Ammonia - ammonia

Japanese: アンモニア - あんもにあ（英語表記）ammonia

A compound of nitrogen and hydrogen, it is a colorless gas with a strong, pungent odor at room temperature. Its chemical formula is NH ₃ . It dissolves well in water (dissolving about 1000 times its volume) to form ammonia water.

[Nakahara Katsunori]

history

Salt produced near the temple of Amon, the ancient Egyptian sun god, was called "salt of Amon" (sal ammoniacus), but at the time it came to refer to a white powder (actually ammonium chloride, _NH4Cl ) that was made from table salt and urine, and later the name ammonia was created for the product obtained from it. In 1774, John Priestley of England succeeded in synthesizing it for the first time.

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Existence

It exists in small amounts in the atmosphere, and is often present in trace amounts in natural water. It is also found in soil as a product of bacterial decomposition of nitrogen-containing organic compounds. When it is found in well water, it indicates the presence of decaying matter, making it unsuitable for drinking. It has also been found in the atmospheres of planets other than Earth, such as Jupiter and Saturn, and has also been confirmed to exist in outer space.

[Nakahara Katsunori]

Manufacturing method

Industrially, it is produced by reacting nitrogen and hydrogen under pressure at high temperatures. In laboratories, it can be obtained by heating commercially available concentrated ammonia water and drying the gas that is generated. Alternatively, it can be produced by heating ammonium salts with an alkali such as calcium hydroxide. In these cases, acidic desiccants (concentrated sulfuric acid or diphosphorus pentoxide) or calcium chloride should not be used as drying agents to dry basic ammonia gas (they will produce ammine complex salts). Usually, calcium oxide or sodium hydroxide is used.

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nature

At room temperature, it is a colorless gas with a peculiar odor, but can be easily liquefied by compression (for example, at 20°C, at 8.46 atmospheres). Its molecular structure is a triangular pyramid, with hydrogen atoms forming an equilateral triangle (163 pm on each side), with a nitrogen atom located 38 pm above the center. The nitrogen atom vibrates up and down relative to the plane formed by the hydrogen atoms, which is why it is used in atomic clocks. Ammonia gas does not burn in air, but burns with a yellow flame in oxygen, producing nitrogen and water. When oxidized using a catalyst, nitric oxide is obtained, which is further oxidized to nitrogen dioxide, and when treated with water, nitric acid is obtained, so this reaction is used to manufacture nitric acid. It reacts with metals such as sodium and magnesium to produce amides and nitrides, and with halogens to liberate nitrogen. Its aqueous solution is called ammonia water, which is alkaline, forms salts with acids, and reacts with various metal salts to form ammine complex salts. When the gas is liquefied, it is called liquid ammonia, a colorless, transparent liquid with properties similar to water, and is used as a solvent.

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analysis

When it is present in a gaseous form, it can be absorbed by water or acid, and when it is dissolved in water, its presence can be detected by the yellow-brown color that appears when Nessler's reagent is added. It can also be easily detected by adding sodium hydroxide to an aqueous solution and heating it, which gives off the characteristic ammonia odor. This odor is extremely strong and can be detected even in very small amounts (17 milligrams per cubic meter).

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Applications

It is most commonly used as a fertilizer, accounting for 85-90% of the total ammonia production in Japan. The remainder is for industrial use. As a fertilizer, it has mainly been converted into ammonium sulfate, but recently it has been used more often as urea. For industrial purposes, it is used in the production of nitric acid, in the ammonia soda process for producing soda ash (anhydrous sodium carbonate), and as a raw material for organic synthesis.

[Nakahara Katsunori]

Ammonia water

A solution of ammonia is called ammonia water. It is made by dissolving ammonia in water, but it must be cooled as it generates heat. The higher the concentration, the lower the specific gravity. For example, at 15°C, the specific gravity is 0.960 for 9.91% ammonia, 0.926 for 19.87%, and 0.898 for 30.37%. Based on various experimental facts, the state of ammonia molecules in ammonia water is considered to be intermediate between _NH3.H2O with added water molecules and _NH4OH _, and therefore it is incorrect to call _an ammonia solution ammonium hydroxide. It is a colorless, transparent liquid with an ammonia odor and a pungent taste, and is alkaline. This is because
_NH3 + _H2ONH4 ⁺ + _OH ^-
The equilibrium constant K _b in this case is

When heated or in the presence of a strong alkali, the solubility decreases and ammonia is lost.

Its important uses as a reagent, such as a precipitant and buffer, are also important, but it is also used in medicines such as for cleaning clothing and as a local irritant, stimulant, antacid, and neutralizer.

