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氨气

氨气,Ammonia, NH3,无色气体。有强烈的刺激气味。密度 0.7710。相对密度0.5971(空气=1.00)。易被液化成无色的液体。在常温下加压即可使其液化(临界温度132.4℃,临界压力11.2兆帕,即112.2大气压)。沸点-33.5℃。也易被固化成雪状固体。熔点-77.75℃。溶于水、乙醇和乙醚。在高温时会分解成氮气和氢气,有还原作用。有催化剂存在时可被氧化成一氧化氮。用于制液氮、氨水、硝酸、铵盐和胺类等。可由氮和氢直接合成而制得,能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜,人吸入过多,能引起肺肿胀,以至死亡 [1]

氮原子有5个价电子,其中有3个未成对,当它与氢原子化合时,每个氮原子可以和3个氢原子通过极性共价键结合成氨分子,氨分子里的氮原子还有一个孤对电子。氨分子的空间结构是三角锥型,极性分子。

相对分子质量 17.031 [1]

氨气在标准状况下的密度为0.771g/L

临界点132.4℃

蒸汽压 506.62kPa(4.7℃)

熔点-77.7℃;沸点-33.5℃

溶解性:极易溶于水(1:700)

相对密度(水)0.82(-79℃)

相对密度(空气)0.5971

自燃点651.1℃

临界压力11.2mPa

临界体积72.47cm3/mol

临界密度0.235g/cm3

临界压缩系数0.242

液体热膨胀系数,25℃时 0.0025 1/℃

表面张力,25℃时 19.75×10-3 N/m,19.75dyn/cm

汽化热,沸点下 1336.97kj/kg,574.9BTU/1b

熔化热,熔点下 332.16kj/kg,142.83BTU/1b

气体定压比热容cp,25℃时 2.112kj/(kg* k),0.505BTU/(1bR)

气体定容比热容cp,25℃时 1.624kj/(kg* k),0.388BTU/(1bR)

气体比热容比,cp/cv 1.301

气体摩尔熵,25℃时 192.67j/(mol*k )

气体摩尔生成焓,25℃时 -45.9kj/mol

气体黏度,25℃时 101.15×10-7Pa *s,101.15μP

液体黏度 ,25℃时 0.135mPa *s,0.082cp

燃烧热,25℃(77oF)气态时 18603.1kj/kg,7999.3BTU/1b

空气中爆炸低限含量16.1%( φ )

空气中爆炸高限含量25%( φ )

1)跟水反应

氨在水中的反应可表示为:NH3+H2O=NH3H2O [2]

一水合氨不稳定受热分解生成氨和水

氨水在中学化学实验中三应用

①用蘸有浓氨水的玻璃棒检验HCl等气体的存在

②实验室用它与铝盐溶液反应制氢氧化铝

③配制银氨溶液检验有机物分子中醛基的存在。

2)跟酸反应

NH3+HNO3===NH4NO3

2NH3+H2SO4===(NH4)2SO4

NH3+HCl===NH4Cl

3NH3+H3PO4===(NH4)3PO4

NH3+CH3COOH===CH3COONH4

NH3+CO2+H2O===NH4HCO3

3)在纯氧中燃烧

4NH3+3O2==点燃==2N2+6H2O

4催化氧化

4NH3+5O2=催化剂加热=4NO+6H2O

该反应是放热反应,是工业制硝酸的第一步。

5)与碳的反应

NH3+C=加热=HCN+H2(剧毒氰化氢)

6)液氨的自偶电离

液氨的自偶电离为:

2NH3==(可逆)NH2+ NH4K=1.9×10^-30(223K)

7)取代反应

取代反应的一种形式是氨分子中的氢被其他原子或基团所取代,生成一系列氨的衍生物。另一种形式是氨以它的氨基或亚氨基取代其他化合物中的原子或基团,例如:

COCl2+4NH3==CO(NH2)2+2NH4Cl

HgCl2+2NH3==Hg(NH2)Cl+NH4Cl

这种反应与水解反应相类似,实际上是氨参与的复分解反应,故称为氨解反应。

8)与水、二氧化碳

NH3+H2O+CO2==NH4HCO3

此反应可逆,碳酸氢铵受热会分解

NH4HCO3=(加热)=NH3+CO2+H2O

9)与氧化物反应

3CuO+2NH3==加热==3Cu+3H2O+N2

这是一个氧化还原反应,采用氨气与氧化铜共热,体现了氨气的还原性。

10氨水(NH3H2O)对大部分物质没有腐蚀性,但可腐蚀许多金属,在有水汽存在的条件下对铜、银等金属有腐蚀性,一般若用铁桶装氨水,铁桶应内涂沥青。

11NH3能使湿润的紫色石蕊试纸变蓝。 电离方程式在水中产生少量氢氧根离子,呈弱碱性。

工业上氨是以哈伯法通过N2和H2在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成:

