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| 名前 | |||
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| IUPAC名
アンモニア[1]
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| 体系的なIUPAC名
アザネ | |||
その他の名前
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| 識別子 | |||
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3Dモデル（JSmol）
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| 3DMet |
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| 3587154 | |||
| チェビ |
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| チェムBL |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.028.760 | ||
| EC番号 |
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| 79 | |||
| ケッグ |
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| メッシュ | アンモニア | ||
パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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| 国連番号 | 1005 | ||
CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |||
| NH3 | |||
| モル質量 | 17.031 グラムモル−1 | ||
| 外観 | 無色のガス | ||
| 臭い | 強い刺激臭 | ||
| 密度 |
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| 融点 | −77.73 °C (−107.91 °F; 195.42 K) ( 6.060 kPa、195.4 Kでの 三重点) | ||
| 沸点 | −33.34 °C (−28.01 °F; 239.81 K) | ||
| 臨界点( T , P ) | 132.4 °C (405.5 K)、111.3 atm (11,280 kPa) | ||
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| 溶解度 | クロロホルム、エーテル、エタノール、メタノールに可溶 | ||
| 蒸気圧 | 857.3kPa | ||
| 酸性度（p Ka） | 32.5（−33℃）、[6] 9.24（アンモニウム） | ||
| 塩基度(p K b ) | 4.75 | ||
| 共役酸 | アンモニウム | ||
| 共役塩基 | アミド | ||
磁化率（χ）
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−18.0 × 10 −6 cm 3 /モル | ||
屈折率( n D )
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1.3327 | ||
| 粘度 |
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| 構造 | |||
| C3v ... | |||
| 三角錐 | |||
| 1.42 デイ | |||
| 熱化学 | |||
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
193 J/(モル·K) [8] | ||
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−46 kJ/モル[8] | ||
| 危険 | |||
| GHSラベル: [11] | |||
  
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| 危険 | |||
| H314、H331、H410 | |||
| P260、P273、P280、P303+P361+P353、P304+P340+P311、P305+P351+P338+P310 ...40+P311、P305+P351+P338+P310、P305+P351+P340+P311、P305+P351+P338+P310、P305+P351+ | |||
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |||
| 651 °C (1,204 °F; 924 K) | |||
| 爆発限界 | 15.0～33.6% | ||
| 致死量または濃度（LD、LC）： | |||
LD 50 (平均投与量)
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350 mg/kg（ラット、経口）[9] | ||
LC 50 (中央濃度)
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LC Lo (公表最低額)
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| NIOSH（米国健康曝露限界）： [12] | |||
PEL (許可)
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50 ppm ( ACGIH -TLV 25 ppm、 STEL 35 ppm ) | ||
REL (推奨)
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TWA 25 ppm (18 mg/m 3 ) ST 35 ppm (27 mg/m 3 ) | ||
IDLH（差し迫った危険）
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300ppm | ||
| 安全データシート（SDS） | ICSC 0414 (無水) | ||
| 関連化合物 | |||
関連する窒素水素化物
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関連化合物
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| 補足データページ | |||
| アンモニア（データページ） | |||
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
 確認する （何ですか ？）
 インフォボックス参照
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アンモニアは窒素と水素の無機 化合物で、化学式はN H 3です。安定した二成分水素化物であり、最も単純な窒素原子水素化物であるアンモニアは、独特の刺激臭のある無色の気体です。生物学的には、一般的な窒素廃棄物であり、肥料の原料として陸生生物の栄養ニーズに大きく貢献しています。[13]工業的に生産されるアンモニアの約70%は、尿素やリン酸二アンモニウムなど、さまざまな形や組成の肥料[14]の製造に使用されます。純粋なアンモニアは土壌に直接施用されることもあります。
アンモニアは、直接的または間接的に、多くの化学物質の合成の構成要素でもあります。
アンモニアは自然界に存在し、星間物質でも検出されています。多くの国では、アンモニアは極めて危険な物質として分類されています。[15]
