необратимое (различные соединения серы и фосфора) отравление катализатора. С целью удаления этих веществ АВС подвергается предварительной очистке, методы и глубина которой зависят от их природы и содержания, то есть от способа производства АВС. Обычно АВС, получаемая конверсией природного газа, содержит оксид углерода (IV), метан, аргон, следы кислорода и до 0,4% об. оксида углерода (II).

Для очистки АВС в промышленности используются методы абсорбции жидкими поглотителями (мокрый метод) и адсорбции твердыми поглотителями (сухой метод). При этом процесс очистки может производиться на различных стадиях производства:

• исходного газа перед подачей его на конверсию;
• конвертированного газа для удаления из него оксида углерода (IV);
• азотоводородной смеси непосредственно перед синтезом аммиака (тонкая очистка АВС).

Тонкая очистка АВС достигается хемосорбцией примесей жидкими реагентами и окончательно каталитическим гидрированием их или промыванием АВС жидким азотом.

Для удаления оксида углерода (IV) и сероводорода АВС промывают в башнях с насадкой щелочными реагентами, образующими с ними нестойкие термические соли: водным раствором этаноламина или горячим, активированным добавкой диэтаноламина, раствором карбоната калия. При этом протекают соответственно реакции:

Оксид углерода (II) удаляют из АВС промывкой ее медно-аммиачным раствором ацетата меди

Применяемые для хемосорбции абсорберы образуют с поглощаемыми из АВС нестойкие соединения. Поэтому при нагревании их растворов и снижении давления происходит десорбция растворенных примесей, что позволяет легко регенерировать абсорбент, возвратить его в процесс и обеспечить цикличность операции абсорбции по схеме

где П – поглощаемая из АВС примесь; А – абсорбент; ПА – соединение примеси и абсорбента.

Более эффективным методом очистки АВС от оксида углерода (II) является применяемая в современных установках промывка АВС жидким азотом при –190 0 С, в процессе которой из нее удаляются, помимо оксида углерода (II), метан и аргон.

Метанирование, или предкатализ - способ окончательной очистки АВС путем каталитического гидрирования примесей. Этот процесс проводится в специальных установках метанирования (рис. 8.4) при температуре 250–300 0 С и давлении около 30 МПа на никель–алюминиевом катализаторе (Ni + Al 2 O 3). При этом протекают экзотермические реакции восстановления кислородсодержащих примесей до метана, который не является ядом для железного катализатора, а вода конденсируется при охлаждении очищенного газа и удаляется из него:

Если в предкатализе используется железный катализатор, то в процессе гидрирования также образуется некоторое количество аммиака, в этом случае предкатализ называется продуцирующим.

Очищенная АВС, поступающая на синтез, содержит до 0,0025 об.долей аргона, 0,0075 об.долей метана и не более 0,00004 об.долей оксида углерода (II), являющегося наиболее сильным каталитическим ядом.

Рисунок 8.4 – Схема установки метанирования АВС:

1. компрессор;
2. подогреватель;
3. реактор метанирования;
4. реактор метанирования;
5. подогреватель воды;
6. конденсатор;
7. влагоотделитель

8.3. Химическая и принципиальная схемы производства

Основная стадия процесса синтеза аммиака из азотоводородной смеси описывается уравнением

Так как преобладающим методом получения АВС является конверсия метана воздухом и водяным паром, химическая схема производства аммиака включает помимо этой реакции несколько реакций воздушной и паровой конверсии:

и последующего превращения оксида углерода (II) в оксид углерода (IV):

После удаления оксида углерода (IV) из газовой смеси и коррекции ее состава получают АВС с содержанием азота и водорода в отношении 1: 3.

Таким образом, современное производство аммиака состоит из двух стадий: приготовления АВС и превращения ее в аммиак, представляя единую энерготехнологическую схему, в которой сочетаются операции получения АВС, ее очистки и синтеза аммиака и эффективно используются тепловые эффекты всех стадий процесса, что позволяет в несколько раз снизить затраты электроэнергии. На рис. 8.5 приведена принципиальная схема производства аммиака, отвечающая рассмотренной выше химической схеме.

Рисунок 8.5 – Принципиальная схема производства аммиака:

1. очистка природного газа от сернистых соединений;
2. паровая конверсия метана;
3. воздушная конверсия метана;
4. конверсия оксида углерода (II);
5. хемосорбционная очистка АВС;
6. метанирование;
7. синтез аммиака;
8. абсорбция аммиака;
9. сжатие аммиака.

8.4. Физико-химические основы синтеза аммиака

8.4.1. Равновесие и скорость процесса в системе

Равновесие в системе. Реакция синтеза аммиака из АВС - гетерогенно–каталитическая обратимая, экзотермическая реакция, протекает с уменьшением объема без образования каких–либо побочных продуктов и описывается уравнением

Тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления и составляет 111,6 кДж при температуре 500 0 С и давлении 30 МПа.

Константа равновесия реакции имеет вид

В табл. 8.3 приведено содержание аммиака в равновесной газовой смеси для различных температур при среднем (30 МПа) и высоком (100 МПа) давлениях.

Таблица 8.3 – Содержание аммиака (об. долей) в газовой смеси

Давление, МПа	Температура, 0 С

Зависимость содержания аммиака в равновесной газовой смеси от температуры и давления представлена на рис. 8.6.

Рисунок 8.6 – Зависимость содержания аммиака в смеси от температуры (а) и давления (б)

Из табл. 8.3 и рис. 8.6 следует, что повышение давления и снижение температуры смещает равновесие реакции синтеза и повышает равновесный выход аммиака. Однако достаточно высокое для целей практики равновесное содержание аммиака в газе может быть достигнуто только при температуре не выше 400 0 С, то есть в условиях, когда скорость процесса и, следовательно, время достижения состояния равновесия весьма низки. Поэтому в реальных условиях содержание аммиака в газовой смеси будет ничтожно мало, что делает процесс синтеза малопроизводительным и экономически нецелесообразным.