工业上制氨气

N2+3H2==高温高压催化剂===2NH3(可逆反应)

△rHθ =-92.4kJ/mol

工业制氨绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。氮气主要来源于空气;氢气主要来源于含氢和一氧化碳的合成气(纯氢也来源于水的电解)。由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。从燃料化工来的原料气含有硫化合物和碳的氧化物,它们对于合成氨的催化剂是有毒物质,在氨合成前要经过净化处理。

1、哈伯法制氨:
  高温高压
  N2(g)+3H2(g)========2NH3(g)(可逆反应) △rHθ=-92.4kJ/mol

催化剂

2、天然气制氨 [3] :天然气先经脱硫,然后通过二次转化,再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序,得到的氮氢混合气,其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1%~0.3%(体积),经甲烷化作用除去后,制得氢氮摩尔比为3的纯净气,经压缩机压缩而进入氨合成回路,制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。

3、重质油制氨 [3] :重质油包括各种深度加工所得的渣油,可用部分氧化法制得合成氨原料气,生产过程比天然气蒸汽转化法简单,但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化,氮用于氨合成原料。

4、煤(焦炭)制氨 [3] :煤直接气化(见煤气化)有常压固定床间歇气化、加压氧-蒸汽连续气化等多种方法。例如早期的哈伯-博施法合成氨流程,以空气和蒸汽为气化剂,在常压、高温下与焦炭作用,制得含(CO+H2)/N2摩尔比为3.1~3.2的煤气,称为半水煤气。半水煤气经洗涤除尘后,去气柜,经过一氧化碳变换,并压缩到一定压力后,用加压水洗涤除去二氧化碳,再进一步用压缩机压缩后用铜氨液进行洗涤,以除去少量一氧化碳、二氧化碳,然后送去合成氨。

氨气

Li3N + 3H2O === 3LiOH + NH3

实验室快速制得氨气的方法

用浓氨水加固体NaOH制备氨气

铵盐是氨与酸作用得到铵盐 [1] ,铵盐是由铵根离子(NH4+)和酸根离子组成的化合物。一般为无色晶体,易溶于水,是强电解质。从结构来看,NH4+离子和Na+离子是等电子体。NH4+离子的半径比Na+离子的大,而且接近于K+离子,一般铵盐的性质也类似于钾盐,如溶解度,一般易溶,易成矾。铵盐和钾盐是同晶型等,在化合物分类中常把铵盐和碱金属盐归为一类。

1.水解

因为氨是弱碱,铵盐是弱碱强酸盐或弱碱弱酸盐,前者水解后溶液显酸性:

NH4++H2O== NH3H2O+H+

2.受热分解

所有的铵盐加热后都能分解,其分解产物与对应的酸以及加热的温度有关。分解产物一般为氨和相应的酸。如果酸具有氧化性,则在加热条件下,氧化性酸和产物氨将进一步反应,使NH3氧化为N2或其氧化物:

碳酸氢铵最易分解,分解温度为30℃:

氯化铵受热分解成氨气和氯化氢。这两种气体在冷处相遇又可化合成氯化铵。

硝酸铵受热分解的产物随温度的不同而不同。加热温度较低时,分解生成硝酸和氨气:

温度再高时,产物又有不同;在更高的温度或撞击时还会因分解产物都呈气体而爆炸。

硫酸铵要在较高的温度才分解成NH3和相应的硫酸。强热时,还伴随有氨被硫酸氧化的副反应,所以产物就比较复杂。

3.跟碱反应放出氨气

实验室里就是利用此反应来制取氨,同时也利用这个性质来检验铵离子的存在。

在常温,常压下,一体积的水中能溶解700体积的氨。

在干燥的圆底烧瓶里充满氨气,用带有玻璃管和滴管(滴管里预先吸入水)的塞子塞紧瓶口。立即倒置烧瓶,使玻璃管插入盛水的烧杯里(水里事先加入少量的酚酞试液),把实验装置装好后。打开橡皮管的夹子,挤压滴管的胶头,使少量的水进入烧瓶。观察现象。

实验的基本原理是使烧瓶内外在短时间内产生较大的压强差,利用大气压将烧瓶下面烧杯中的液体压入烧瓶内,在尖嘴导管口形成喷泉。

方法一:

