سنتز آمونیاك
آمونیاك یكی از اجزا اصلی سازنده بوجود آورنده كودهای شیمیایی و مواد محترقه و انواع محصولات و تركیبات شیمیایی مهم است. و در ساختمان آلی آمونیاك یك قطعه توده ای برای پروتئین و دیگر تركیبات نیتروژنی مانند مبنایی برای DNA می باشد.
آمونیاك از اجزا مهم اتمسفر گازهای اطراف سیارات دنباله دار نیز می باشد و در زمین مقدار كمی آمونیاك وجود دارد و عقائد زیادی نیز وجود داشته است كه آمونیاك یكی از اجزا تركیب شده هوای زمین اولیه بوده است اما توسعه زندگی و آزاد شدن اكسیژن در هوا سبب تاثیر پذیری آمونیاك در برابر اكسید شدن بوسیله اكسیژن شده است كه باید كمبود آمونیاك را جبران كند.
یكی از روشهای با ساختمان آلی باكتریها هستند كه بوسیله كاشت شدن رشد می كنند و در تخمیر كه شامل تعداد زیادی كمپلكس مركزی شامل آهن و مولیبرون برای كاهش نیتروژن به آمونیاك است. سنتز تجاری آمونیاك در ابتدا به علت ضرورت جنگ بوجود آمد.
این فرایند بوسیله یك كاتالیست آهنی بایك بخش كوچكی از آلومینیوم انجام گیرد و در روش H-B عملیات در فشار بالا انجام می گیرد و تعادل را به سمت راست هدایت می كند.
و دمای بالا نیز برای سرعت واكنش ضروری است. البته دمای بالا واكنش را به سمت چپ هدایت می كند اما سرعت را بالا می برد كه این مسئله مهم است و با حركت دادن آمونیاك به سمت آمونیاك مایع تعادل به طور پیوسته به سمت راست حركت می كند.
اكسیداسیون آمونیاك در حضور كاتالیست پلاتینیوم
یك تاریخچه مختصر:
در اوایل قرن بیستم یك اتفاق طبیعی كوتاه مرحله رخ داد. كودهای غنی شده نیتروژن نظیر شوره CHILE كه بوسیله فرایندها بر شیمیدانان آلمانی و دیگران آماده می شد راهی بود برای تركیب شدن نیتروژن در هوا با هیدروژن برای بدست آمدن آمونیاك كه نقطه شروع مناسبی است.
برای كارخانه كودسازی و این پروسه برای صنایع شیمیایی آلمانی جذاب بود چرا كه تركیبات نیتروژنی برای جنگ جهانی اول كه نیازمند مواد منفجره بودند فراهم می شد.
هیدروژن مورد نیاز برای سنتز آمونیاك بوسیله فرایند آب و گاز (اختراع كارل – بوش) كه شامل دمیدن بخار از میان سنگ كك خوابانده شده و داغ نتیجتا هیدروژن از اكسیژن جدا می شد و نیتروژن نیز بوسیله تقطیر هوای مایع و سپس بوسیله سرما و فشار هوا بدست می آمد.
این روزها هیدروژن بوسیله اصلاح نفت سبك بدست می آید و یا اضافه كردن بخار به گاز طبیعی (متان CH4 ) تهیه می شود.
بخار كافی برای واكنش با 45% متان استفاده می شود اما الباقی متان با هوا واكنش می كند.
همه مونوكسید كربنها درمخلوط به وسیله استفاده از بخار و كاتالیزور اكسید آهن به CO2 اكسید می شوند.
دی اكسید كربن بوسیله استفاده از یك پایه مناسب خارج می شود بنابراین فقط N2 و H2 باقی می مانند و در تولید آمونیاك NH3 استفاده می شوند.
در تولید آمونیاك هیدروژن و نیتروژن به نسبت 3 به 1 حجم مخلوط میشوند و فشاری در حدود 200 برابر فشار اتمسفر متحمل می شوند.
هیدروژن مورد نیاز در این روش بوسیله الكترولیز بدست می آید اما به علت گران تمام شدن در پلنتهای مدرن ا زكاتالیستهای مایع –گاز استفاده می شود.
كاربرد های مهم آمونیاك:
آمونیاك جز موادی است كه در صنایع شیمیایی كاربرد فراوانی دارد كه به اختصار به آن می پردازیم.
-صنعت این ماده جهت ساخت سولفات آمونیوم (NH4)2SO4 فسفات آمونیوم (NH4)3PO4
نیترات آمونیوم (NH4NO3) و اوره (NH2)CO مورد استفاده قرار می گیرد.