Скорость процесса. Даже при сравнительно высоких температурах энергия активации молекул азота велика и процесс синтеза аммиака в гомогенной газовой фазе практически неосуществим. Для снижения энергии активации используются катализаторы, позволяющие значительно уменьшить температуру процесса.

Реакция синтеза аммиака катализируется металлами, имеющими не полностью застроенные d– и f–электронные уровни. К ним относятся железо, родий, вольфрам, рений, осмий, платина, уран и некоторые другие металлы. В промышленности используются контактные массы на основе железа, например, катализатор ГИАП состава

Он дешев, достаточно активен при температуре 450–500 0 С, менее остальных катализаторов чувствителен к каталитическим ядам. Промоторы в составе контактной массы способствуют созданию высокоразвитой поверхности, препятствуют рекристаллизации катализатора и повышают его активность.

Контактную массу готовят сплавлением в атмосфере азота смеси оксидов железа Fe 3 O 4 , алюминия Al 2 O 3 , калия К 2 О, кальция СаО и кремния SiO 2 или порошков металлических – железа и алюминия – с оксидами кальция и кремния и карбоната калия с последующим измельчением массы до размеров зерен катализатора (5 мм) и восстановлением их водородом в колонне синтеза аммиака. При этом протекают реакции

Так как железные катализаторы имеют максимальную активность при температуре не ниже 400–500 0 С, при которой нельзя обеспечить высокую степень превращения АВС в аммиак, синтез аммиака ведут в условиях, далеких от равновесных, и определяющее влияние на общую скорость процесса оказывает скорость прямой реакции.

Константа скорости зависит от температуры, активности и состояния катализаторов. Зависимость константы от температуры выражается уравнением Аррениуса

в котором энергия активации для реакций на промышленном железном катализаторе равна 165 кДж/моль.

8.4.2. Оптимальный режим процесса синтеза

В 8.4.1 было показано, что температура и давление влияют на состояние системы и скорость синтеза аммиака противоположным образом, то есть существует противоречие между термодинамикой и кинетикой процесса. Поэтому выход аммиака и удельная производительность катализатора зависят в первую очередь от этих параметров, а также от состава и объемной скорости газовой смеси, активности катализатора и конструкции реактора.

Применение высоких давлений увеличивает скорость процесса синтеза за счет повышения движущей силы процесса и уменьшения скорости обратной реакции диссоциации аммиака и способствует отделению образовавшегося аммиака от газовой смеси путем его конденсации.

Оптимальный температурный режим процесса определяется общими закономерностями влияния температуры на выход продукта экзотермического обратимого каталитического процесса, которым является производство аммиака (рис.8.7).

Рисунок 8.7 – Зависимость содержания аммиака в газе после синтеза от температуры и объемной скорости газа (W3 > W2 > W1).

Для каждого значения объемной скорости газовой смеси W содержание аммиака в ней увеличивается с ростом температуры до определенного предела, отвечающего максимальной скорости процесса и содержанию аммиака в газе. Очевидно, эта температура отвечает наибольшей интенсивности катализатора.

Повышение объемной скорости снижает выход аммиака. Линия А, соединяющая максимумы кривых w NH3 = f(T) для различных значений объемной скорости w, соответствует кривой оптимальных температур, линия ВВ представляет равновесную кривую.

Однако с ростом объемной скорости газа возрастает интенсивность катализатора (рис.8.8). Поэтому увеличение объемной скорости газа до определенного предела положительно сказывается на выходе аммиака.

Рисунок 8.8 – Зависимость интенсивности катализатора от объемной скорости при Р1 > P2

Дальнейшее повышение ее приводит к увеличению затрат на транспортировку газа, нарушению автотермичности и снижению полноты выделения аммиака из газовой смеси. Верхний предел объемной скорости определяется обычно именно автотермичностью процесса синтеза. На практике в установках среднего давления объемная скорость газа выбирается в пределах ч Состав азотоводородной смеси интенсивности катализатора выбирается возможно более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак.

Так как степень превращения не превышает 0,14 – 0,20 дол. един., то процесс синтеза аммиака строится по циркуляционной схеме с отделением образующегося аммиака от непрореагировавшей АВС и возвращением оставшейся части ее в реактор, как это показано на рис. 8.9 Так как синтез аммиака идет с сокращением объема, то в циркулирующей АВС накапливаются инертные примеси (аргон, метан), что приводит к снижению выхода аммиака вследствие уменьшения концентрации азота и водорода в ней. Для устранения этого часть циркулирующей АВС периодически выводится из цикла аммиака в виде продувочного газа (оттдувка).

Рисунок 8.9 – Циркуляционная схема синтеза

Рисунок 8.10- зависимость выхода аммиака от времени контактирования при различных температурах.

Для выделения образовавшегося аммиака из АВС ее охлаждают до температуры сжижения аммиака. При этом часть аммиака остается в АВС. Концентрация его зависит от температуры и изменяется от 0,015 об. доли при –20 0 С до 0,073 об. дол. при +20 0 С при давлении около 30 МПа. При использовании водяного и аммиачного охлаждения это обеспечивает остаточное содержание аммиака в циркулирующей АВС 0,03 – 0,05 об. дол.

Увеличение времени контактирования не может быть использовано для того, чтобы обеспечить в системе состояние равновесия, так как на практике синтез аммиака проводят в условиях, далеких от равновесных (см. выше). Однако при более высоких температурах приближение к состоянию равновесия достигается быстрее. На рис. 8.10 представлена зависимость выхода аммиака от времени контактирования при различных температурах. Из нее следует, что при более высокой температуре Т 2 состояние равновесия может быть достигнуто быстрее, чем при более низкой температуре Т 1 , хотя выход аммиака при этом меньше.

8.5. Технологическая схема производства аммиака

8.5.1. Выбор схемы производства

Определяющим параметром в производстве аммиака из азотоводородной смеси является давление синтеза. В зависимости от применяемого давления все системы производства синтетического аммиака делятся на:

• системы низкого давления (10–15 МПа) ;
• системы среднего давления (25–60 МПа) ;
• системы высокого давления (60–100 МПа) .

