アンモニア

アンモニア
アンモニア分子の立体構造式
アンモニア分子の立体構造式
アンモニア分子の球棒モデル
アンモニア分子の球棒モデル
アンモニア分子の空間充填モデル
アンモニア分子の空間充填モデル
名前
IUPAC名
アンモニア[ 1 ]
IUPAC体系名
アザネ
その他の名前
  • 窒化水素
  • R-717
  • R717（冷媒）
  • アミドゲン
  • 水素アミン
  • 窒素水素化物
識別子
3Dモデル（JSmol）
3587154
チェビ
チェムブル
ケムスパイダー
ECHA 情報カード100.028.760
EC番号
  • 231-635-3
79
ケッグ
メッシュアンモニア
RTECS番号
  • BO0875000
ユニイ
国連番号1005
  • InChI=1S/H3N/h1H3 チェックはい
    キー: QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N チェックはい
  • InChI=1/H3N/h1H3
    キー: QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYAF
  • 北
プロパティ
NH 3
モル質量17.031  g·mol −1
外観 無色の気体
臭い強い刺激臭
密度
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 気圧 (11,280 kPa)
  • 530g/l(20℃)
  • 320g/l(25℃) [ 5 ]
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857.3 kPa
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）
−18.0 × 10 −6  cm 3 /モル
屈折率（nD ）
1.3327
粘度
  • 10.07 µPa·s (25 °C) [ 7 ]
  • 0.276 mPa·s (-40 °C)
構造
C 3v
三角錐
1.42  D
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 ]
GHS05: 腐食性GHS06: 有毒GHS09: 環境ハザード
危険
H314、H331、H410
P260、P273、P280、P303+P361+P353、P304+P340+P311、P305+P351+P338+P310
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 3: Short exposure could cause serious temporary or residual injury. E.g. chlorine gasFlammability 1: Must be pre-heated before ignition can occur. Flash point over 93 °C (200 °F). E.g. canola oilInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazard COR: Corrosive; strong acid or base. E.g. sulfuric acid, potassium hydroxide
3
1
0
コル
651℃（1,204°F; 924K）
爆発限界15.0～33.6%
致死量または濃度（LD、LC）：
LD 50（中間投与量）
350 mg/kg（ラット、経口）[ 9 ]
LC 50（中央値濃度）
  • 40,300 ppm（ラット、10分）
  • 28,595 ppm（ラット、20分）
  • 20,300 ppm（ラット、40分）
  • 11,590 ppm（ラット、1時間）
  • 7338 ppm（ラット、1時間）
  • 4837 ppm（マウス、1時間）
  • 9859 ppm（ウサギ、1時間）
  • 9859 ppm（猫、1時間）
  • 2000 ppm（ラット、4時間）
  • 4230 ppm（マウス、1時間）[ 10 ]
  • 5000 ppm（哺乳類、5分）
  • 5000 ppm（ヒト、5分）[ 10 ]
NIOSH（米国健康曝露限界）: [ 12 ]
PEL（許可）
50 ppm（ACGIH -TLV 25 ppm、 STEL 35 ppm ）
REL（推奨）
TWA 25 ppm (18 mg/m 3 ) ST 35 ppm (27 mg/m 3 )
IDLH（差し迫った危険）
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
関連化合物
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）における材料のものです。
チェックはい 検証する （何ですか  ？） チェックはい☒北

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。 [ 13 ]肥料、冷媒、爆薬、洗浄剤に広く使用されており、多くの化学物質の原料でもあります。[ 13 ]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。[ 14 ]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、さまざまな形と組成の肥料の製造に使用されます[ 15 ]。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における構成要素でもあります。多くの国では、極めて危険な物質に分類されています。[ 16 ]アンモニアは毒性があり、細胞や組織に損傷を与えます。そのため、ほとんどの動物では、溶解した尿素の形で尿中に排泄されます。

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成されますが、工業的にはハーバー法によって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。[ 17 ] [ 18 ]工業用アンモニアは、タンカーによる道路輸送、タンク車による鉄道輸送、ガス運搬船による海上輸送、またはシリンダー輸送されます。[ 19 ]アンモニアは自然界にも存在し、星間物質でも検出されています。

アンモニアは1気圧で-33.34℃（-28.012℉）で沸騰しますが、液体であるため実験室では外部冷却なし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、アンモニアを水溶液に溶かしたものです。