アンモニアは窒素固定と呼ばれるプロセスで生物学的に生産されますが、ハーバー法によって工業的にさらに多くのアンモニアが生成されます。このプロセスは安価な肥料を提供することで農業に革命をもたらしました。2021年の世界のアンモニアの工業生産量は2億3500万トンでした。[16] [17]工業用アンモニアは、タンカーで道路輸送、タンク車で鉄道輸送、ガス運搬船で海上輸送、またはシリンダーで輸送されます。[18]
アンモニアは 1気圧で -33.34 °C (-28.012 °F) で沸騰しますが、液体は多くの場合、外部冷却なしで実験室で取り扱うことができます。家庭用アンモニアまたは水酸化アンモニウムは、アンモニアを水に溶かした溶液です。
語源
プリニウスは『博物誌』第31巻で、ハムモニアクムという名の塩について言及している。これは、その産地がローマ帝国のキュレナイカ属州にあったユピテル・アモン（ギリシャ語ではἌμμων Ammon ）神殿に近かったため、そう呼ばれた。[19]しかし、プリニウスのその塩の説明は、塩化アンモニウムの特性と一致しない。ハーバート・フーバーによるジョージウス・アグリコラの『金属論』の英訳の解説によると、それは普通の海塩だった可能性が高い。[20]いずれにせよ、その塩が最終的にアンモニアとアンモニウム化合物に名前を与えた。
自然発生（生物的）
雨水中には微量のアンモニア/アンモニウムが検出されます。塩化アンモニウム(サルアンモニウム) と硫酸アンモニウムは火山地帯で見つかります。重炭酸アンモニウムの結晶がパタゴニアの グアノで発見されています。[21]
アンモニアは、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星など、太陽系のいたるところで見つかります。冥王星のようなより小さな氷の天体では、アンモニアは地質学的に重要な不凍液として機能します。アンモニア濃度が十分に高ければ、水とアンモニアの混合物の融点は−100℃（−148℉、173K）まで下がり、そのため、そのような天体では、水だけの場合よりもはるかに低い温度で内部の海や活発な地質を保つことができます。[22] [23]アンモニアを含む物質、またはアンモニアに似た物質は、アンモニア性と呼ばれます。[24]
プロパティ
NH 3の2つの可視状態
アンモニアは無色の気体で、特徴的な刺激臭があります。空気より軽く、密度は空気の0.589倍です。分子間の水素結合が強いため、容易に液化します。気体のアンモニアは無色の液体になり、 -33.1 °C (-27.58 °F) で沸騰し、-77.7 °C (-107.86 °F) で無色の結晶に凍結します[21]。非常に高い温度と圧力でのデータはほとんどありませんが、液体-気体の臨界点は405 Kおよび11.35 MPaで発生します[25] 。
固体
結晶の対称性は立方晶系、ピアソン記号cP16、空間群P2 1 3 No.198、格子定数0.5125 nmである。[26]
液体
液体アンモニアは、−35℃（−31℉）で22という高いεを反映して、強いイオン化力を持っています。 [27]液体アンモニアは標準蒸発エンタルピー変化が非常に高く（23.5 kJ/mol ; [28]比較すると、水は40.65 kJ/mol、メタン8.19 kJ/mol、ホスフィン14.6 kJ/mol）、加圧容器または冷蔵容器で輸送できますが、標準温度および圧力では液体無水アンモニアは蒸発します。[29]
溶媒の性質
アンモニアは水に容易に溶けます。水溶液では、沸騰させることで除去することができます。アンモニア水溶液は塩基性であり、アンモニア水または水酸化アンモニウムとも呼ばれます。[30]水中のアンモニアの最大濃度（飽和溶液）は比重が0.880であり、しばしば「.880アンモニア」として知られています。[31]
液体アンモニアは、広く研究されている非水性イオン化溶媒です。その最も顕著な特性は、アルカリ金属を溶解して、溶媒和電子を含む、色の濃い導電性溶液を形成する能力です。これらの注目すべき溶液は別として、液体アンモニアの化学反応の多くは、水溶液中の関連反応との類推によって分類できます。NH 3の物理的特性を水と比較すると、NH 3 の方が融点、沸点、密度、粘度、誘電率、および電気伝導率が低いことがわかります。これらの違いは、少なくとも部分的には、NH 3の水素結合が弱いことに起因します。液体NH 3の -50 °C でのイオン自己解離定数は約 10 -33です。
液体アンモニアは、水ほどではないがイオン化溶媒であり、多くの硝酸塩、亜硝酸塩、シアン化物、チオシアン酸塩、金属シクロペンタジエニル錯体、金属ビス（トリメチルシリル）アミドを含むさまざまなイオン化合物を溶解します。[32]ほとんどのアンモニウム塩は可溶性であり、液体アンモニア溶液中で酸として作用します。ハロゲン化物塩の溶解度は、フッ化物からヨウ化物に向かって増加します。硝酸アンモニウムの飽和溶液（エドワード・ダイバーズにちなんでダイバーズ溶液と名付けられました）には、アンモニア1モルあたり0.83モルの溶質が含まれており、 25°C（77°F）でも蒸気圧が1バール未満です。ただし、他の陽イオンとのオキシアニオン塩はほとんど溶解しません。[34]
液体アンモニアは、すべてのアルカリ金属と、Ca [35]、Sr、Ba、Eu、Yb（電解プロセスを使用すればMgも溶解[33]）などの他の電気陽性金属を溶解します。低濃度（< 0.06 mol / L）では、濃い青色の溶液が形成されます。これには金属陽イオンと溶媒和電子（アンモニア分子のケージに囲まれた自由電子）が含まれています。
これらの溶液は強力な還元剤です。濃度が高いと、溶液は金属のような外観になり、電気伝導性も高くなります。低温では、2 種類の溶液は混ざり合わない相として共存できます。
液体アンモニアの酸化還元特性
液体アンモニア溶液の熱力学的安定性の範囲は非常に狭く、二窒素への酸化電位E ° ( N 2 + 6 [NH 4 ] + + 6 e − ⇌ 8 NH 3 ) はわずか +0.04 V です。実際には、二窒素への酸化と二水素への還元はどちらも遅いです。これは特に還元溶液に当てはまります。上記のアルカリ金属の溶液は数日間安定しており、ゆっくりと金属アミドと二水素に分解します。液体アンモニア溶液に関するほとんどの研究は還元条件下で行われています。液体アンモニアの酸化は通常遅いですが、特に遷移金属イオンが触媒として存在する 場合は、爆発の危険が残っています。
構造
アンモニア分子は、原子価殻電子対反発理論（VSEPR理論）によって予測されるように三角錐の形をしており、実験的に測定された結合角は106.7°である。[36]中心の窒素原子は5つの外側電子を持ち、各水素原子から1つずつ追加される。これにより、合計8つの電子、つまり四面体に配置された4つの電子対が得られる。これらの電子対のうち3つは結合対として使用され、1つの孤立電子対が残る。孤立電子対は結合対よりも強く反発するため、結合角は正四面体配置で予想される109.5°ではなく、106.8°である。[36]この形状により、分子は双極子モーメントを持ち、極性を持つようになる。分子の極性、特に水素結合を形成する能力により、アンモニアは水と非常に混和性が高い。孤立電子対により、アンモニアは塩基、つまりプロトン受容体となる。アンモニアは中程度の塩基性である。 1.0 M水溶液のpHは11.6で、この溶液に強酸を加えて中性（pH = 7）にすると、アンモニア分子の99.4%がプロトン化されます。温度と塩分濃度もアンモニウム[NH 4 ] +の割合に影響します。アンモニウムは正四面体の形をしており、メタンと等電子的です。
アンモニア分子は室温で容易に窒素反転を起こす。これは、強風で傘が裏返しになるのと似ている。この反転に対するエネルギー障壁は24.7 kJ/molで、共鳴周波数は23.79 GHzで、波長1.260 cmのマイクロ波放射に対応する。この周波数での吸収は、観測された最初のマイクロ波スペクトルであり[37]、最初のメーザーに使用された。
両性
アンモニアの最も特徴的な性質の一つは、その塩基性である。アンモニアは弱塩基であると考えられている。酸と結合してアンモニウム 塩を形成する。例えば、塩酸とは塩化アンモニウム（塩化アンモニウム）を形成し、硝酸とは硝酸アンモニウムなどを形成する。完全に乾燥したアンモニアガスは完全に乾燥した塩化水素ガスと結合しない。反応を起こすには水分が必要である。[38] [39]
周囲の湿気のある空気中での実証実験として、濃縮アンモニアと塩酸溶液の入ったボトルを開けると、塩化アンモニウムの雲が発生します。これは、2 つのボトルの間で拡散する試薬の雲が出会う場所に塩のエアロゾルが形成されるため、「何もないところから」現れるように見えます。