Методом математического моделирования было найдено, что экономически наиболее выгодным является проведение процесса при среднем давлении. На стадиях компрессии газа, синтеза аммиака и конденсации его из АВС капитальные и энергоматериальные затраты с повышением давления снижаются до определенного предела. Оптимальным давлением является давление 32 МПа. Дальнейшее повышение давления не приводит к существенному снижению затрат, но усложняет технологическую схему производства.

В системе среднего давления обеспечивается достаточно высокая скорость процесса, простота выделения аммиака из газовой смеси, возможность одновременного получения жидкого и газообразного продуктов. Вследствие этого в мировой и отечественной практике распространены установки среднего давления.

5.2. Технологическая схема производства

На рис. 8.11 приведена технологическая схема современного производства аммиака, при среднем давлении производительность 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следующими параметрами:

Рисунок 8.11 – Технологическая схема производства аммиака:

1. колонна синтеза;
2. водяной конденсатор;
3. смеситель (инжектор) свежей АВС и циркуляционного газа;
4. конденсационная колонна;
5. газоотделитель;
6. испаритель жидкого аммиака;
7. выносной теплообменник (котел–утилизатор);
8. трубоциркуляционный компрессор.

температура контактирования

• 450–550 0 С;
• давление 32 МПа;
• объемная скорость газовой смеси 4 × 10 4 нм 3 /м 3 ×ч;
• состав азотоводородной смеси стехометрический.

Смесь свежей АВС и циркуляционного газа под давлением подается из смесителя 3 в конденсационную колонну 4, где из циркуляционного газа конденсируется часть аммиака, откуда поступает в колонну синтеза 1. Выходящий из колонны газ, содержащий до 0,2 об.дол.аммиака (w 2) направляется в водяной холодильник–конденсатор 2 и затем в газоотделитель 5, где из него отделяется жидкий аммиак. Оставшийся газ после компрессора 8 смешивается со свежей АВС и направляется сначала в конденсационную колонну 4, а затем в испаритель жидкого аммиака 6, где при охлаждении до –20 0 С также конденсируется большая часть аммиака. Затем циркуляционный газ, содержащий около 0,03 об.дол.аммиака, поступает в колонну синтеза 1. В испарителе 6 одновременно с охлаждением циркуляционного газа и конденсацией содержащегося в нем аммиака происходит испарение жидкого аммиака с образованием товарного газообразного продукта.

Основной аппарат технологической схемы – колонна синтеза, представляющая собой реактор РИВ–Н. Колонна состоит из корпуса и насадки различного устройства, включающей катализаторную коробку с размещенной в ней контактной массой, и систему теплообменных труб. Для процесса синтеза аммиака существенное значение имеет оптимальный температурный режим. Для обеспечения максимальной скорости синтеза процесс следует начинать при высокой температуре и по мере увеличения степени превращения понижать ее в соответствии с линией оптимальных температур (ЛОТ), как это показано на рис. 8.12а. Регулирование температуры и обеспечение автотермичности процесса обеспечиваются с помощью теплообменников, расположенных в слое контактной массы и дополнительно подачей части холодной АВС в контактную массу, минуя теплообменник (рис. 8.12).

С учетом последовательного изменения температуры при прохождении реакционной смеси и продуктов реакции через теплообменные устройства, катализаторную коробку и котел–утилизатор температурный режим работы колонны синтеза может быть представлен графиком (рис.8.13).

Для защиты корпуса колонны от действия высоких температур, способствующих диффузии водорода в сталь и ее разрушению, холодная АВС, поступающая в колонну, прежде чем пройти в катализаторную коробку проходит сначала по кольцевому пространству между корпусом и насадкой, непрерывно омывая стенки колонны и охлаждая их.

Рисунок 8.12 – Изменение температуры в катализаторной коробке (а). Схема поступления АВС в катализаторную коробку (б).

Рисунок 8.13 – График изменения температур в колонне синтеза

В промышленности выпускаются два сорта (первый и второй) жидкого аммиака и водный раствор его (аммиачная вода). Согласно с ГОСТом 6221–75 аммиак первого сорта должен содержать не менее 99,9% и второго сорта не менее 99,6% NH 3 . Аммиак 1–го сорта применяется в качестве хладагента в холодильных машинах и минерального удобрения, 2–го сорта – используется в производстве азотной кислоты.

8.6. Совершенствование аммиачного производства

Совершенствование промышленного производства аммиака идет по следующим основным направлениям:

• кооперация производства аммиака с производствами основного органического синтеза на базе использования природного газа и газов нефтепереработки;
• создание агрегатов большой (до 3000 т/сутки) единичной мощности;
• применение колонн синтеза с кипящим слоем катализатора;
• разработка новых катализаторов, устойчивых к ядам с низкой (300 0 С) температурой зажигания, позволяющих вести процесс синтеза без снижения выхода аммиака при низких (10 МПа) давлениях.

Азотное производство играет важнейшую роль в современной химической промышленности. Стоит заметить, что соединения азота применяются как при получении органических, так и неорганических веществ. Особую статью в азотной промышленности составляет производство аммиака. Именно при «участии» этого ценнейшего компонента производятся удобрения, азотная кислота, взрывчатые вещества, хладоагенты и многое другое. При всей своей полезности аммиак является довольно сильным ядом, несмотря на то что применяется в медицине в виде нашатыря.

Сам аммиак как вещество впервые был обнаружен в конце XVIII века. Описал его как отдельное вещество англичанин Джозеф Пристли. Спустя 11 лет французом Клодом Луи Бертолле был изучен химический состав этого вещества. Необходимость получения аммиака в промышленных количествах стала остро возникать в конце XIX века, когда стали истощаться месторождения чилийской селитры, из которой в основном получали азотные соединения. Именно «щелочной воздух» стал самым перспективным компонентом для производства различных химических соединений, которые оказали огромное влияние на разные стороны жизни человека: от военного дела, до сельского хозяйства.