-در صنایع دارویی نیز می توان از آمونیاك استفاده كرد بطوریكه در كارخانجات دارویی تولید سولفونامید می كنند كه برای جلوگیری از رشد بی رویه باكتریها PABA استفاده می شود.
-همچنین از آمونیك می توان برای سنتز زیستی فالیك اسید، ضد مامریا، ویتامین ها نظیر ویتامین B و نیكوتین آمید ویتامین استفاده كرد . كاربرد دیگر این ماده در صنایع دارویی تولید باربیتو ریت (آرام بخش ها) كه بوسیله واكنش آمونیاك با كربن دیوكسید بدست می آید:
-برای سنتز مواد زیر می توان از آمونیاك استفاده كرد:
اسید نیتریك (HNO3) كه برای ساختن مواد منفجره مثل TNT ( 2و4و6 تری نیترو تولوئن) استفاده می شود و نیترو گلسیرین نیز كه به عنوان یك واسودپلتور استفاده می شود. (ماده ای كه مجرای خون را گشاد می كند) نیز تولید می شود.
و مواد دیگر شامل PETN (پنتا ارایتریتول نیترات) و كربنات هیدروژن سدیم (بی كربنات سدیم) NAHCO3 و كربنات سدیم NA2CO3 و سیانید هیدروژن (هیدرو استات اسید) HCN نیز بدین طریق تولید می شود.
كاربرد های متفرقه:
-مواد منفجره: از آمونیاك می توان برای تولید نیترات آمونیوم (NH4NO3) استفاده كرد.
-بافت ها و پلاستیك ها: از جمله كاررد های آمونیاك تولید نایلون ((CH2)4-CO-NH-(CH2)-NH-CO) و سایر پلی آمید ها استفاده كرد.
-پاك كننده: آمونیاك محلول به عنوان یك عامل پاك كننده استفاده می شود نظیر آمونیاك كلر(پاك كننده).
-آمونیاك در سرد سازی جهت تولید یخ و ادوات یخ ساز واحد های نظیر هوا در ساختمان ها و كارخانه ها به كار برده می شود كه چگالنده آمونیاك از این موارد است.
-از آمونیاك می توان در صنایع خمیر چوب و كاغذ استفاده می شود كه سولفیت هیدروژن آمونیوم NH4HSO3 بعضی از چوبهای سخت را برای استفاده مهیا كند.
در متالوژی نیز دو كاربرد فراوان دارد:
1- در نیتریدنیگ (جلا دادن با آب كلر) استیل
2- در استخراج روی و نیكل
محاسبه میزان بازدهی NH3 :
اگر بازدهی آمونیاك را بصورت نسبت مقدار آمونیاك تولید شده در یك مرحله به مجموع مقادیر اولیه (ورودی) تعریف كنیم رابطه زیر را می توان تنظیم كرد:
كه در آن u مقدار آمونیاك تولید شده بر حسب كیلو مول آمونیاك بر كیلو مول مواد اولیه a1, a2 كسرهای مولی آمونیاك در گاز قبل از ورود به مبدل و پس از خروج از آن می باشد و میزان تولید مواد در چرخه از معادله زیر بدست می آید.
كه در آن G میزان تولید روزانه آمونیاك بر حسب (تن بر روز) و V مقدار گاز چرخه قبل از ورود به مبدل بر حسب (Nm3/h) است و بطور كلی میزان بازدهی به فعالیت كاتالیزور درجه خلوص گازهای ورودی و دما و فشار و تركیب درصد مخلوط اولیه و سرعت مكانی بستگی دارد . و هر چه سرعت مكانی بیشتر و مبدل كوچك تر باشد بازدهی كمتر خواهد بود.
خواص آمونیاك:
آمونیاك گازی بی رنگ با بوی زننده و اشك آور و بسیار محلول در آب است و در دمای 20 درجه سانتی گراد یك لیتر آب می تواند 702 لیتر آمونیاك را در خود حل كند. و در فشار یك اتمسفر و دمای 4/33- در جه سانتی گراد مایع می شود و سبك تر از هوا و چگالی نسبی آن 64% است و از آنجا كه دمای بحرانی بالایی دارد و فشار بحرانی آن برابر 112 اتمسفر است می توان آن را به آسانی مایع متراكم كرد.
لازم به ذكر است كه كوچك بودن مولكول و غیر قطبی بودن آن نیز در واكنش ناپذیری N2 و در دماهای معمولی نقش دارد و لازم به ذكر است كه مهمترین منبع نیتروژن در تركیبهای آن در مقیاس تجاری هوا است. در جدولهای زیر به ترتیب خواص فیزیكی آمونیاك و میزان انحلال پذیری و آنتالپی انحلال آمونیاك در آب و وابستگی خواص فیزیكی آمونیاك نسبت به دما نشان داده شده است.