- NH 3 + HCl → [NH 4 ]Cl
アンモニアが酸に作用して生成される塩はアンモニウム塩として知られており、すべてアンモニウムイオン（[NH 4 ] +）を含んでいます。[38]
アンモニアは弱塩基としてよく知られていますが、非常に弱い酸としても作用します。アンモニアはプロトン性物質であり、アミド（ NH − 2イオンを含む）を形成できます。たとえば、リチウムは液体アンモニアに溶解し、リチウムアミドの青い溶液（溶媒和電子）を生成します。
- 2 Li + 2 NH 3 → 2 LiNH 2 + H 2
自己解離
水と同様に、液体アンモニアは分子の自動イオン化によって酸と塩基の共役体を形成します。
- 2 NH 3 ⇌ NH + 4 + NH − 2
アンモニアは弱塩基として機能することが多いため、ある程度の緩衝能力があります。 pH の変化により、溶液中に存在するアンモニウム陽イオン ( NH + 4 ) とアミド陰イオン( NH − 2 ) の量が増減します。 標準圧力および温度では、
- K = [NH + 4 ] × [NH − 2 ] = 10 −30。
燃焼
アンモニアは、空気中のアンモニア濃度が15～28%の狭い混合気を除いて、容易に燃えず、燃焼が持続しません。 [40]酸素と混合すると、淡い黄緑色の炎を出して燃えます。塩素がアンモニアに流入すると発火し、窒素と塩化水素が形成されます。塩素が過剰に存在すると、爆発性の高い三塩化窒素（NCl 3）も生成されます。
アンモニアが燃焼して窒素と水が形成される過程は発熱反応です。
- 4 NH 3 + 3 O 2 → 2 N 2 + 6 H 2 O(g)、Δ H ° r = −1267.20 kJ（またはNH 3 1モルあたりに換算すると−316.8 kJ/モル）
燃焼の標準エンタルピー変化Δ H ° c は、アンモニア 1モル当たり、生成された水の凝縮を含めて、-382.81 kJ/mol です。二窒素は燃焼の熱力学的生成物です。すべての窒素酸化物はN 2およびO 2に対して不安定であり、これが触媒コンバータの原理です。窒素酸化物は、適切な触媒の存在下で運動学的生成物として生成され、硝酸の製造において工業的に非常に重要な反応です。
- 4 NH 3 + 5 O 2 → 4 NO + 6 H 2 O
その後の反応によりNO 2が生成されます。
- 2NO + O2 → 2NO2
空気中でのアンモニアの燃焼は、触媒（白金網や温かい酸化クロム（III）など）がない場合には非常に困難です。これは、燃焼熱が比較的低く、層流燃焼速度が低く、自己着火温度が高く、気化熱が高く、可燃範囲が狭いためです。しかし、最近の研究では、渦流燃焼器を使用することでアンモニアの効率的で安定した燃焼が達成できることが示されており、火力発電用燃料としてのアンモニアに関する研究関心が再燃しています。[41]乾燥空気中のアンモニアの可燃範囲は15.15〜27.35％で、相対湿度100％の空気では15.95〜26.55％です。[42] [説明が必要]アンモニア燃焼の速度論を研究するには、詳細で信頼性の高い反応メカニズムの知識が必要ですが、これを得るのは困難でした。[43]
有機窒素化合物の前駆体
アンモニアは、ほとんどの製造された窒素含有化合物の直接的または間接的な前駆物質です。これは、ほとんどの N 置換芳香族化合物の原料である硝酸の前駆物質です。
アミンは、アンモニアとアルキルハロゲン化物、またはより一般的にはアルコールとの反応によって生成されます。
- CH 3 OH + NH 3 → CH 3 NH 2 + H 2 O
エチレンオキシドとの開環反応によりエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンが得られる。
アミドは、アンモニアとカルボン酸およびその誘導体との反応によって生成できます。たとえば、加熱するとアンモニアはギ酸(HCOOH)と反応してホルムアミド( HCONH 2 ) を生成します。アシルクロリドは最も反応性が高いですが、生成された塩化水素を中和するには、アンモニアが少なくとも 2 倍過剰に存在する必要があります。エステルおよび無水物もアンモニアと反応してアミドを形成します。カルボン酸のアンモニウム塩は、熱に敏感な基が存在しない限り、150～200 °C に加熱することで脱水してアミドに することができます。
その他の有機窒素化合物には、アルプラゾラム、エタノールアミン、エチルカルバメート、ヘキサメチレンテトラミンなどがあります。
無機窒素化合物の前駆体
硝酸はオストワルド法によって生成され、アンモニアを白金触媒上で700～850℃（1,292～1,562℉）、≈9気圧で空気と酸化することで生成される。この変換の中間体として一酸化窒素と二酸化窒素が生成される。[44]
- NH 3 + 2 O 2 → HNO 3 + H 2 O
硝酸は肥料、爆薬、多くの有機窒素化合物 の製造に使用されます。
アンモニア中の水素は無数の置換基によって置換されやすい。アンモニアガスは金属ナトリウムと反応してナトリウムアミド、NaNH 2を生成する。[38]
塩素を加えるとモノクロラミンが生成されます。
五価アンモニアはλ5アミンとして知られ、窒素五水素化物は通常の条件下では三価アンモニア（λ3アミン）と水素ガスに自然に分解します。この物質は1966年に固体ロケット燃料の可能性について調査されたことがあります。[45]
アンモニアは次の化合物の製造にも使用されます。
- ヒドラジン、オリンラシヒ法および過酸化物法
- BMA法およびアンドリュッソウ法におけるシアン化水素
- ラシヒ法におけるヒドロキシルアミンと炭酸アンモニウム
- 尿素、ボッシュ・マイザー尿素プロセスおよびヴェーラー合成における
- 過塩素酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム
アンモニアは金属アンミン錯体を形成する配位子です。歴史的な理由から、アンモニアは配位化合物の命名法ではアンミンと呼ばれています。有名なアンミン錯体の 1 つに、広く使用されている抗癌剤であるシスプラチン( Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 )があります。クロム(III) のアンミン錯体は、アルフレッド ウェルナーの配位化合物の構造に関する革新的な理論の基礎となりました。ウェルナーは、錯体[CrCl 3 (NH 3 ) 3 ]には 2 つの異性体( fac - とmer - )しか形成されないことに注目し、配位子は八面体の頂点にある金属イオンの周りに配置されているに違いないと結論付けました。
アンモニアは、 I 2、フェノール、Al(CH 3 ) 3などのさまざまなルイス酸と1:1付加物を形成します。アンモニアはハード塩基(HSAB 理論) であり、そのE および C パラメータはE B = 2.31 および C B = 2.04です。一連の酸に対する相対的なドナー強度と他のルイス塩基に対する相対的なドナー強度は、 CB プロットで示すことができます。
検出と判定
溶液中のアンモニア
アンモニアとアンモニウム塩は、非常に微量であればネスラー溶液を加えることで容易に検出できる。この溶液は、アンモニアまたはアンモニウム塩がごく微量存在すると、はっきりとした黄色に着色する。アンモニウム塩中のアンモニアの量は、塩をナトリウム(NaOH) または水酸化カリウム(KOH) で蒸留することで定量的に推定できる。発生したアンモニアは既知量の標準硫酸に吸収され、過剰の酸は容量測定で決定される。または、アンモニアを塩酸に吸収させ、こうして形成された塩化アンモニウムをヘキサクロロ白金酸アンモニウム[NH 4 ] 2 [PtCl 6 ]として沈殿させることもできる。[46]
気体アンモニア
工業用アンモニア冷凍システムでは、硫黄棒を燃やして小さな漏れを検出する。より大量のアンモニアを検出するには、塩を苛性アルカリまたは生石灰で温めると、アンモニア特有の臭いがすぐにわかる。[46]アンモニアは刺激物であり、刺激は濃度とともに増加する。許容暴露限界は25 ppmで、500 ppm を超えると致死量となる。[47]従来の検出器ではこれより高い濃度を検出することはほとんど不可能であり、検出器の種類は必要な感度に応じて選択される（半導体、触媒、電気化学など）。体積比 12.5% までの濃度を検出するために、ホログラフィック センサーが提案されている。[48]