Но эта проблема была решена только в начале XX столетия, когда появился способ производства аммиака путем прямого синтеза из азота и водорода. Таким образом, од возникновения проблемы до ее решения прошел довольно длительный период, в ходе которого было сделано несколько открытий, позволивших «сказку сделать былью».

Особенности и этапы производственного процесса

Процесс производства аммиака характеризуется большой энергоемкостью, что является главным его недостатком. Именно поэтому постоянно ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии энергии. В частности разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а также совмещение, например, производства аммиака и карбамида. Все это способствует удешевлению деятельности предприятий и повышению их полезной отдачи.

В основу производства аммиака положены принцип циркуляции, согласно которому процесс идет непрерывно, причем остатки исходных компонентов отделяются от конечного продукта и используются вновь, непрерывности: процесс синтеза происходит без остановки, принцип теплообмена, а также принцип цикличности. Как видно, все эти принципы между собой тесно взаимосвязаны.

Сама технологическая схема производства аммиака зависит, прежде всего, от сырья, из которого получается конечный продукт. Дело в том, что, в отличие от азота, который содержится в воздухе в больших количествах, водород в чистом виде в природе практически не присутствует, а выделять его из воды - довольно трудоемкий и энергозатратный процесс.

Поэтому в качестве сырья для производства аммиака в основном используются углеводороды, содержащиеся в природном газе. В настоящее время именно природный газ является одной из основ аммиачной промышленности. Прежде чем попасть в колонну синтеза, газ проходит несколько стадий обработки. Начинается процесс с того что производится очистка исходного сырья от серы при помощи десульфуратора.

Далее идет так называемый процесс риформинга, который заключается в том, что в его ходе углеводороды сначала превращаются в метан, потом происходит довольно сложный процесс превращения метана в смесь водяного пара, угарного газа, углекислого газа и водорода. При этом также происходит очистка смеси от углекислого газа, после чего водород попадает в колонну синтеза под большим давлением вместе с азотом. Таким образом, прежде чем начать непосредственно производство аммиака, технология предполагает предварительную обработку сырья.

Все процессы риформинга, как и непосредственно сам синтез конечного продукта, происходят при высоком давлении и большой температуре. Именно это приводит к большой их энергозатратности. При этом указанные параметры на всех стадиях производства изменяются.

Сама колонна обычно изготавливается из стали. В ней размещен катализатор, состав которого может быть разным. После прохождения цикла синтеза смесь попадает в холодильник, где от нее оделяется аммиак в жидком виде, а оставшиеся после реакции компоненты снова идут в производство. Такая особенность технологического процесса вызвана тем, что реакция синтеза аммиака является обратимой и в ходе технологического процесса часть конечного продукта распадается на исходные компоненты.

Таким образом, производство аммиака в промышленности, несмотря на кажущуюся простоту реакции, которая лежит в основе процесса, на самом деле является довольно сложной технологической задачей.

Создание интегрированных производств и разработка новых технологий имеют особое значение

Как уже было сказано выше, технология постоянно совершенствуется и главным направлением мероприятий по ее улучшению является снижение энергоемкости самого процесса. А там, где это сделать по разным причинам сложно, применяются способы утилизации тепла, которое также способно принести пользу. Кроме того некоторые заводы по производству аммиака используют побочные продукты для других химических производств. Так может совмещаться, например, производство метанола и аммиака. Этот способ заключается в том, что из образующегося в ходе риформинга из угарного газа и воды синтезируется метанол.

Также было уже сказано про совмещенное производство аммиака и карбамида. Данное совмещение возможно, например, путем реакции полученного при риформинге углекислого газа с полученным аммиаком. Данный способ, конечно же, требует установки дополнительного оборудования. Тем не менее, он позволяет повысить полезную отдачу конкретного предприятия.

Еще одна особенность производства аммиака в промышленности состоит в том, что его цикличность также способствует и безотходности. Причем в ход идут как полученная энергия, так и побочные продукты. Даже сера, полученная при очистке исходного сырья, находит применение в других химических производствах. Помимо перечисленных мер происходит также постоянный поиск оптимального сочетания давления и температуры, при котором происходит процесс. Ведь от сочетания этих параметров зависит конечный выход основного продукта.

Учитывая все вышесказанное, можно с полной ответственностью сделать вывод,что современный завод по производству аммиака представляет из себя довольно сложный комплекс сооружений. Но в основе такого комплекса всегда состоит установка, разработанная в 1909 году немецким ученым Фрицем Габером, который помимо этого изобретения прославился тем, что стал «отцом химического оружия». По иронии судьбы этот ученый получил Нобелевскую премию Мира. Тем не менее, очевидно, что ценность его вклада в развитие современной химической промышленности сомнению не подлежит.

Таким образом, на примере промышленного производства аммиака можно увидеть, как годами можно совершенствовать, казалось бы, неизменный процесс. Также можно проследить, как одно изобретение может на многие года заложить развитие целой отрасли производства (причем, немаловажной) современного производства.

В настоящее время заводы по производству аммиака расположены по всему миру. Более того: постоянно строятся новые предприятия. Данный факт еще раз подчеркивает важность этого вида химического производства. Ведь во многих регионах земного шара наличие, например, азотных удобрений, стало жизненной необходимостью. Можно привести и много других примеров, но факт остается фактом. Кроме того, огромная часть продукции газодобывающей промышленности востребована именно в производстве аммиака, что позволяет ей устойчиво развиваться. На этих немногочисленных примерах достаточно хорошо видно, что роль производства аммиака переоценить довольно трудно. Поэтому можно сделать вывод, что азотная промышленность будет существовать еще долго, а продукция ее будет всегда пользоваться устойчивым спросом.

Таким образом, говоря о производстве аммиака, следует понимать, что речь идет об очень серьезном производстве, которое оказывает огромное влияние на функционирование различных сфер, как хозяйственной деятельности, так и просто жизни людей. И вполне возможно, что важность данной отрасли в будущем будет расти.