語源

アンモニアという名前は、エジプトの神アモン（ギリシャ語でAmmon ）の名前に由来する。エジプトの神殿の司祭や旅人が、動物の糞尿からできた塩化アンモニウムを多く含んだ土を焼いていたからである。[ 13 ]プリニウスは『博物誌』第 31 巻で、 hammoniacumという塩について言及している。これは、その源がローマ帝国のキレナイカ属州にあったユピテルアモン（ギリシャ語でἌμμων Ammon）神殿に近いことから名付けられた。[ 20 ]しかし、プリニウスによるこの塩の記述は、塩化アンモニウムの特性と一致しない。ハーバート・フーバーによるゲオルギウス・アグリコラの『金属について』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。[ 21 ]いずれにせよ、こ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。

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物質と呼ばれます。[ 22 ]

自然発生（生物学的）

アンモニアは、地球、金星、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）まで下がるため、アンモニアは地質学的に重要な不凍液として機能する可能性があり、そのため、そのような天体は、水のみ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維持することができます。[ 23 ] [ 24 ]

大気現象

アンモニアは大気中に人為的および自然的起源の両方から発生します。主な発生源は農業で、その約80%を占めています。[ 25 ]これには、肥料、家畜が生産する尿素[ 25 ] 、そして堆肥が含まれます。バイオマスの燃焼も大気中のアンモニア濃度に寄与しており、森林火災と農業廃棄物の燃焼は、ほぼ同じ量のアンモニアを大気中に放出します。土壌や植物中のアンモニア濃度が空気中のアンモニア濃度よりも高い場合、アンモニアは土壌や植物から自然に放出されます。これは双方向交換モデルの一部分として知られています。[ 25 ]

大気中のアンモニアの主な吸収源は雨です。土壌中では、アンモニア酸化古細菌（AOA）とアンモニア酸化細菌（AOB）がアンモニアを亜硝酸塩に変換します。[ 26 ]これらの過程を経たアンモニアの大気中における寿命は12時間から48時間です。[ 27 ]

大気中のアンモニアの反応

大気中のアンモニアは硫酸や硝酸と反応して硫酸・硝酸塩エアロゾルを生成するが、この過程では蒸気圧が低い硫酸アンモニウムが主成分となる。[ 27 ] [ 28 ]これらのエアロゾルは気候に影響を与え、人体にも影響を及ぼす可能性がある。大気中のアンモニアは、ヒドロキシルラジカルによって自身も酸化される。[ 27 ]

NH 3 + ・OH → ・NH 2 + H 2 O

アンモニアの酸化による寿命は沈着による寿命よりもはるかに長く、最短で30日です。[ 27 ]アミノラジカルはその後、複数の化合物によって酸化され、亜酸化窒素などの温室効果ガスを生成します。アンモニアの酸化は一酸化窒素の生成にもつながり、都市部に比べて相対的に低いNO x濃度を示す農村部でも濃度を大幅に上昇させる可能性があります。[ 27 ]

プロパティ

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。分子間の強い水素結合により容易に液化します。気体アンモニアは無色の液体となり、 -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[ 29 ]。非常に高温高圧下でのデータはほとんどありませんが、液体-気体臨界点は405 K、11.35 MPaで発生します[ 30 ] 。

固体

結晶対称性は立方晶系、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。[ 31 ]

液体

液体アンモニアは、-35 °C（-31 °F）で22という高いε値を反映した強い電離力を持っています。 [ 32 ]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 [ 33 ] 、比較のために水は40.65 kJ/mol、メタン8.19 kJ/mol、ホスフィン14.6 kJ/mol）、加圧容器や冷蔵容器で輸送できますが、標準温度と圧力では液体の無水アンモニアは蒸発します。[ 34 ]

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、沸騰させることで蒸発させることができます。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表記されます。[ 35 ]水中のアンモニアの最大濃度（飽和溶液）は比重0.880であり、しばしば「.880アンモニア」と呼ばれます。[ 36 ]