実験室では、濃塩酸または塩化水素ガスを使用して気体アンモニアを検出することができます。アンモニアとHCl(g)の反応により、濃い白色の煙（塩化アンモニウム蒸気）が発生します。 [49]
アンモニア性窒素（NH3–N)
アンモニア性窒素（NH 3 –N）は、水または廃液中の、アンモニアから自然に生成され、有機プロセスによってアンモニアに戻されるアンモニウムイオンの量をテストするために一般的に使用される測定単位です。これは主に、廃棄物処理および浄水システムにおける値の定量化に使用される測定単位であり、天然および人工の水資源の健全性の測定単位でもあります。これは、mg/L（ミリグラム/リットル） 単位で測定されます。
歴史
古代ギリシャの歴史家ヘロドトスは、リビアの「アンモニア人」と呼ばれる人々が住んでいた地域（現在ではエジプト北西部のシワオアシスで、塩湖が今も存在する）に塩の露頭があったと述べています。 [50] [51]ギリシャの地理学者ストラボンもこの地域の塩について言及しています。しかし、古代の著者ディオスコリデス、アピシウス、アリアノス、シネシウス、アミダーのアエティウスは、この塩は調理に使用できる透明な結晶を形成し、本質的には岩塩であると説明しています。[52] Hammoniacus salはプリニウスの著作に登場しますが、[53]この用語がより現代的なsal ammoniac（塩化アンモニウム）に相当するかどうかは不明です。[21] [54] [55]
尿を細菌が発酵させるとアンモニア溶液が生成されるため、古代では発酵尿は布や衣類を洗ったり、なめしの準備として皮から毛を取り除いたり、布を染める際の媒染剤として使用したり、鉄の錆を取り除いたりするために使用されていました。[56]また、古代の歯科医は歯を洗うために使用していました。 [57] [58] [59]
アンモニア塩（نشادر, nushadir ）の形で、アンモニアはイスラムの錬金術師にとって重要でした。9世紀に書かれたとされ、ジャービル・イブン・ハイヤーン作とされる『石の書』にも言及されています。[60]また、13世紀のヨーロッパの錬金術師にとっても重要であり、アルベルトゥス・マグヌスも言及しています。[21]中世の染色家は、植物染料の色を変えるために、発酵させた尿の形でアンモニアを使用していました。15世紀には、バシリウス・ヴァレンティヌスが、アンモニア塩にアルカリを作用させることでアンモニアが得られることを証明しました。[61]後世、牛の蹄と角を蒸留し、得られた炭酸塩を塩酸で中和することで塩化アンモニウムが得られると、アンモニアは「ハーツホーンの精霊」と呼ばれるようになりました。[21] [62]
気体アンモニアは、1756年にジョセフ・ブラックによって、塩化アンモニウムと焼成マグネシア（酸化マグネシウム）を反応させることによって初めて単離されました。[ 63 ] [ 64 ] 1767年にピーター・ウルフによって再び単離され、[ 65 ] [66] 1770年にカール・ヴィルヘルム・シェーレによって単離され、 [67]ジョセフ・プリーストリーによって1773年に単離され、彼によって「アルカリ性空気」と名付けられました。[21] [68] 11年後の1785年、クロード・ルイ・ベルトレがその組成を突き止めました。[69] [21]
空気中の窒素（および水素）からアンモニアを製造する方法は、フリッツ・ハーバーとロバート・ルロシニョールによって発明されました。特許は1909年に申請され（USPTO Nr 1,202,995）、1916年に授与されました。後に、カール・ボッシュがアンモニア製造の工業的方法（ハーバー・ボッシュ法）を開発しました。これは、連合国による封鎖によりチリからの硝酸塩の供給が遮断された後、第一次世界大戦中にドイツで初めて工業規模で使用されました。アンモニアは、戦争活動を支えるための爆薬の製造に使用されました。[71] 1918年のノーベル化学賞は、「元素からのアンモニアの合成」に対してフリッツ・ハーバーに授与されました。
天然ガスが利用可能になる前は、アンモニア製造の原料となる水素は、水の電気分解または塩素アルカリ法によって製造されていました。
20 世紀に鉄鋼産業が出現すると、アンモニアはコークス炭の生産の副産物となりました。
アプリケーション
肥料
2019年時点で、米国では[アップデート]約88％のアンモニアが塩、溶液、または無水の形で肥料として使用されていました。 [72]土壌に施用すると、トウモロコシや小麦などの作物の収穫量増加に役立ちます。[73]米国で施用される農業窒素の30％は無水アンモニアの形であり、世界中で毎年1億1千万トンが施用されています。[74 ] 16％から25％のアンモニア溶液は、微生物の窒素源として、また発酵中のpH調整のために発酵産業で使用されています。[75]
冷蔵 - R717
アンモニアは気化する性質があるため、冷媒として有用である。[70]クロロフルオロカーボン（フロン）が普及する前は一般的に使用されていた。無水アンモニアは、エネルギー効率が高くコストが低いため、産業用冷凍機やホッケーリンクで広く使用されている。毒性があり、耐腐食性の部品を必要とするという欠点があり、家庭用や小規模な使用には制限がある。現代の蒸気圧縮冷凍機での使用に加えて、吸収式冷凍機では水素と水との混合物として使用される。地熱発電所で重要性が高まっているカリーナサイクルは、アンモニアと水の混合物の広い沸点範囲に依存している。
アンモニア冷却剤は、国際宇宙ステーションのラジエーターのループでも使用されており、内部温度を調節し、温度に依存する実験を可能にするために使用されます。[76] [77]アンモニアはプロセス全体を通して液体のままであるのに十分な圧力がかかっています。単相アンモニア冷却システムは、各太陽電池アレイのパワーエレクトロニクスにも使用されています。
排出されたCFCとHFCが強力で安定した温室効果ガスであることが発見されたことにより、冷媒としてのアンモニアの潜在的な重要性が高まっています。[78]
食品用抗菌剤
1895年には、アンモニアが「強力な殺菌作用があり、ビーフティー（ブイヨン）を保存するには1リットルあたり1.4グラム必要」であることが知られていました。 [79]ある研究では、無水アンモニアは3種類の動物飼料中の人獣共通感染症細菌を99.999%死滅させましたが、サイレージではそうではありませんでした。[80] [81]無水アンモニアは現在、牛肉の微生物汚染を減らすか、なくすために商業的に使用されています。[82] [83]牛肉産業における きめの細かい赤身の牛肉（一般に「ピンクスライム」として知られています）は、脂肪の多い牛肉の切り落とし（脂肪約50～70%）から熱と遠心分離を使用して脂肪を取り除き、アンモニアで処理して大腸菌を殺して作られています。この処理は、大腸菌を検出できないレベルまで減らすという研究に基づき、米国農務省によって効果的かつ安全であるとみなされました。[84]この処理方法については安全性に対する懸念があり、またアンモニア処理された牛肉の味や匂いについて消費者からの苦情もあった。[85]
燃料
アンモニアは燃料として使用されており、化石燃料や水素の代替として提案されています。アンモニアは蒸気圧下で常温で液体であり、体積および重量エネルギー密度が高いため、水素の適切なキャリアであると考えられており、[86]液体水素を直接輸送するよりも安価になる可能性があります。[87]
水素と比較すると、アンモニアは貯蔵が容易です。燃料としての水素と比較すると、アンモニアははるかにエネルギー効率が高く、圧縮または極低温液体として保管する必要がある水素よりもはるかに低いコストで製造、貯蔵、配送できます。[88] [89]液体アンモニアの生のエネルギー密度は11.5 MJ/Lで、[88]これはディーゼルの約3分の1です。
アンモニアは水素に戻して水素燃料電池の動力源として利用したり、高温固体酸化物直接アンモニア燃料電池内で直接利用して温室効果ガスを排出しない効率的な電源を提供したりすることができる。[90] [91]アンモニアから水素への変換は、ナトリウムアミド法[92]または固体触媒を用いたアンモニアの触媒分解によって達成することができる。 [93]
アンモニアを作動流体として使用するアンモニアエンジンまたはアンモニアモーターが提案され、時折使用されています。[94]その原理は無火機関車で使用されているものと似ていますが、作動流体として蒸気や圧縮空気ではなくアンモニアを使用します。アンモニアエンジンは、19世紀に英国のゴールドスワーシー・ガーニーによって、 1870年代と1880年代にはニューオーリンズのセントチャールズアベニュー路面電車線で実験的に使用され、 [95]第二次世界大戦中にはベルギーでバスの動力源としてアンモニアが使用されました。[96]