Аммиак (NH3) представляет собой химическое соединение водорода с азотом. Свое название он получил от греческого слова «hals ammniakos» или латинского «sal ammoniacus» которые переводятся одиноково - «нашатырь». Именно такое вещество под названием получали в Ливийской пустыне в оазисе Аммониум.

Аммиак считается очень ядовитым веществом, которое способно раздражать слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Первичными симптомами являются обильное слезотечение, одышка и воспаление легких. Но вместе с тем, аммиак - ценное химическое вещество, которое широко используется для получения неорганических кислот, например, азотной, синильной, а также мочевины и азотсодержащих солей. Жидкий аммиак - это превосходное рабочее вещество холодильных контейнеров и машин, так как он имеет большую удельную теплоту испарения. Водные используют как жидкие удобрения, а также для аммонизации суперфосфатов и туковых смесей.

Получение аммиака из отходящих газов в процессе коксования угля является древнейшим и весьма доступным методом, но на сегодняшний день он уже устарел и практически не используется.

Современным и основным способом является получение аммиака в промышленности на основе процесса Габера. Его суть в прямом взаимодействии азота и водорода, которое протекает в результате конверсии углеводородных газов. В качестве исходного сырья выступают обычно нефтепереработки, попутные нефтяные газы, остаточные газы от производства ацетилена. Суть метода конверсионного получения аммиака состоит в разложении метана и его гомологов при высокой температуре на составляющие: водород и с участием окислителей - кислорода и водяного пара. При этом к конвертируемому газу подмешивают воздух, обогащенный кислородом, либо атмосферный воздух. Изначально реакция получения аммиака на основе конвертируемого газа протекает с выделение тепла, но с понижением объема исходных продуктов реакции:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 кДж

Однако получение аммиака в промышленных масштабах ведется с использованием катализатора и при искусственно созданных условиях, которые позволяют увеличить выход готового продукта. В атмосфере, где проходит получение аммиака, увеличивается давление до 350 атмосфер, а температура поднимается до 500 градусов Цельсия. При таких условиях выход аммиака - около 30%. Газ удаляется из зоны реакции с помощью метода охлаждения, а азот и водород, которые не прореагировали, возвращаются обратно в колонну синтеза и снова могут участвовать в реакциях. В ходе синтеза очень важно очистить смесь газов от каталитических ядов, веществ, способных сводить на нет действие катализаторов. Такими веществами являются пары воды, СО, As, P, Se, O2, S.

В качестве катализатора в реакциях синтеза азота и водорода выступает пористое железо с примесями оксидов алюминия и калия. Только это вещество, из всех 20 тысяч ранее перепробованных, позволяет достичь равновесного состояния реакции. Такой принцип получения аммиака считается самым экономичным.

Получение аммиака в лаборатории основано на технологии вытеснения его из аммониевых солей сильными щелочами. Схематически эта реакция представлена следующим образом:

2NH4CI + Ca(OH)2 = 2NH3 + CaCl2 + 2H2O

NH4Cl + NaOH = NH3 + NaCl + H2O

Чтобы удалить лишнюю влагу и осушить аммиак, его пропускают через смесь едкого натра и извести. Получение аммиака очень сухого достигается в результате растворения в нем металлического натра и последующей перегонки смеси. Чаще всего такие реакции проводят в закрытой металлической системе под вакуумом. Причем такая система должна выдержать высокое давление, которое достигается выделяющимися парами аммиака, до 10 атмосфер при комнатной температуре.

Влияние температуры, давления и катализаторов на скорость протекания реакций и химические равновесия активно используется в химической промышленности при получении многих химических продуктов. В данном разделе мы познакомимся с промышленным получением аммиака и подробно остановимся на том, как влияют на его производство все указанные факторы. Затем мы познакомимся с промышленным получением серной кислоты.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ АММИАКА

В Великобритании имеется восемь заводов по выпуску аммиака. Их совместная производительность превышает 2 млн. тонн в год. В настоящее время во всем мире ежегодно производится приблизительно 5 млн. тонн аммиака. На рис. 7.1 рост производства аммиака сопоставлен с ростом населения земного шара. Для чего необходимо производить столь большое количество аммиака?

Рис. 7.1. Рост населения земного шара и мирового производства аммиака.

Таблица 7.2. Применения аммиака и родственных продуктов

Главным образом он необходим для получения азотсодержащих удобрений. изготовление удобрений расходуется приблизительно 80% всего получаемого аммиа] Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме в котором нуждается большинство растений. Остальные 20% производимого аммиа используются для получения полимеров, взрывчатых веществ и других продукт! Различные применения аммиака указаны в табл. 7.2.

Производство аммиака

Первым промышленным процессом, который использовался для получения аммиа был цианамидный процесс. При нагревании извести и углерода получали карб кальция Затем карбид кальция нагревали в атмосфере азота и получг цианамид кальция . Аммиак получили гидролизом цианамида кальция:

Этот процесс требовал больших затрат энергии и был неэкономичен.

В 1911 г. Ф. Габер обнаружил, что аммиак можно синтезировать непосредствет из азота и водорода, используя железный катализатор. Первый завод по производс аммиака этим методом использовал водород, который получали электролизом во, Впоследствии водород стали получать из воды путем восстановления коксом. Э способ получения водорода намного экономичнее.

Фриц Габер (1868 1934)

В 1908 г. немецкий химик Габер обнаружил, что аммиак можно получать водорода и атмосферного азота на железном катализаторе. Для проведения этого процесса необходимы высокие давление и умеренно высокая температура. Открытие Габера позволило Германии продолжать производство взрывчатых веществ во время первой мировой войны. В это время блокада Антанты препятствовала ввозу в Германию природных залежей нитрата калия (чилийской селитры), которыми пользовалась прежде в качестве сырья для производства взрывчатых веществ.

Через год, после того как Габер разработал процесс синтеза аммиака, создал стеклянный электрод для измерения pH (кислотно-основных свойств) растворов (см. гл. 10).

Габер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 г. После прихода Гитлера к власти Габер был вынужден эмигрировать из Германии в 1933 г.