When exposed to air, it evaporates and absorbs carbon dioxide and other acidic vapors from the air, so it should be stored sealed with a rubber, plastic, or glass stopper. Commercially available products usually absorb carbon dioxide from the air and become partially carbonated, so for precise purposes, barium hydroxide can be added, boiled, and the resulting ammonia can be dissolved in distilled water that does not contain carbon dioxide. Concentrated ammonia water can erupt explosively when the temperature rises, so it should be stored in a cool place. In particular, in summer, it can erupt when the stopper is opened, so great care must be taken not to get it in your eyes.

[Nakahara Katsunori]

Liquid ammonia

Ammonia in liquid form is called liquid ammonia, or liquid ammonia for short. It is colorless, transparent, highly fluid, and exhibits properties similar to those of water, dissolving many different compounds. Furthermore, solutions containing electrolytes undergo ionic reactions similar to those seen in aqueous solutions, and indicators change color due to changes in hydrogen ion concentration. When various compounds are dissolved in liquid ammonia, solvolysis occurs, similar to the hydrolysis that occurs in aqueous solutions, and this is called ammonolysis or ammonolysis. For example, in liquid ammonia, the solvolysis of water is 2H ₂ OH ₃ O ⁺ +OH ^-
2NH ₃ NH ₄ ⁺ ＋NH ₂ ^-
Therefore, if heavy metal salts are placed in liquid ammonia, for example,

This reaction is shown in the following example:

corresponds to the hydrolysis of

Ammonolysis can also be used when organic compounds react with not only liquid ammonia but also with ammonia solution to introduce amino groups such as _-NH2 . For example, this is seen in halides, acid anhydrides, and esters.

And so on.

Liquid ammonia is used as a non-aqueous solvent in the study of various solution reactions, and is also used directly as a fertilizer. In addition, because of its large heat of vaporization, it was also used as a refrigerant in the past, but is no longer used much today.

When handling it, care must be taken to avoid direct contact with the eyes, nose, mouth, etc. as it attacks mucous membranes.

[Nakahara Katsunori]

"Inorganic Industrial Chemistry, edited by Shiokawa Jiro, 2nd edition (1993, Kagaku Dojin)" ▽ "Inorganic Industrial Chemistry - Current Status and Outlook, written by Kanazawa Takafumi, Taniguchi Masao, Suzuki Takashi, and Wakihara Masataka (1994, Kodansha)" ▽ "Medical Ammoniacology, edited by Watanabe Meiji and Saeki Takeyori (1995, Medical Review Co., Ltd.)" ▽ "Chemical Handbook: Applied Chemistry, edited by the Chemical Society of Japan, 2 volumes, revised 6th edition (2003, Maruzen)"

Ammonia molecule
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Ammonia molecule

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

窒素と水素の化合物で、常温では無色、強い刺激臭のある気体である。化学式NH₃。水によく溶け（体積で約1000倍溶ける）アンモニア水となる。

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歴史

古代エジプトの太陽神アモンAmonの寺院の近くから産する塩を「アモンの塩」sal ammoniacusといっていたが、当時食塩と尿とからつくられていた白色粉末（実は塩化アンモニウムNH₄Cl）をさすようになり、このことばが転化して、のち、これから得られるものとしてアンモニアの名が生じた。1774年にイギリスのJ・プリーストリーが初めて合成に成功した。

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存在

大気中には少量存在し、天然水中にも微量存在することが多い。また土壌中には細菌による含窒素有機化合物の分解生成物として含まれている。これが井戸水などに含まれている場合には、腐敗物質の存在を示すことになり、飲料水として不適当である。なお、地球以外の惑星、たとえば木星や土星などの大気中にもその存在が認められ、宇宙空間でも存在することが確認されている。

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製法

工業的には窒素と水素とを加圧下、高温で反応させてつくる。実験室では市販の濃アンモニア水を加熱して、発生する気体を乾燥すると得られる。あるいはアンモニウム塩を水酸化カルシウムなどのアルカリと熱してつくる。これらの場合、塩基性のアンモニアガスを乾燥するのに、乾燥剤として酸性のもの（濃硫酸や五酸化二リン）、あるいは塩化カルシウムなどを使ってはならない（アンミン錯塩をつくってしまう）。通常は酸化カルシウムか水酸化ナトリウムを用いる。

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性質

常温では無色、特異臭を有する気体であるが、圧縮すると簡単に液体にすることができる（たとえば20℃ならば8.46気圧）。分子構造は三角錐(すい)形で、水素原子は正三角形（1辺163ピコメートル）をつくり、その中心から38ピコメートル高いところに窒素原子がある。この水素原子のつくる平面に対し、窒素原子が上下する振動があるため、原子時計に利用される。気体のアンモニアは空気中では燃えないが、酸素中では黄色の炎をあげて燃え、窒素と水とを生ずる。このとき触媒を用いて酸化すると一酸化窒素が得られ、これをさらに酸化して二酸化窒素とし、水で処理すると硝酸が得られるので、この反応は硝酸製造に用いられる。ナトリウムやマグネシウムなどの金属とは反応してアミドや窒化物をつくり、ハロゲンとは反応して窒素を遊離する。水溶液はアンモニア水といい、アルカリ性で、酸とは塩をつくり、各種の金属塩とは反応してアンミン錯塩をつくる。気体を液化したものを液体アンモニアといい、水によく似た性質をもつ無色透明の液体で、溶媒として用いられる。