飽和液体アンモニアの熱的および物理的性質[ 37 ] [ 38 ]
温度（℃） 密度（kg/m 3） 比熱（kJ/(kg·K)） 動粘度（m 2 /s） 熱伝導率（W/(m·K)） 熱拡散率（m 2 /s） プラントル数 体積弾性率（K −1）
−50 703.69 4.463 4.35×10 −70.547 1.74×10 −72.6
−40 691.68 4.467 4.06×10 −70.547 1.78×10 −72.28
−30 679.34 4.476 3.87×10 −70.549 1.80×10 −72.15
−20 666.69 4.509 3.81×10 −70.547 1.82×10 −72.09
−10 653.55 4.564 3.78×10 −70.543 1.83×10 −72.07
0 640.1 4.635 3.73×10 −70.540 1.82×10 −72.05
10 626.16 4.714 3.68×10 −70.531 1.80×10 −72.04
20 611.75 4.798 3.59×10 −70.521 1.78×10 −72.02 2.45×10 −3
30 596.37 4.89 3.49×10 −70.507 1.74×10 −72.01
40 580.99 4.999 3.40×10 −70.493 1.70×10 −72
50 564.33 5.116 3.30×10 −70.476 1.65×10 −71.99
大気圧下でのアンモニア（ NH3 ）の熱的および物理的性質[ 37 ] [ 38 ]
温度（K） 温度（℃） 密度（kg/m 3） 比熱（kJ/(kg·K)） 動粘度（kg/(m·s)） 動粘度（m 2 /s） 熱伝導率（W/(m·K)） 熱拡散率（m 2 /s） プラントル数
273 −0.15 0.7929 2.177 9.35×10 −61.18×10 −50.0220 1.31×10 −50.90
323 49.85 0.6487 2.177 1.10×10 −51.70×10 −50.0270 1.92×10 −50.88
373 99.85 0.559 2.236 1.29×10 −51.30×10 −50.0327 2.62×10 −50.87
423 149.85 0.4934 2.315 1.47×10 −52.97×10 −50.0391 3.43×10 −50.87
473 199.85 0.4405 2.395 1.65×10 −53.74×10 −50.0467 4.42×10 −50.84
480 206.85 0.4273 2.43 1.67×10 −53.90×10 −50.0492 4.74×10 −50.822
500 226.85 0.4101 2.467 1.73×10 −54.22×10 −50.0525 5.19×10 −50.813
520 246.85 0.3942 2.504 1.80×10 −54.57×10 −50.0545 5.52×10 −50.827
540 266.85 0.3795 2.54 1.87×10 −54.91×10 −50.0575 5.97×10 −50.824
560 286.85 0.3708 2.577 1.93×10 −55.20×10 −50.0606 6.34×10 −50.827
580 306.85 0.3533 2.613 2.00×10 −55.65×10 −50.0638 6.91×10 −50.817

液体アンモニアは広く研究されている非水イオン化溶媒です。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とは別に、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におけるイオン自己解離定数は約10 -33です。

無水アンモニアを運ぶ列車
溶解度（液体NH 3 100 gあたりの塩のg数）
酢酸アンモニウム253.2
硝酸アンモニウム389.6
硝酸リチウム243.7
硝酸ナトリウム97.6
硝酸カリウム10.4
フッ化ナトリウム0.35
塩化ナトリウム157.0
臭化ナトリウム138.0
ヨウ化ナトリウム161.9
チオシアン酸ナトリウム205.5

液体アンモニアは、水ほどではないものの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。[ 37 ]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名付けられたダイバーズ溶液）は、アンモニア1モルあたり0.83モルの溶質を含み、蒸気圧は25℃（77°F）でも1バール未満です。しかし、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。[ 39 ]

液体アンモニアは、すべてのアルカリ金属と、Ca [ 40 ] Sr [ 41 ] Ba [ 42 ] Eu [ 43 ] Yb [ 44 ] （電解プロセスを使用すればMgも溶解します [ 45 ] ）など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。この溶液には、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。高濃度では、溶液は金属的な外観と導電性を示します。低温では、2種類の溶液は混和しない相として共存します。

液体アンモニアの酸化還元特性

液体アンモニアボトル
E °（V、アンモニア） E °（V、水）
Li + + e − ⇌ Li−2.24 −3.04
K + + e − ⇌ K−1.98 −2.93
ナ+ + e − ⇌ ナ−1.85 −2.71
亜鉛2+ + 2 e − ⇌ 亜鉛−0.53 −0.76
2 [NH 4 ] + + 2 e − ⇌ H 2 + 2 NH 30.00 —
Cu 2+ + 2 e − ⇌ Cu+0.43 +0.34
Ag + + e − ⇌ Ag+0.83 +0.80