(Производство азотной кислоты и нитратов из аммиака описано в разд. 1)

Современный процесс производства аммиака

Современный процесс получения аммиака основан на его синтезе из азота и водорода при температурах 380-450°С и давлении 250 атм с использованием железного катализатора:

Азот получают из воздуха. Водород получают восстановлением воды (пара) с помощью метана из природного газа либо из лигроина. Лигроин (нафта) представляет собой жидкую смесь алифатических углеводородов, которая получается при переработке сырой нефти (см. гл. 18).

Работа современного аммиачного завода очень сложна. На рис. 7.2 показана упрощенная схема действия аммиачного завода, работающего на природном газе. Эта схема действия включает восемь стадий.

1-я стадия. Удаление серы из природного газа. Это необходимо, поскольку сера представляет собой каталитический яд (см. разд. 9.2).

2-я стадия. Получение водорода восстановлением пара при 750°С и давлении 30 атм с помощью никелевого катализатора:

3-я стадия. Впуск воздуха и сгорание части водорода в кислороде вводимого воздуха:

В результате получается смесь водяного пара, моноксида углерода и азота. Водяной пар восстанавливается с образованием водорода, как на 2-й стадии.

4-я стадия. Окисление моноксида углерода, образующегося на стадиях 2 и 3, до диоксида углерода по следующей реакции «сдвига»:

Этот процесс проводится в двух «реакторах сдвига». В первом из них используется катализатор из оксида железа и процесс проводится при температуре порядка 400°С. Во втором используется медный катализатор и процесс проводится при температуре 220°С.

Рис. 7.2. Стадии промышленного процесса получения аммиака.

5-я стадия. Вымывание диоксида углерода из газовой смеси при помощи буферного щелочного раствора карбоната калия или раствора какого-либо амина, например этаноламина . Диоксид углерода в конце концов сжижают и используют для производства мочевины, либо выпускают в атмосферу.

6-я стадия. После 4-й стадии в газовой смеси остается еще около 0,3% моноксида углерода. Поскольку он может отравлять железный катализатор во время синтеза аммиака (на 8-й стадии), моноксид углерода удаляют путем конверсии водородом в метан на никелевом катализаторе при температуре 325°С.

7-я стадия. Газовую смесь, которая теперь содержит приблизительно 74% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; при этом ее давление возрастает от 25-30 атм до 200 атм. Поскольку это приводит к повышению температуры смеси, ее сразу же после сжатия охлаждают.

8-я стадия. Газ из компрессора поступает теперь в «цикл синтеза аммиака». Схема, приведенная на рис. 7.2, дает упрощенное представление об этой стадии. Сначала газовая смесь попадает в каталитический конвертер, в котором используется железный катализатор и поддерживается температура 380-450°С. Газовая смесь, выходящая из этого конвертера, содержит не более 15% аммиака. Затем аммиак сжижают и направляют в приемный бункер, а непрореагировавшие газы возвращают в конвертер.

Выбор оптимальных условий процесса синтеза аммиака

Чтобы процесс синтеза аммиака был максимально эффективным и экономичным, необходимо тщательно подобрать условия его проведения. Важнейшими показателями, которые учитываются при этом, являются: 1) выход, 2) скорость и 3) энергоемкость процесса. Обратимся к 8-й стадии процесса, т. е. непосредственно к синтезу аммиака, и исследуем влияние давления, температуры и катализаторов на эффективность этого процесса.

Влияние давления. Как сказано выше, получение аммиака может быть представлено следующим уравнением:

Константа равновесия этой реакции определяется выражением

Если выразить входящие в это выражение парциальные давления газов через их мольные доли и полное давление Р в системе, получится такое выражение:

Это выражение можно упростить, придав ему вид

При заданной температуре величина должна оставаться постоянной. Если полное давление Р в системе повысится, член в приведенном выше выражении должен уменьшиться. Отсюда следует, что, поскольку величина должна оставаться постоянной, отношение Должно увеличиться. Таким образом, повышение полного давления должно привести к увеличению и уменьшению Следовательно, повышение давления благоприятствует протеканию прямой реакции, т. е. повышению выхода аммиака.

Влияние температуры и катализаторов. Синтез аммиака представляет собой экзотермический процесс (см. табл. 7.1, а). Следовательно, повышение температуры должно благоприятствовать протеканию обратной реакции (см. предыдущий раздел). Это означает, что понижение температуры должно повышать выход реакции синтеза аммиака (рис. 7.3). К сожалению, однако, при низких температурах очень замедляется скорость этой реакции, а следовательно, и скорость получения аммиака. Другими словами, при низких температурах процесс должен иметь низкую производительность, а значит, низкую экономичность. Для достижения оптимальной производительности необходимо выбрать компромиссный вариант между двумя крайними возможностями:

1) высоким выходом и низкой скоростью реакции (при низких температурах) и

2) низким выходом и высокой скоростью реакции (при высоких температурах).

Рис. 7.3. Влияние температуры и давления на выход аммиака в процессе Габера (термин «относительный выход» объясняется в разд. 4.2).

Разумеется, скорость реакции повышается благодаря использованию катализатора. Таким образом, катализатор позволяет проводить процесс эффективнее при низких температурах. Эффективность железного катализатора, используемого для синтеза аммиака, повышается, если к нему добавляют так называемые промоторы. Для промотирования эффективности железного катализатора используются оксиды калия и алюминия.

Обстоятельное рассмотрение экономичности процесса синтеза аммиака показывает, что для достижения оптимального выхода и производительности следует поддерживать температуру приблизительно равной 400°С, а давление равным 250 атм.

Энергетический баланс

Обычный аммиачный завод производит ежесуточно около 1000 т аммиака. При этом потребность в водяном паре составляет 6000 т/сут, чтобы приводить в действие паровые турбины, от которых работают компрессоры. К счастью, химические процессы, проводимые при получении аммиака, являются экзотермическими. Вся энергия, которая высвобождается на ранних стадиях процесса производства аммиака, используется для получения сильно сжатого пара. Энергия, которая высвобождается непосредственно при самом синтезе аммиака (8-я стадия), используется для поддержания температуры каталитического конвертера на уровне 400°С. Общая тепловая эффективность аммиачного завода составляет около 60%. Другими словами, приблизительно 40% затрачиваемой энергии, которая обеспечивается природным газом, составляют тепловые потери.