アンモニアは、内燃機関用の化石燃料の実用的な代替品として提案されることがある。[96] [97] [98] [99]しかし、アンモニアは可燃範囲が非常に狭いため、既存のオットーサイクルエンジンでは簡単に使用できない。それにもかかわらず、いくつかのテストが実行されている。 [100] [101] [102]オクタン価が120と高く[103]、炎の温度が低いため[104] 、高NOx生成を犠牲にすることなく高圧縮比を使用することができる。アンモニアには炭素が含まれていないため、燃焼しても二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素、すすは生成されない。
アンモニア生産は現在、世界のCO2排出量の1.8%を占めている。「グリーンアンモニア」はグリーン水素（再生可能エネルギーの電気分解で生成された水素）を使用して生産されるアンモニアであり、「ブルーアンモニア」はブルー水素（二酸化炭素を回収・貯留した水蒸気メタン改質法（SMR）で生成された水素）を使用して生産されるアンモニアである（炭素回収・貯留法（CCS）参照）。[105]
ロケットエンジンもアンモニアを燃料として利用されてきた。極超音速研究機X-15に動力を与えたリアクションモーターズ XLR99ロケットエンジンは液体アンモニアを使用していた。他の燃料ほど強力ではないものの、再利用可能なロケットエンジンに煤を残さず、密度は酸化剤である液体酸素の密度とほぼ一致するため、航空機の設計が簡素化された。
2020年、サウジアラビアは燃料として使用するため、 40トンの液体「ブルーアンモニア」を日本に出荷した。[106]これは石油化学産業の副産物として生産され、温室効果ガスを排出することなく燃焼できる。体積あたりのエネルギー密度は液体水素のほぼ2倍である。これを生成するプロセスを純粋に再生可能な資源を介して拡大し、グリーンアンモニアを生産することができれば、気候変動の回避に大きな違いをもたらす可能性がある。[107] ACWA Power社とネオム市は、2020年にグリーン水素・アンモニア工場を建設すると発表した。[108]
グリーンアンモニアは将来のコンテナ船の燃料として有望視されている。2020年にDSME社とMAN Energy Solutions社はアンモニアベースの船の建造を発表し、DSME社は2025年までに商業化を計画している。[109]航空機 ジェットエンジンの代替燃料としてのアンモニアの使用も検討されている。[110]
日本は、国内およびアジアの電力会社がカーボンニュートラルへの移行を加速できるよう支援する取り組みの一環として、発電におけるアンモニアの利用を増やすことができるアンモニア混焼技術の開発計画を実施する予定である。[111] 2021年10月には、第1回燃料アンモニアに関する国際会議（ICFA2021）が開催された。[112] [113]
2022年6月、IHIは2,000キロワット級のガスタービンで液体アンモニアを燃焼させる際に温室効果ガスを99%以上削減することに成功し、真のCO2フリー発電を実現した。 [ 114] 2022年7月、日本、米国、オーストラリア、インドの4か国は、安全保障グループの第1回エネルギー会議で、クリーンな燃焼の水素とアンモニアを燃料とする技術開発を推進することで合意した。[115]しかし、 2022年現在[アップデート]、かなりの量のNOxが生成されている。[116]亜酸化窒素は、「二酸化炭素の最大300倍の地球温暖化係数（GWP）を持つことが知られている温室効果ガス」であるため、問題になる可能性がある。[117]
IEAは、2050年までにアンモニアが船舶燃料需要の約45％を満たすと予測している。[118]
高温で適切な触媒の存在下では、アンモニアはその構成元素に分解する。[119]アンモニアの分解はわずかに吸熱的なプロセスであり、アンモニア1モルあたり23kJ（5.5kcal /mol ）を必要とし、水素と窒素ガスを生成する。
他の
ガス状排出物の浄化
アンモニアは化石燃料の燃焼から発生するSO2を除去するために使用され、その結果生じた生成物は肥料として使用するために硫酸アンモニウムに変換されます。アンモニアはディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物（NOx）汚染物質を中和します。この技術はSCR（選択触媒還元）と呼ばれ、バナジアベースの触媒に依存しています。[120]
アンモニアはホスゲンのガス流出を軽減するために使用される可能性がある。[121]
刺激
アンモニアは、嗅覚剤から放出される蒸気として、呼吸刺激剤として広く利用されている。アンモニアは、バーチ還元法によるメタンフェタミンの違法製造によく使用される。[123]バーチ法によるメタンフェタミン製造は、アルカリ金属と液体アンモニアの反応性が極めて高く、液体アンモニアの温度が高いため、反応物を加えると爆発的に沸騰しやすいため危険である。[124]
繊維
液体アンモニアは綿素材の処理に使用され、アルカリを使用してシルケット加工などの特性を与えます。特にウールの前洗浄に使用されます。[125]
ガスの揚力
標準温度と圧力では、アンモニアは大気よりも密度が低く、水素やヘリウムの約45～48%の揚力しかありません。アンモニアは、浮上ガスとして気球に充填するために使用されることがあります。アンモニアは沸点が比較的高いため（ヘリウムや水素と比較して）、飛行船内で冷却して液化することで揚力を減らし、バラストを増やすことができます（また、ガスに戻すことで揚力を増やし、バラストを減らすこともできます）。[126]
発煙
アンモニアは、アーツ・アンド・クラフツ様式やミッション様式の家具に使われる柾目ホワイトオークの色合いを暗くするために使われてきました。アンモニアの煙が木材に含まれる天然タンニンと反応し、色を変えます。[127]
安全性
米国労働安全衛生局（OSHA）は、環境空気中のガス状アンモニアの15分間の暴露限度を35 ppm（体積）、8時間の暴露限度を25 ppm（体積）と定めている。[129]米国国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は最近、1943年の最初の研究の最近のより保守的な解釈に基づき、IDLH（健康または生命に直ちに危険、健康な労働者が30分間暴露されても健康に回復不能な影響を受けないレベル）を500 ppmから300 ppmに引き下げた。1時間のIDLH限度は依然として500 ppmである。他の組織では暴露レベルが異なっている。米国海軍規格[US Bureau of Ships 1962]の最大許容濃度（MAC）：連続暴露（60日間）は25 ppm、1時間の暴露は400 ppm。[130]
アンモニア蒸気は、鋭く刺激性の強い臭いがあり、潜在的に危険な暴露の警告として機能します。平均的な臭気閾値は5 ppmで、危険や損傷をはるかに下回っています。非常に高濃度のアンモニアガスに暴露すると、肺の損傷や死につながる可能性があります。[129]アンモニアは米国では不燃性ガスとして規制されていますが、吸入すると有毒な物質の定義を満たしており、3,500米ガロン（13,000 L、2,900英ガロン）を超える量を輸送する場合は危険物安全許可が必要です。[131]
液体アンモニアは吸湿性があり、腐食性火傷を引き起こす可能性があるため危険です。詳細については、 ガス運搬船 § ガス運搬船で運ばれる特定の貨物の健康への影響を参照してください。
毒性
アンモニア水の毒性は、血流中に蓄積するのを防ぐ特別なメカニズムが存在するため、通常、人間や他の哺乳類にとって問題を引き起こすことはありません。アンモニアは、カルバモイルリン酸合成酵素によってカルバモイルリン酸に変換され、その後尿素回路に入り、アミノ酸に取り込まれるか、尿中に排泄されます。[132]魚類や両生類にはこのメカニズムがなく、通常は直接排泄することでアンモニアを体外に排出できます。アンモニアは、たとえ希薄濃度であっても、水生動物に非常に有毒であるため、「環境に危険」と分類されています。大気中のアンモニアは、微粒子物質の形成に重要な役割を果たします。[133]
アンモニアはタバコの煙の成分である。[134]
コークス廃水