実際には、アンモニアは原理的にはどちらの条件でも不安定であるにもかかわらず、二窒素への酸化と二水素への還元はどちらも遅い。液体アンモニア溶液の熱力学的安定性は、容易に二窒素に酸化されるため低い。

N 2 + 6 [NH 4 ] + + 6 e − ⇌ 8 NH 3 E ° = +0.04 V

液体アンモニアの酸化は通常は遅いですが、特に遷移金属イオンが触媒として存在する場合は、爆発の危険性が依然として存在します。還元条件下でのアンモニアの安定性は、アルカリ金属を含む溶液の分解が数時間かかることから明らかです。この分解により、金属アミドと二水素が生成します。

2 NH 3 + 2 M → 2 MNH 2 + H 2

構造

アンモニアの分子構造とその立体形状。正味双極子モーメントは1.484  Dである。
アンモニアの点と十字の構造

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。 [ 41 ]中心の窒素原子は5つの外殻電子を持ち、各水素原子からの追加電子がある。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測される109.5°ではなく、106.7°である。[ 41 ]この形状により分子に双極子モーメントが与えられ、極性が与えられる。分子の極性、特に水素結合を形成できる能力により、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、つまりプロトンアクセプターとなる。アンモニアは中程度の塩基性を持ち、1.0  M水溶液のpHは11.6です。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[NH 4 ] + は正四面体の形状をしており、メタンと等電子状態にあります。

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様子に例えることができる。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であり、これは波長1.260 cmのマイクロ波放射に相当する。この周波数における吸収は、初めて観測されたマイクロ波スペクトルであり[ 42 ]、最初のメーザーに利用された。

塩基度

アンモニアの最も特徴的な性質の一つは、その塩基性です。アンモニアは弱塩基と考えられています。酸と反応してアンモニウム塩を形成します。例えば、塩酸と反応すると塩化アンモニウム、硝酸と反応すると硝酸アンモニウムなどを形成します。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反応しません。反応を起こすには水分が必要です。[ 43 ] [ 44 ]

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。この雲は、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

アンモニアは弱塩基としてよく知られていますが、極めて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）を形成することができます。例えば、リチウムは液体アンモニアに溶解し、青色のリチウムアミド溶液（溶媒和電子）を与えます。

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抱合体を形成します。

2 NH 3 ⇌ NH + 4 + NH − 2

アンモニアはしばしば弱塩基として作用するため、ある程度の緩衝能を有する。pHの変化により、溶液中のアンモニウム陽イオン（NH + 4）とアミド陰イオン（NH − 2）の量は変化し、増加したり減少したりする。標準圧力および温度において、

K = [NH + 4 ] × [NH − 2 ] = 10 −30。

燃焼

加熱されたCr 2 O 3はフラスコ内のアンモニアの燃焼を触媒します。

アンモニアは、空気中のアンモニア濃度が15～28%という狭い混合比の場合を除いて、容易に燃えず、燃焼も持続しません。 [ 45 ]酸素と混合すると、淡い黄緑色の炎を出して燃焼します。アンモニアに塩素が混入すると発火し、窒素と塩化水素が生成されます。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を生成するのは発熱反応です。

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モルあたりで表すと −316.8 kJ/mol )

標準燃焼エンタルピー変化ΔH ° cは、アンモニア1モルあたり、生成し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

その後の反応で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（白金メッシュ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、自己発火温度が高く、蒸発熱が高く、可燃範囲が狭いためです。しかし、最近の研究では、旋回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。[ 46 ]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。[ 47 ]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。[ 48 ]

有機窒素化合物の前駆体

アンモニアは、ほとんどの工業用窒素含有化合物の直接的または間接的な前駆物質です。また、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もあります。

アミンは、アンモニアとアルキルハライド、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合成できます。例えば、アンモニアは加熱するとギ酸（HCOOH）と反応してホルムアミド（HCONH 2 ）を生成します。最も反応性の高いのは塩化物ですが、生成した塩化水素を中和するには、アンモニアの濃度が少なくとも2倍以上である必要があります。エステルや無水物もアンモニアと反応してアミドを生成します。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℃に加熱することで脱水反応を起こしてアミドに 変換できます。