Особенности проектирования аммиачного завода

Конструирование современного аммиачного завода, комплектование его штатов и эксплуатация требуют участия квалифицированных специалистов и применения сложного инженерного оборудования. Например, компрессоры, используемые на 3-й стадии процесса для сжатия воздуха и на 7-й стадии для сжатия синтез-газа (смеси азота и водорода) должны быть рассчитаны на то, чтобы выдерживать очень высокие давления - в некоторых случаях до 350 атм. Эти компрессоры приводятся в действие паровыми турбинами, в которые поступает пар под давлением в 100 атм и при температуре выше 400°С. Такие турбины вращаются со скоростью, достигающей нескольких тысяч оборотов в минуту.

Реакторы, в которых проводится синтез аммиака, тоже должны удовлетворять очень высоким требованиям. При повышенных давлениях и температурах, при которых работают эти реакторы, водород может воздействовать на сталь, диффундируя в металл. В результате водород вступает в реакцию с углеродом, содержащимся в стали, и образует метан. Это приводит к возникновению раковин в металле и делает сталь хрупкой. Чтобы воспрепятствовать этому, реакторы конструируют из специальных сплавов, содержащих хром, молибден и никель.

Расположение аммиачного завода тоже имеет важное экономическое значение. В идеальном случае такой завод должен располагаться вблизи от 1) источников энергии;

2) источников воды, которая может использоваться в больших количествах;

3) транспортных магистралей: шоссейных дорог, железных дорог, реки или моря.

Четыре аммиачных завода Великобритании расположены вблизи Биллингема на р. Тей (в Шотландии). Это место было выбрано в свое время по причине близости от угольных залежей в Дархеме. Оно оказалось удобным и в настоящее время из-за своей близости к залежам нефти и газа в континентальном шельфе Северного моря.

Цели урока.

• Образовательная - в ходе урока обеспечить формирование новых знаний учащихся об аммиаке, его строении, свойствах, получении и применении.
• Рассмотреть строение молекулы аммиака. Познакомить учащихся с водородной связью. Изучить свойства аммиака. Рассмотреть донорно-акцепторный механизм образования химической связи
• Развивающая - умение сравнивать, обобщать, развивать мышление, интерес к предмету.
• Воспитательная - поведение в кабинете химии, наблюдательность при просмотре видеосюжета, формировать информационную и коммуникативную культуру.

Оборудование. Аммиачная вода, кристаллические NH4Cl и Ca(OH)2, фенолфталеин, прибор для получения газов, HCl (конц), KMnO4 (для получения О2), KI, крахмал, лакмусовая бумажка, кристаллизатор, цилиндр, стеклянные палочки, лабораторный штатив.

ХОД УРОКА

I. Актуализация опорных знаний.

Проводим химическую разминку.

а) назовите возможные степени окисления азота,

б) в каких случаях азот будет проявлять окислительные свойства, и в каких - восстановительные?

в) перечислите физические свойства азота.

г) в чем причина химической инертности азота?

д) при каких условиях азот вступает в реакции с другими веществами?

е) в каком виде азот встречается в природе?

з) какова роль азота в жизни природы?

II. Изучение нового материала.

1. Строение молекулы.

Открывая дверцу холодильника, вы ощущаете холод. Так какое же вещество является причиной этому явлению?

Работа в парах.

Инструкция №1.

1. Напишите уравнения реакции водородных соединений азота.

2. Изобразите электронную и структурную формулу этого соединения.

3. Определите химическую связь в этой молекуле.

4. Какую особенность электронного строения вы видите у атома азота?

Учащиеся работают самостоятельно в парах с учебником с.47-48

Затем, проверяем правильность выполненного задания через мультимедиa (слайд №1, 2, 3 и 4) Презентация .

2. Определить физические свойства аммиака.

Проблемный вопрос. В чем причина хорошей растворимости аммиака в воде?

Кристаллическая решетка аммиака- молекулярная; молекула легкая, но в отличие от молекулы азота - полярная.

Отсюда, какие температуры кипения и плавления должен иметь аммиак?

Учащиеся: можно предположить, что - низкие.

Потому, что полярность молекулы дает возможность подключать электростатические силы притяжения к просто межмолекулярным силам.

Строение молекулы позволяет прогнозировать и хорошую растворимость в воде.

Это связано с возникновением между его молекулами особой химической связи- водородной. (слайд №5). У атома азота имеется свободная электронная пара в молекуле аммиака, наличие частичного (+) заряда на атоме водорода и наличие частичного (-) заряда на атоме азота.

Водородной называется связь между атомами водорода одной молекулы и атомами электроотрицательных элементов другой молекулы (F, O, N). (слайд№5)

Вывод: аммиак при повышении давления переходит в жидкое состояние. Испарение жидкого аммиака при понижении давления сопровождается сильным охлаждением окружающих предметов. Используется это свойство в холодильных установках.

• Аммиак- бесцветный газ.
• От него во рту першит.
• Щиплет нос и щиплет глаз.
• Аммиак - он ядовит!
• Аммиак - он растворитель.
• С газа в жидкость переходит
• Аммиак - диамагнит.
• Так же ток он не проводит.
• Сухой аммиак
• На воздухе взрывается.
• В воде растворяется.
• Взрывчатые вещества, удобрения

Вот не полный список его применения.

3. Получение аммиака в лаборатории.

Демонстрируем опыт. Нагреваем смеси хлорида аммония с гидроксидом кальция.

2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 3 + H 2 O

Полученный аммиак растворяем в воде, в которую добавляем фенолфталеина. Раствор аммиака окрашивается в малиновый цвет.

Почему раствор аммиака окрасился в малиновый цвет?

Учащиеся : в растворе присутствует ион гидроксида, среда щелочная.