アンモニアは石炭からコークスを製造する際に生じる液体副産物としてコークス廃水に存在します。[135]場合によっては、アンモニアが海洋環境に排出され、汚染物質として作用します。南オーストラリア州のワイアラ製鉄所は、アンモニアを海洋に排出するコークス製造施設の一例です。[136]
養殖業
アンモニアの毒性は、魚類養殖場での原因不明の損失の原因であると考えられています。過剰なアンモニアが蓄積し、曝露した生物の代謝の変化や体内pHの上昇を引き起こす可能性があります。耐性は魚種によって異なります。[137] 0.05 mg/L前後の低濃度では、イオン化されていないアンモニアは魚種に有害であり、成長と飼料要求率の低下、繁殖力と受胎能の低下、ストレスの増加、細菌感染と病気に対する感受性の増加につながる可能性があります。[138]過剰なアンモニアに曝露すると、魚は平衡感覚の喪失、過剰興奮、呼吸活動と酸素摂取の増加、心拍数の増加を起こす可能性があります。[137] 2.0 mg/Lを超える濃度では、アンモニアはえらと組織の損傷、極度の無気力、けいれん、昏睡、および死を引き起こします。[137] [139]実験では、様々な魚種の致死濃度は0.2～2.0mg/Lの範囲であることが示されています。[139]
冬季に養殖魚に与える飼料が減ると、アンモニア濃度が高くなることがあります。外気温が低いと藻類の光合成速度が遅くなるため、藻類が除去するアンモニアも少なくなります。養殖環境、特に大規模養殖環境では、アンモニア濃度の上昇に即効性のある治療法はありません。養殖魚[139]や開放水域では周囲の環境への害を減らすために、是正よりも予防が推奨されます。
保管情報
プロパンと同様に、無水アンモニアは大気圧下では室温より低い温度で沸騰する。250 psi（1.7 MPa）の圧力に耐えられる貯蔵容器が液体を貯蔵するのに適している。[140]アンモニアは、炭素鋼またはステンレス鋼の貯蔵容器を必要とする多くの異なる産業用途で使用されている。重量比で少なくとも0.2%の水分を含むアンモニアは、炭素鋼を腐食させない。重量比で0.2%以上の水分を含むNH 3炭素鋼構造の貯蔵タンクは、50年以上使用できる可能性がある。[141]専門家は、意図的で封じ込められた反応でない限り、アンモニウム化合物を塩基と接触させないように警告している。危険な量のアンモニアガスが放出される可能性がある。
研究室
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アンモニア溶液の危険性は濃度によって異なります。「希薄」アンモニア溶液は通常、重量比 5～10% (< 5.62 mol/L) です。「濃縮」溶液は通常、重量比 25% 以上で調製されます。25% (重量比) 溶液の密度は 0.907 g/cm 3 で、密度が低い溶液はより濃縮されています。アンモニア溶液の欧州連合分類は表に示されています。
濃縮アンモニア溶液から発生するアンモニア蒸気は目や呼吸器官に強い刺激を与えるため、専門家はこれらの溶液は必ずドラフト内で取り扱うように警告しています。飽和 ('0.880' - § 特性を参照) 溶液は暖かい気候では密閉されたボトル内でかなりの圧力が発生する可能性があるため、専門家はボトルを慎重に開けるようにも警告しています。これは通常、25% ('0.900') 溶液では問題になりません。
専門家は、アンモニア水はハロゲンと混合してはならないと警告しています。毒性や爆発性の物質が形成されるためです。また、アンモニア水が銀、水銀、ヨウ化物塩と長時間接触すると爆発性物質が発生する可能性があるとも警告しています。このような混合物は定性無機分析でよく生成されます。また、検査が完了したら廃棄する前に軽く酸性化する必要がありますが、濃縮（<6% w/v）しないでください。
無水アンモニア（ガスまたは液体）の実験室での使用
無水アンモニアは、有毒 ( T ) かつ環境に対して危険 ( N ) と分類されています。このガスは可燃性 (自然発火温度: 651 °C) で、空気と爆発性混合物 (16～25%) を形成する可能性があります。米国の 許容暴露限界(PEL) は 50 ppm (35 mg/m 3 ) で、IDLH濃度は 300 ppm と推定されています。アンモニアに繰り返し暴露すると、ガスの臭いに対する感受性が低下します。通常、臭いは 50 ppm 未満の濃度で検出できますが、感覚が鈍くなった人は 100 ppm の濃度でも臭いを検出できない場合があります。無水アンモニアは銅や亜鉛を含む合金を腐食するため、真鍮製の継手はガスの取り扱いには適していません。液体アンモニアは、ゴムや特定のプラスチックを侵すこともあります。
アンモニアはハロゲンと激しく反応します。アンモニアがヨウ素と接触すると、主要な高性能爆薬である三ヨウ化窒素が生成されます。アンモニアはエチレンオキシドの爆発的な重合を引き起こします。また、金、銀、水銀、ゲルマニウム、テルルの化合物、およびスチビンと爆発性の雷化合物を形成します。アセトアルデヒド、次亜塩素酸塩溶液、フェリシアン化カリウム、過酸化物との激しい反応も報告されています。
生産
1950年～2020年の世界アンモニア生産量（固定窒素換算、米トン）[142]
アンモニアは無機化学物質の中で最も生産率が高い物質の一つです。生産量は「固定窒素」という単位で表現されることもあります。2020年の世界生産量は1億6000万トン（固定窒素147トン）と推定されています。[143]そのうち中国が26.5%を占め、次いでロシアが11.0%、米国が9.5%、インドが8.3%となっています。[143]
第一次世界大戦が始まる前は、ほとんどのアンモニアはラクダの糞を含む窒素を含む植物や動物の廃棄物の乾留[144]によって得られ、亜硝酸と亜硝酸塩を水素で還元して蒸留されていました。また、石炭の蒸留や、生石灰などのアルカリ水酸化物[145]によるアンモニウム塩の分解によっても生産されていました。[21]
小規模な実験室での合成では、尿素と水酸化カルシウムまたは水酸化ナトリウムを加熱します。
- (NH 2 ) 2 CO + Ca(OH) 2 → CaCO 3 + 2 NH 3
ハーバー・ボッシュ
ハーバー法[146]はハーバー・ボッシュ法とも呼ばれ、アンモニアを製造する主な工業的手順である。[147] [148]この方法では、細かく粉砕した金属鉄を触媒として 用いて、大気中の窒素（N2 ）を水素（H2 ）と反応させてアンモニア（NH3）に変換する。
この反応は室温では熱力学的に有利ですが、速度論的には非常に遅いです。触媒が十分に活性で反応が平衡まで進む高温では、反応は生成物よりも反応物に有利になります。その結果、反応を前進させるには高圧が必要になります。
ドイツの化学者フリッツ・ハーバーとカール・ボッシュは、20世紀の最初の10年間にこのプロセスを開発し、ビルケランド・アイデ法やフランク・カロ法などの既存の方法よりも効率が向上したことで、アンモニアの工業生産における大きな進歩となりました。[149] [150] [151]ハーバー法は水蒸気改質と組み合わせることで、水、天然ガス、大気中の窒素というわずか3つの化学物質を投入するだけでアンモニアを生産できます。ハーバーとボッシュの両者は最終的にノーベル化学賞を受賞しました。ハーバーは1918年にアンモニア合成の功績により、ボッシュは1931年に高圧化学に関連する貢献により受賞しました。電気化学
アンモニアは電気化学的に合成できる。必要なのは窒素源（大気中）と水素（水）のみで、使用時に生成できる。再生可能エネルギーを利用できるため、排出ゼロの生産が可能になる。[152] [153]
「グリーンアンモニア」とは、水の電気分解などの炭素を含まない資源から生成される水素から生成されるアンモニアの名称です。この資源から生成されるアンモニアは、地球規模の気候変動にまったく影響を与えない液体燃料として使用できます。
もう一つの電気化学的合成モードでは、還元的に窒化リチウムを形成し、水素などのプロトン源があれば、これをプロトン化してアンモニアにすることができる。このプロセスの開発初期には、エタノールがそのような源として使われていた。この化学反応の最初の使用は1930年に報告され、エタノール中のリチウム溶液を使用して、最大1000バールの圧力でアンモニアを生成した。[154] 1994年に、恒藤らはテトラヒドロフラン中でのリチウム電着を使用して、より中程度の圧力で妥当なファラデー効率でアンモニアを合成した。[155]その後の研究では、電気化学的アンモニア合成のためのエタノール–テトラヒドロフラン系がさらに研究されてきた。[156] [157]エタノールは、窒素還元反応へのプロトン移動を媒介するだけでなく、電解質の変化に影響を与え、固体電解質界面の形成に寄与し、全体的な反応効率を高めるなど、多面的な役割を果たすことがわかっている[158] [156]