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分析

気体中に含まれるときは、水または酸に吸収させ、水に溶けているときは、そのままネスラー試薬を加えると黄褐色になることによって存在が知られる。また、水溶液に水酸化ナトリウムを加えて熱すると、アンモニアの特異臭があることによって簡単に知ることができる。この臭気はきわめて強く、ごく微量でも（1立方メートル当り17ミリグラム）知ることができる。

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用途

肥料としてもっとも多く用いられ、その量は日本ではアンモニア全生産量の85～90％に達する。残りが工業用である。肥料としてはこれまで主として硫安に変えられていたが、最近では尿素として用いるほうが多くなっている。工業用としては、硝酸の製造、ソーダ灰（無水炭酸ナトリウム）製造のアンモニアソーダ法での使用、有機合成原料などとして用いられる。

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アンモニア水

アンモニアの水溶液をアンモニア水という。アンモニアを水に溶かしてつくるが、発熱するので冷却しつつ行う必要がある。濃度が高いほど比重が小さい。たとえば15℃のとき、アンモニア9.91％で比重0.960、19.87％で0.926、30.37％で0.898である。アンモニア水中でのアンモニア分子の状態は、種々の実験事実から水酸化アンモニウムNH₄OHの存在は考えられず、水分子の付加したNH₃・H₂OとNH₄OHの中間状態にあるものとされている。したがってアンモニアの水溶液を水酸化アンモニムのようによぶのは誤りである。無色透明の液体で、アンモニア臭と刺激性の味をもち、アルカリ性を示す。これは、
　　NH₃＋H₂ONH₄⁺＋OH^-
の平衡によるものであるが、このときの平衡定数K_bは、

であって、弱アルカリ性である。熱した場合、もしくは、強アルカリが存在する場合は、溶解度が減少してアンモニアを失う。

　沈殿剤、緩衝剤など試薬としての用途が重要であるが、衣類の洗浄や局所刺激剤、興奮剤、制酸剤、中和剤などの医薬品としても用いられる。

　空気に触れさせておくと、揮発し、また空気中から二酸化炭素その他の酸性蒸気を吸収するから、ゴム、プラスチック、ガラスなどの栓で密栓して保存する。市販品は通常、空気中の二酸化炭素を吸収して一部が炭酸塩となっているので、厳密な目的のためには、水酸化バリウムを加えて煮沸し、出てくるアンモニアを、二酸化炭素を含まない蒸留水に溶かして使用することがある。濃アンモニア水は温度が上昇すると爆発的に噴出することがあるので、冷所に貯蔵する。とくに夏は栓をあけるとき噴き出すことがあるので、目に入れることのないように、十分注意しなければならない。

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液体アンモニア

アンモニアを液体にしたものを液体アンモニアという。略して液安ともいう。無色透明で、流動性が強く、水によく似た性質を示し、多くの各種化合物を溶解する。さらに電解質を溶かした溶液は、水溶液の場合と同じようなイオン反応、水素イオン濃度の変化による指示薬の変色などがみられる。このように各種化合物を液体アンモニアに溶かしたときには、水溶液中でおこす加水分解と同じように加溶媒分解をおこすが、これをアンモノリシスあるいは加安分解といっている。たとえば液体アンモニア中では、水の
　　2H₂OH₃O⁺＋OH^-
に対応した
　　2NH₃NH₄⁺＋NH₂^-
があるため、重金属の塩類を液体アンモニア中に置くと、たとえば

のような反応を示す。これはたとえば水中での

の加水分解に対応している。

　また有機化合物が液体アンモニアだけでなく、アンモニア溶液と反応してアミノ基-NH₂などが導入される場合もアンモノリシスということがある。たとえば、ハロゲン化物、酸無水物、エステルなどにみられる、

などがそうである。

　液体アンモニアは、非水溶媒として種々の溶液反応の研究に用いられるほか、直接に肥料としても使われる。なお蒸発熱が大きいため古く冷凍用寒剤としても用いられたが、現在ではあまり使われていない。

　取り扱う場合、粘膜を侵すので目、鼻、口などに直接触れないように注意する必要がある。

［中原勝儼］

『塩川二朗編『無機工業化学』第2版（1993・化学同人）』▽『金沢孝文・谷口雅男・鈴木喬・脇原将孝著『無機工業化学――現状と展望』（1994・講談社）』▽『渡辺明治・佐伯武頼編著『医科アンモニア学』（1995・メディカルレビュー社）』▽『日本化学会編『化学便覧　応用化学編』全2巻・改訂第6版（2003・丸善）』