Учитель . В аммиачной воде большая часть аммиака содержится в виде молекул NH3, равновесие смещено влево, (т.к. NH3 - слабый электролит)и такая вода содержит много молекул NH3, поэтому она пахнет аммиаком. Показываю, как правильно обращаться с растворами сильно пахнущих веществ.

Демонстрируем обесцвечивание окрашенной фенолфталеином аммиачной воды при нагревании. Почему это произошло?

Учащиеся : непрочное соединение.

При нагревании растворимость газов (NH3-газ) уменьшается, аммиак улетучивается, равновесие реакции еще больше смещается влево, гидроксид-ион (ОН) практически не остается в растворе. Водный раствор становится нейтральным.

Проблемный вопрос: из какого сырья и какими способами можно производить азотные удобрения?

Учащиеся предполагают, что из азота воздуха.

Задача эта была выдвинута перед отечественной наукой Д.И.Менделеевым, который писал: "Одну из задач прикладной химии составляет отыскание технически выгодного способа получения из азота воздуха его соединений, заключающих ассимилируемый азот. Будущность сельского хозяйства много зависит от открытия подобного способа".

Экономически наиболее выгодный способ промышленного связывания атмосферного азота - синтез аммиака из азота и водорода:

Учитель : Дайте характеристику данной реакции.

Учащиеся :

• экзотермическая
• обратимая
• каталитическая
• гетерогенная
• с уменьшением объема

Учитель : какие условия смещения равновесия необходимо для увеличения выхода аммиака?

Учащиеся : уменьшение температуры, увеличение давления.

Выход аммиака невелик, и вести промышленный синтез с такими показателями нерентабельно.

Обсуждаем с учащимися вопрос о возможностях повышения практического выхода аммиака. Важным критерием эффективности производства является производительность реактора. Анализ количественных данных о росте концентрации аммиака в азото - водородной смеси по мере протекания реакции позволяет прийти к в ы в о д у: производительность реактора можно увеличить путем уменьшения времени реакции. При этом снижается выход аммиака за один проход газовой смеси через реактор, а непрореагировавший газ можно снова вернуть в производство. Таким образом, идея циркуляции - важный технологический принцип, экономически целесообразный, повышающий производительность реактора. Необходимы требования к качеству сырья, в нем должно содержаться возможно меньше таких примесей, как аргон, метан. Сырье должно быть тщательно очищено от ядовитых для катализатора веществ(например, от соединений серы). Катализатором для синтеза аммиака является железо, активированное добавками(оксидами алюминия и калия) для придания высокой стабильной активности.

4. Образование катиона аммония идет по донорно-акцепторному механизму.

Атом азота имеет свободную электронную пару, за счет которой и формируется еще одна ковалентная связь с катионом водорода, переходящего к аммиаку от молекул воды или кислот. (слайд № 6)

К молекуле аммиака по этому механизму присоединяется катион водорода +Н из молекулы воды и образуется ион +NH4, в котором три ковалентные связи образуются по обменному механизму, а четвертая - по донорно- акцепторному механизму. Тем не менее все связи равноценны.

5. Химические свойства.

а) растворимость аммиака в воде.

Демонстрируем опыт: наполненную аммиаком пробирку опускаем в кристаллизатор с водой, в которую добавили немного фенолфталеина. Вода быстро заполняет пробирку, а раствор аммиака окрашивается в малиновый цвет.

Растворимость аммиака в воде очень велика- в 1 объеме воды растворяется 700 объемов аммиака. Почему аммиак хорошо растворяется в воде?

Учащиеся . Причина - образование водородных связей.

Учитель : какую среду имеет водный раствор аммиака?

Учащиеся : щелочную.

Учитель : так какими же свойствами должен обладать водный раствор аммиака?

Учащиеся : основными.

Какой вывод из этого мы можем с вами заключить?

Вывод : водный раствор аммиак является основанием.

Учитель : если водный раствор аммиака основание, то с какими веществами он будет взаимодействовать?

Учащиеся : с кислотами.

Демонстрируем опыт: "дым без огня", подносим друг к другу две стеклянные палочки, смоченные концентрированными растворами аммиака и соляной кислоты. Между этими палочками появляется обильный дым.

Напишите в полном и кратком ионном видах уравнения реакцию водного раствора аммиака с соляной кислотой.

Один ученик записывает уравнение реакций у доски, затем проверяем записи в своих тетрадях.

NH 3 +HCl = NH 4 Cl

Учитель : какая соль образовалась и дать ей название?

Учащиеся дают название этой соли.

Образование катиона аммония при взаимодействии с кислотами идет по донорно- акцепторному механизму.

Обращаем внимание учащихся, что донором является азот, а акцептором- водород, т.к. у азота имеется свободная электронная пара, а у водорода свободная орбиталь.

В аммиаке азот имеет низшую с.о. (-3).

Так, чем же будет являться аммиак в окислительно-восстановительных реакциях?

Смотрим видеосюжет взаимодействие аммиака с кислородом (с катализатором и без него).

После просмотра видеосюжета прошу ребят написать уравнения реакций с кислородом, проставить с.о. и коэффициенты методом электронного баланса.

Правильность написание уравнений проверяем (слайд№ 7, 8)

Вывод : азот в аммиаке имеет низшую с.о. (-3), поэтому азот может только отдавать электроны, повышая свою с.о., отсюда - аммиак проявляет только восстановительные свойства. Химические свойства аммиака идут с изменением с.о. азота и с образованием ковалентной связи по донорно- акцепторному механизму.

III. Закрепление:

а) по какими признаками можно распознать аммиак? (по запаху; по окрашиванию влажной индикаторной бумаги - синеет; по появлению дыма при поднесении стеклянной палочки, смоченной концентрированной соляной кислотой).

б) какой тип реакции при взаимодействии аммиака с кислотами? (соединения)

в) написать уравнения реакции аммиака с ортофосфорной кислотой и дать названия полученных солей.

IV. Домашнее задание $17 c.52 упр.6,7,9- 1уровень; 6-11- 2 уровень. Подготовить сообщение о применении и значение аммиака.