2020年には、溶媒に依存しないガス拡散電極が反応性リチウムへの窒素輸送を改善することが示されました。常温および1バールの圧力で、最大30±5nmol/s/cm2のNH3生成速度と最大47.5 ±4％のファラデー効率が達成されました。[159]
エタノールはテトラアルキルホスホニウム塩に置き換えることができる。[160]この研究では、室温で0.5バールの水素と19.5バールの窒素分圧下で、69±1％のファラデー効率実験で53±1nmol/s/cm 2のNH 3生成速度が観察された。[160]
2022年には、連続フロー電解装置でリチウムを介したプロセスによってアンモニアが生成され、水素ガスがプロトン源として実証されました。この研究では、1バール、室温で電流密度-6mA/cm2で、61±1%のファラデー効率でアンモニアを合成しました。[ 161]
生化学と医学
アンモニアは生命に不可欠です。[163]例えば、アンモニアは生命の基本的な構成要素であるアミノ酸や核酸の形成に必要です。しかし、アンモニアは非常に有毒です。そのため、自然界ではアンモニアの運搬体が使われています。細胞内ではグルタミン酸がこの役割を果たしています。血流中では、グルタミンがアンモニアの供給源です。[164]
細胞膜に必要なエタノールアミンは、アンモニアを生成するエタノールアミンアンモニアリアーゼの基質である。[165]
- H 2 NCH 2 CH 2 OH → NH 3 + CH 3 CHO
アンモニアは、生物圏全体における代謝廃棄物であると同時に代謝入力でもある。アンモニアは生物システムにとって重要な窒素源である。大気中の窒素は豊富（75%以上）であるが、二原子形態の大気中の窒素、すなわちN2ガスを利用できる生物はほとんどいない。そのため、タンパク質の構成要素であるアミノ酸の合成には窒素固定が必要である。一部の植物は、土壌中に取り込まれたアンモニアやその他の窒素廃棄物に依存している。窒素固定マメ科植物などの他の植物は、大気中の窒素からアンモニアを生成する根粒菌との共生関係から恩恵を受けている。 [166]
人間の場合、高濃度のアンモニアを吸入すると致命的となる可能性があります。アンモニアは神経毒性があるため、アンモニアにさらされると頭痛、浮腫、記憶障害、発作、昏睡を引き起こす可能性があります。[167]
生合成
特定の生物では、窒素固定酵素と呼ばれる酵素によって大気中の窒素からアンモニアが生成されます。このプロセス全体を窒素固定と呼びます。生物学的窒素固定のメカニズムを理解するために、多大な努力が払われてきました。この問題に対する科学的関心は、酵素の活性部位の異常な構造、すなわちFe 7 MoS 9集合体によって動機付けられています。[168]
アンモニアは、グルタミン酸脱水素酵素 1などの酵素によって触媒されるアミノ酸の 脱アミノ化の代謝産物でもあります。アンモニアの排泄は水生動物でよく見られます。ヒトの場合、アンモニアはすぐに尿素に変換されます(肝臓で)。尿素は毒性がはるかに低く、特に塩基性が低いです。この尿素は、乾燥重量の尿の主成分です。爬虫類、鳥類、昆虫、カタツムリのほとんどは、尿酸を窒素性廃棄物としてのみ排泄します。
生理
アンモニアは、正常および異常な動物生理の両方において役割を果たしている。アンモニアは、通常のアミノ酸代謝によって生合成され、高濃度では有毒である。肝臓は、尿素回路として知られる一連の反応によって、アンモニアを尿素に変換する。肝硬変で見られるような肝機能障害は、血液中のアンモニア濃度の上昇（高アンモニア血症）につながる可能性がある。同様に、オルニチントランスカルバミラーゼなどの尿素回路を担う酵素の欠陥も、高アンモニア血症につながる。高アンモニア血症は、肝性脳症の混乱や昏睡、および尿素回路欠陥や有機酸尿症の患者によく見られる神経疾患の一因となる。[169]
アンモニアは動物の正常な酸塩基バランスにとって重要である。グルタミンからアンモニウムが生成された後にα-ケトグルタル酸が分解されて2つの重炭酸イオンが生成され、これが食事中の酸の緩衝剤として利用される。アンモニウムは尿中に排泄され、結果として酸が失われる。アンモニア自体は尿細管を拡散し、水素イオンと結合してさらなる酸の排泄を可能にする。[170]
排泄
アンモニウムイオンは動物の代謝によって生じる有毒な老廃物である。魚類や水生無脊椎動物では、アンモニウムイオンは水中に直接排泄される。哺乳類、サメ、両生類では、アンモニウムイオンは尿素回路で尿素に変換され、毒性が低く、より効率的に貯蔵できる。鳥類、爬虫類、陸生巻貝では、代謝されたアンモニウムは尿酸に変換され、尿酸は固体であるため、最小限の水分損失で排泄できる。[171]
地球外現象
アンモニアは、メタン、水素、ヘリウムなどの他のガスとともに、木星、土星、天王星、海王星などの巨大惑星 の大気中に検出されています。土星の内部には凍結したアンモニア結晶が含まれている可能性があります。[172]アンモニアは、火星の2つの衛星であるデイモスとフォボスで発見されています。[要出典]
星間空間
アンモニアは1968年に銀河核の方向からのマイクロ波放射に基づいて、星間空間で初めて検出されました。[173]これは、このように検出された最初の多原子分子でした。この分子は広範囲の励起に敏感であり、多くの領域で簡単に観測できるため、分子雲の研究において最も重要な分子の1つとなっています。[174]アンモニア線の相対的な強度は、放射媒体の温度を測定するために使用できます。
これまでに検出されたアンモニア同位体種は、NH 3、15 NH 3、NH 2 D、NHD 2、ND 3である。重水素は比較的希少であるため、三重重水素化アンモニアの検出は驚きであった。低温条件により、この分子が生き残り、蓄積すると考えられる。[175]
星間物質の発見以来、NH 3 は星間物質の研究において非常に貴重な分光ツールであることが証明されています。広範囲の励起条件に敏感な多数の遷移を持つNH 3 は、天文学的に広く検出されており、その検出は数百のジャーナル記事で報告されています。以下に、アンモニアの特定に使用されてきたさまざまな検出器を紹介するジャーナル記事の例を示します。
星間アンモニアの研究は、過去数十年間、多くの研究分野にとって重要でした。そのいくつかを以下に概説しますが、主にアンモニアを星間温度計として使用することが研究の目的です。
星間形成のメカニズム
星間アンモニアの存在量は様々な環境で測定されている。[ NH 3 ]/[ H 2 ]比は、小さな暗黒雲[176]での10 −7から、オリオン分子雲複合体の高密度核での10 −5までの範囲であると推定されている[177]。合計18の生成経路が提案されているが[178]、星間NH 3の主な生成メカニズムは次の反応である。
- [NH 4 ] + + e − → NH 3 + H
この反応の速度定数kは環境温度に依存し、10 Kではkとなる。 [179]速度定数は式 から計算された。一次生成反応の場合、a = 1.05 × 10 −6およびB = −0.47。NH + 4の存在度が で、分子雲に典型的な電子の存在度が 10 −7であると仮定すると、形成は1.6 × 10 −9 cm −3 s −1の分子雲の全密度10 5 cm −3 . [180]
提案されている他のすべての生成反応の速度定数は2桁から13桁小さいため、アンモニアの存在量への寄与は比較的重要ではありません。[181]他の生成反応の寄与が小さい例として、次の反応が挙げられます。
- H 2 + NH 2 → NH 3 + H
反応速度定数は2.2 × 10 −15です。H 2密度を10 5 、 [ NH 2 ]/[ H 2 ]比を10 −7と仮定すると、この反応は2.2 × 10 −12の速度で進行し、上記の一次反応よりも3桁以上遅くなります。
その他の可能性のある形成反応には以下のものがあります。
- H − + [NH 4 ] + → NH 3 + H 2
- [PNH 3 ] + + e − → P + NH 3
星間破壊のメカニズム
NH3の分解につながる反応は全部で113種類提案されている。そのうち39種類はC、N、O化合物間の化学反応の詳細な表にまとめられている。[182]星間アンモニアのレビューでは、主な解離メカニズムとして以下の反応が挙げられている。[174]