用湿润的红色石蕊试纸检验,试纸变蓝证明有氨气。

方法二:

用玻璃棒蘸浓盐酸或者浓硝酸靠近,产生白烟,证明有氨气。
  
  方法三:
  
氨气检测仪表可以定量测量空气中氨气的浓度。

吸入的危害表现 

氨的刺激性是可靠的有害浓度报警信号。但由于嗅觉疲劳,长期接触后对低浓度的氨会难以察觉。吸入是接触的主要途径,吸入氨气后的中毒表现主要有以下几个方面 [4]

轻度吸入氨中毒表现有鼻炎、咽炎、喉痛、发音嘶哑。氨进入气管、支气管会引起咳嗽、咯痰、痰内有血。严重时可咯血及肺水肿,呼吸困难、咯白色或血性泡沫痰,双肺布满大、中水泡音。患者有咽灼痛、咳嗽、咳痰或咯血、胸闷和胸骨后疼痛等。

急性吸入氨中毒的发生多由意外事故如管道破裂、阀门爆裂等造成。急性氨中毒主要表现为呼吸道粘膜刺激和灼伤。其症状根据氨的浓度、吸入时间以及个人感受性等而轻重不同。

急性轻度中毒:咽干、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、咳痰,胸闷及轻度头痛,头晕、乏力,支气管炎和支气管周围炎。

急性中度中毒:上述症状加重,呼吸困难,有时痰中带血丝,轻度发绀,眼结膜充血明显,喉水肿,肺部有干湿性哕音。

急性重度中毒:剧咳,咯大量粉红色泡沫样痰,气急、心悸、呼吸困难,喉水肿进一步加重,明显发绀,或出现急性呼吸窘迫综合症、较重的气胸和纵隔气肿等。

严重吸入中毒:可出现喉头水肿、声门狭窄以及呼吸道粘膜脱落,可造成气管阻塞,引起窒息。吸入高浓度的氨可直接影响肺毛细血管通透性而引起肺水肿,可诱发惊厥、抽搐、嗜睡、昏迷等意识障碍。个别病人吸入极浓的氨气可发生呼吸心跳停止。

皮肤和眼睛接触的危害表现 

低浓度的氨对眼和潮湿的皮肤能迅速产生刺激作用。潮湿的皮肤或眼睛接触高浓度的氨气能引起严重的化学烧伤。急性轻度中毒:流泪、畏光、视物模糊、眼结膜充血。

皮肤接触可引起严重疼痛和烧伤,并能发生咖啡样着色。被腐蚀部位呈胶状并发软,可发生深度组织破坏。

高浓度蒸气对眼睛有强刺激性,可引起疼痛和烧伤,导致明显的炎症并可能发生水肿、上皮组织破坏、角膜混浊和虹膜发炎。轻度病例一般会缓解,严重病例可能会长期持续,并发生持续性水肿、疤痕、永久性混浊、眼睛膨出、白内障、眼睑和眼球粘连及失明等并发症。多次或持续接触氨会导致结膜炎。

清除污染 

如果患者只是单纯接触氨气,并且没有皮肤和眼的刺激症状,则不需要清除污染。假如接触的是液氨,并且衣服已被污染,应将衣服脱下并放入双层塑料袋内。

如果眼睛接触或眼睛有刺激感,应用大量清水或生理盐水冲洗20min以上。如患者戴有隐形眼镜,又容易取下并且不会损伤眼睛的话,应取下隐形眼镜。

对接触的皮肤和头发用大量清水冲洗15min以上。冲洗皮肤和头发时要注意保护眼睛 [5]

病人复苏 

应立即将患者转移出污染区,至空气新鲜处,对病人进行复苏三步法(气道、呼吸、循环)。

气道:保证气道不被舌头或异物阻塞。

呼吸:检查病人是否呼吸,如无呼吸可用袖珍面罩等提供通气。

循环:检查脉搏,如没有脉搏应施行心肺复苏。

初步治疗 

氨中毒无特效解毒药,应采用支持治疗。

如果接触浓度≥500ppm,并出现眼刺激、肺水肿的症状,应立即就医。

对氨吸入者,应给湿化空气或氧气。如有缺氧症状,应给湿化氧气。

如果呼吸窘迫,应考虑进行气管插管。

如皮肤接触氨,会引起化学烧伤,可按热烧伤处理:适当补液,给止痛剂,维持体温,用消毒垫或清洁床单覆盖伤面。如果皮肤接触高压液氨,要注意冻伤。

误服者给饮牛奶,有腐蚀症状时忌洗胃 [5]

