Amoniak- wzór
Amoniak (nazwa systematyczna azan) to związek azotu z wodorem o wzorze sumarycznym \(NH_3\), w którym azot występuje na -III stopniu utlenienia. Amoniak w temperaturze pokojowej jest bezbarwnym gazem o charakterystycznym ostrym zapachu. Gazowy amoniak jest żrący, ma charakter zasadowy i bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. Wodny roztwór amoniaku nazywany jest wodą amoniakalną. Zasadowe właściwości amoniaku wynikają ze struktury cząsteczki \(NH_3\). Atom azotu w tej cząsteczce ma hybrydyzację \(sp^3\), a cała cząsteczka ma kształt piramidy o podstawie trójkąta. Atomy azotu tworzą naroża podstawy, a wolna para elektronowa stanowi wierzchołek piramidy. Dzięki obecności tej wolnej pary elektronowej, cząsteczka amoniaku może łatwo przyjąć proton, tworząc tetraedryczny kation \(NH_4^+\), nazywany jonem amonowym. Reakcję tworzenia jonu amonowego opisuje równanie 1. Kation amonowy swoimi rozmiarami przypomina jon \(K^+\), jednak ma zdolność do tworzenia wiązań wodorowych, co istotnie wpływa na strukturę soli amonowych. W obecności bardzo silnych zasad, amoniak może zachowywać się jak słaby kwas i oddawać proton, tworząc anion amidkowy \(NH_2^-\). Reakcję tworzenia jonu amidowego pod wpływem dowolnej silnej zasady oznaczonej jako \(B^-\) opisuje równanie (2). Zdolność reakcji zarówno z kwasami jak i zasadami określana jest mianem amfoteryczności.
\(NH_3 + H_3O^+ \Leftrightarrow NH_4^+ + H_2O\) (1)
\(NH_3 + B^- \Leftrightarrow NH_2^- + BH^+\) (2)
Amoniak w przyrodzie i organizmach żywych
Śladowe ilości amoniaku obecne są w atmosferze, powstaje on z rozkładu materii organicznej. Minerały amonowe są rzadkie, ponieważ sole amonowe są dobrze rozpuszczalne w wodzie.
Amoniak w postaci soli amonowych jest jednym z najważniejszych źródeł azotu dla organizmów żywych: kation \(NH_4^+\) jest jednym z podstawowych substratów w syntezie aminokwasów i amin biogennych.
Otrzymywanie amoniaku
Amoniak jest otrzymywany w bardzo dużych ilościach na skalę przemysłową. Główna metodą przemysłowej syntezy amoniaku jest proces Habera-Boscha, w którym azot reaguje z wodorem w obecności katalizatora żelazowego, w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Wodór potrzebny do procesu otrzymywany jest najczęściej z gazu ziemnego, w procesie reformingu parowego.
Twórca procesu, prof. Fritz Haber, został nagrodzony Nagrodą Nobla w 1918 roku. Udoskonalenia procesu związane z techniką prowadzenia procesu przemysłowego pod wysokim ciśnieniem, dokonane przez Carla Boscha zostały również nagrodzone ½ Nagrody Nobla w roku 1931.
Zastosowania amoniaku
Amoniak znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle: do produkcji kwasu azotowego(V) i nawozów azotowych (np. azotanu amonu). W rozcieńczonych roztworach używany jest również jako środek czyszczący. Amoniak stosowany jest również jako środek przeciwdrobnoustrojowy w konserwacji żywności, szczególnie wołowiny.
Bardzo ważnym polem wykorzystania amoniaku jest przemysł farmaceutyczny i przemysł lekkiej syntezy organicznej, które wykorzystują amoniak jako element budulcowy szeregu substancji leczniczych (głównie organicznych) oraz chemikaliów takich jak np. barwniki.
Pochodne amoniaku
Wśród pochodnych amoniaku można wyróżnić dwie ważne klasy pochodnych jonowych – sole amonowe, zawierające kation \(NH_4^+\) oraz rzadziej spotykana grupa – amidki, zawierające jon amidkowy \(NH_2^-\) (amidki stosowane są głównie jako bardzo mocne zasady w laboratoriach chemicznych).
Organiczne pochodne amoniaku, w których atomy wodoru zastąpione są atomami węgla, to aminy, iminy, amidy lub aminokwasy. Aminy są najbardziej bezpośrednimi analogami amoniaku. Tak jak w amoniaku – atom azotu ma hybrydyzację \(sp^3\) i połączone są z nim 3 podstawniki, z których co najmniej jednym jest węglowodorowy atom węgla (o charakterze alifatycznym lub aromatycznym). W zależności od ilości atomów wodoru wymienionych na węgiel wyróżniamy aminy pierwszorzędowe (1 atom węgla przy N), drugorzędowe (2 atomy węgla przy N) i trzeciorzędowe (wszystkie atomy wodoru wymienione). Organicznym odpowiednikiem kationu \(NH_4^+\) są jony amoniowe, \(NR_4^+\), w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione podstawnikami węglowymi tak, jak w aminach. Amidy to związki, w których atom azotu połączony jest z grupą karbonylową C=O i ma hybrydyzację \(sp^2\). Wiązanie węgiel-azot w amidach ma częściowo charakter wiązania podwójnego, a cały układ jest płaski. Iminy to związki, w których azot „amoniakalny” połączony jest z jednym atomem węgla wiązaniem podwójnym i ma hybrydyzację \(sp^2\). Iminy są nazywane zasadami Schiffa. Ostatnią z wymienionych grup pochodnych azotu są aminokwasy – związki organiczne, które zawierają grupę aminową i karboksylową (są jednocześnie aminami i kwasami karboksylowymi).