速度定数はそれぞれ 4.39×10 −9 [183] と 2.2×10 −9、[184]である。上記の式 ( 1、2 ) は、それぞれ 8.8×10 −9と 4.4×10 −13の速度で実行される。これらの計算では、速度定数と存在比 [ NH 3 ]/[ H 2 ] = 10 −5、[ [H 3 ] + ]/[ H 2 ] = 2×10 −5、[ HCO + ]/[ H 2 ] = 2×10 −9 、および冷たく濃い分子雲に典型的な全密度n = 10 5を仮定している。 [185]明らかに、これら 2 つの主要な反応のうち、式 ( 1 ) が支配的な破壊反応であり、速度は式 ( 2 )の約 10,000 倍速い。これは[H 3 ] +の相対的に高い存在量によるものです。
単一アンテナ検出
エッフェルスベルク100メートル電波望遠鏡によるNH 3の電波観測では、アンモニアの線が背景の尾根と未分解の核の2つの成分に分かれていることが明らかになった。背景は、以前にCOが検出された場所とよく一致している。[186]イギリスの25メートルチルボルトン望遠鏡は、 HII領域、HNH 2 Oメーザー、H-H天体、および星形成に関連するその他の天体でアンモニアの電波特性を検出した。輝線幅の比較から、分子雲の中心核では乱流または系統的速度が増加していないことがわかる。[187]
アンモニアからのマイクロ波放射は、W3(OH)、オリオンA、W43、W51、銀河中心の5つの源を含むいくつかの銀河系天体で観測されました。高い検出率は、これが星間物質によく見られる分子であり、銀河系では高密度領域が一般的であることを示している。[188]
干渉計による研究
VLAによる高速ガス流出を伴う7つの領域での NH3の観測では、L1551、S140、ケフェウス座Aで0.1pc未満の凝縮が明らかになった。ケフェウス座Aでは3つの個別の凝縮が検出され、そのうちの1つは非常に細長い形状をしていた。それらは、この領域での双極流出の形成に重要な役割を果たしている可能性がある。[189]
銀河系外アンモニアは、VLAを使用してIC 342で撮影されました。高温ガスの温度は70 Kを超えており、これはアンモニアの線比から推測され、COで見られる核バーの最内部と密接に関連しているようです。[190]また、VLAによって4つの銀河系超コンパクトHII領域のサンプルに向かって NH 3が監視されました：G9.62+0.19、G10.47+0.03、G29.96-0.02、およびG31.41+0.31。温度と密度の診断に基づいて、一般的にこのような塊は、超コンパクトHII領域が発達する前の初期の進化段階で大質量星が形成された場所である可能性が高いと結論付けられています。[191]
赤外線検出
固体アンモニアによる2.97マイクロメートルの吸収は、ベックリン・ノイゲバウアー天体の星間粒子から記録され、おそらくNGC 2264-IRでも記録された。この検出は、これまであまり理解されていなかった関連する氷の吸収線の物理的形状を説明するのに役立った。[192]
木星の円盤のスペクトルはカイパー航空天文台から得られ、100～300cm -1のスペクトル範囲をカバーしています。スペクトルの分析により、アンモニアガスとアンモニア氷のもやの全球平均特性に関する情報が得られます。[193]
NH3の(J,K)=(1,1)回転反転線を用いて、合計149の暗黒雲の位置で「高密度コア」の証拠が調査された。一般に、コアは球形ではなく、アスペクト比は1.1から4.4の範囲である。また、星のあるコアは星のないコアよりも線が広いこともわかった。[194]
アンモニアは、ドラコ星雲と、高緯度銀河赤外線巻雲に関連する1つまたはおそらく2つの分子雲で検出されています。この発見は、銀河円盤で生成された可能性のある銀河ハロー内の種族Iの金属量B型星の誕生の場を表している可能性があるため、重要です。[195]
近くの暗雲の観測
誘導放出と自然放出をバランスさせることで、励起温度と密度の関係を構築することができます。さらに、アンモニアの遷移レベルは低温での 2 レベル システムで近似できるため、この計算はかなり簡単です。この前提は、暗黒雲、極度に低温であると疑われる領域、将来の星形成の可能性のある場所に適用できます。暗黒雲でアンモニアが検出されると、非常に細い線が示されます。これは、低温だけでなく、雲内部の乱流が低いことを示しています。線比の計算により、以前の CO 観測とは関係のない雲の温度の測定値が得られます。アンモニアの観測は、回転温度が ≈10 K の CO 測定と一致していました。これにより密度を決定でき、暗黒雲では 10 4 から 10 5 cm −3 の範囲であると計算されています。NH 3のマッピング により、典型的な雲のサイズは 0.1 pc、質量は太陽質量の 1 倍近くになります。これらの冷たく高密度の核は、将来の星形成の場所です。
UC HII地域
超小型 HII 領域は、高質量星形成の最も優れたトレーサーの 1 つです。UCHII 領域を取り囲む高密度物質は、主に分子であると考えられます。大質量星形成の完全な研究には、星が形成された雲が必ず含まれるため、アンモニアは周囲の分子物質を理解するための貴重なツールです。この分子物質は空間的に分解できるため、加熱/電離源、温度、質量、領域のサイズを制限できます。ドップラーシフトした速度成分により、分子ガスの明確な領域を分離して、形成中の星から発生する流出と高温コアを追跡できます。
銀河系外探知
アンモニアは外部銀河で検出されており、[196] [197]複数の線を同時に測定することで、これらの銀河のガス温度を直接測定することができます。線比は、ガス温度が暖かく（≈50 K）、数十パーセクの大きさの濃い雲から発生していることを示唆しています。この図は、私たちの天の川銀河内の図と一致しています。つまり、数百パーセク規模の分子物質の大きな雲（巨大分子雲; GMC）に埋め込まれた新しく形成される星の周りに、高温で高密度の分子核が形成されます。
参照
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- アンモニア噴水 – 化学実験の種類
- アンモニア生産- NH 3 生産の歴史と方法の概要
- アンモニア水 – 化合物
- 電力源別のコスト – さまざまな発電源のコストの比較
- フォーミングガス – 水素と窒素の混合物
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引用文献
- 「アクアアンモニア」。airgasspecialtyproducts.com。2010年11月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年11月28日閲覧。
- この記事には、現在パブリック ドメインとなっている出版物のテキストが組み込まれています: Chisholm, Hugh編 (1911)。「アンモニア」。Encyclopædia Britannica。第 1 巻 (第 11 版)。Cambridge University Press。pp. 861–863。
- クラーク、ジム（2013年4月）[2002]「ハーバープロセス」。2018年12月15日閲覧。
さらに読む
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- Weast, RC 編 (1972)。化学と物理のハンドブック(第 53 版)。クリーブランド、オハイオ州: Chemical Rubber Co.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、アンモニアに関連するメディアがあります。
- 国際化学物質安全性カード 0414 (無水アンモニア)、ilo.org。
- 国際化学物質安全性カード 0215 (水溶液)、ilo.org。
- PubChemの CID 222
- 「アンモニアと水溶液」（フランス語）。国立安全保障研究所。 2010 年 12 月 11 日のオリジナルからアーカイブ。
- ミネソタ州農業局によるアンモニア肥料流出（流出）に対する緊急対応。ammoniaspills.org
- 国立労働安全衛生研究所 – アンモニアページ、cdc.gov
- NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド - アンモニア、cdc.gov
- アンモニア、ビデオ