氨对人体生理的影响氨无色具有强烈的刺激臭味,对人体有较大的毒性。氨气慢性中毒会引起慢性气管炎、肺气肿等呼吸系统病,急性氨中毒反映在咳嗽不止、憋气等。

(1)少量泄漏。

撤退区域内所有人员。防止吸入蒸气,防止接触液体或气体。处置人员应使用呼吸器。禁止进入氨气可能汇集的局限空间,并加强通风。只能在保证安全的情况下堵漏。泄漏的容器应转移到安全地带,并且仅在确保安全的情况下才能打开阀门泄压。可用砂土、蛭石等惰性吸收材料收集和吸附泄漏物。收集的泄漏物应放在贴有相应标签的密闭容器中,以便废弃处理。

(2)大量泄漏。

疏散场所内所有未防护人员,并向上风向转移。泄漏处置人员应穿上全封闭重型防化服,佩戴好空气呼吸器,在做好个人防护措施后,用喷雾水流对泄漏区域进行稀释。通过水枪的稀释,使现场的氨气渐渐散去,利用无火花工具对泄漏点进行封堵。

向当地政府和“119”及当地环保部门、公安交警部门报警,报警内容应包括事故单位;事故发生的时间、地点、化学品名称和泄漏量、危险程度;有无人员伤亡以及报警人姓名、电话。

禁止接触或跨越泄漏的液氨,防止泄漏物进入阴沟和排水道,增强通风。场所内禁止吸烟和明火。在保证安全的情况下,要堵漏或翻转泄漏的容器以避免液氨漏出。要喷雾状水,以抑制蒸气或改变蒸气云的流向,但禁止用水直接冲击泄漏的液氨或泄漏源。防止泄漏物进入水体、下水道、地下室或密闭性空间。禁止进入氨气可能汇集的受限空间。清洗以后,在储存和再使用前要将所有的保护性服装和设备清洗消毒 [5]

在贮存及运输使用过程中,如发生火灾应采取以下措施:

(1)报警:迅速向当地119消防、政府报警。报警内容应包括:事故单位;事故发生的时间、地点、化学品名称、危险程度;有无人员伤亡以及报警人姓名、电话。

(2)隔离、疏散、转移遇险人员到安全区域,建立500m左右警戒区,并在通往事故现场的主要干道上实行交通管制,除消防及应急处理人员外,其他人员禁止进入警戒区,并迅速撤离无关人员。

(3)消防人员进入火场前,应穿着防化服,佩戴正压式呼吸器。氨气易穿透衣物,且易溶于水,消防人员要注意对人体排汗量大的部位,如生殖器官、腋下、肛门等部位的防护。

(4)小火灾时用干粉或CO2灭火器,大火灾时用水幕、雾状水或常规泡沫。

(5)储罐水灾时,尽可能远距离灭火或使用遥控水枪或水炮扑救。

(6)切勿直接对泄漏口或安全阀门喷水,防止产生冻结。

(7)安全阀发出声响或变色时应尽快撤离,切勿在储罐两端停留 [5]

(1)氨作业工人应进行作业前体检,患有严重慢性支气管炎、支气管扩张、哮喘以及冠心病者不宜从事氨作业。

(2)工作时应选用耐腐蚀的工作服、防碱手套、眼镜、胶鞋、防毒口罩,防毒口罩应定期检查,以防失效。

(3)在使用氨水作业时,应随身备有清水,以防万一;在氨水运输过程中,应随身备有3%硼酸液,以备急救冲洗;配制一定浓度氨水时,应戴上风镜;使用氨水时,作业者应在上风处,防止氨气刺激面部;操作时要严禁用手揉擦眼睛,操作后洗净双手。

(4)预防皮肤被污染,可选用硼酸油膏。

(5)配备良好的通风排气设施、合适的防爆、灭火装置。

(6)工作场所禁止饮食、吸烟、禁止明火、火花。

(7)应急救援时,必须佩带空气呼吸器。

(8)发生泄漏时,将泄漏钢瓶的渗口朝上,防止液态氨溢出。

(9)加强生产过程的密闭化和自动化,防止跑、冒、滴、漏。

(10)使用、运输和贮存时应注意安全,防止容器破裂和冒气。

(11)现场安装氨气监测仪及时报警发现 [5]

氨用于制造氨水、氮肥(尿素、碳铵等)、复合肥料、硝酸、铵盐、纯碱等,广泛应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域。含氮无机盐及有机物中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。此外,液氨常用作制冷剂,氨还可以作为生物燃料来提供能源。


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