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過程によって生成され、アンモニアと空気を白金触媒を用いて700～850℃（1,292～1,562°F）、≈9気圧で酸化する。この反応では、一酸化窒素と二酸化窒素が中間体として生成される。 [ 49 ]

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。アルケンやアルコールと反応すると、アンモニアはアルキルアミンを生成する。

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。

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ており、五水素化窒素は常温で三価アンモニア（λ3アミン）と水素ガスに自然分解します。この物質は1966年に固体ロケット燃料の可能性について研究されました。[ 50 ]

アンモニアは次の化合物の製造にも使用されます。

シスプラチン（[Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 )は広く使用されている抗癌剤です。

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。注目すべきアンミン錯体の一つに、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・ヴェルナーによる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。ヴェルナーは、錯体[CrCl 3 (NH 3 ) 3 ]には2つの異性体（fac - とmer - ）しか形成できないことに注目し、配位子は金属イオンの周囲に八面体の頂点に配置されなければならないと結論付けました。

アンモニアは、ヨウ素、フェノール、アルミニウム(CH 3 ) 3などの様々なルイス酸と1:1付加物を形成します。アンモニアは硬塩基（HSAB理論）であり、そのEおよびCパラメータはそれぞれE B = 2.31、C B = 2.04です。一連の酸に対するアンモニアの相対的な供与強度は、他のルイス塩基と比較してCBプロットで表すことができます。

アンモニア検出に関連する反応

工業用アンモニア冷凍システムにおける小さな漏れを検出するために、硫黄棒を燃焼させる。実験室では、濃塩酸または塩化水素ガスを用いることでアンモニアガスを検出することができる。アンモニアとHClの反応により、濃い白色の煙（塩化アンモニウム蒸気）が発生する。 [ 51 ]

歴史

ジャービル・イブン・ハイヤーンは9世紀にアンモニアについて書いた。
この高圧アンモニア反応器は、1921 年にBASF社によってルートヴィヒスハーフェンに建設され、ドイツのカールスルーエ大学の敷地内に再建されました。

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、現在も塩湖が存在している）に塩の露頭があったと述べています。 [ 52 ] [ 53 ]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、古代の著述家ディオスコリデス、アピシウス、アッリアノス、シュネシウス、アミダーのアエティウスは、この塩は透明な結晶を形成し、調理に使用できる、本質的に岩塩であると説明しています。[ 54 ] Hammoniacus sal はプリニウスの著作に登場しますが、[ 55 ]この用語がより現代の sal ammoniac（塩化アンモニウム）に相当するかどうかは不明です。[ 29 ] [ 56 ] [ 57 ]

尿は細菌によって発酵され、アンモニア溶液を生成します。そのため、発酵尿は古代において布や衣類の洗濯、なめしの準備として皮から毛を取り除く、布を染色する際の媒染剤として、また鉄の錆取りに使用されていました。[ 58 ]また、古代の歯科医は歯を洗浄するために使用していました。[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]

アンモニアは、塩化アンモニウム（نشادر, nushadir）として、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・ハイヤーンに帰せられる『石の書』にも言及されています。[ 62 ]アンモニアは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・マグヌスによって言及されています。[ 29 ]アンモニアは、中世の染色家によって、発酵させた尿の形で植物染料の色を変えるために使用されました。15世紀には、バシリウス・ウァレンティヌスが、塩化アンモニウムにアルカリを作用させることでアンモニアを得られることを示しました。[ 63 ]後の時代には、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ようになり、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。[ 29 ] [ 64 ]

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）の反応によって初めて単離された。[ 65 ] [ 66 ]それは1767年にピーター・ウルフによって、 [ 67 ] [ 68 ] 1770年にカール・ヴィルヘルム・シェーレによって、 [ 69 ] 1773年にジョセフ・プリーストリーによって再び単離され、彼によって「アルカリ性空気」と名付けられた。[ 29 ] [ 70 ] 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た。[ 71 ] [ 29 ]

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年に出願され（USPTO番号1,202,995）、1916年に取得されました。その後、カール・ボッシュは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。この方法は、第一次世界大戦中のドイツで初めて工業規模で使用されました。[ 72 ]連合国による封鎖によりチリからの硝酸塩供給が遮断された後のことでした。このアンモニアは、戦争遂行のための爆薬製造に使用されました。[ 73 ] 1918年のノーベル化学賞は、フリッツ・ハーバーに「元素からのアンモニアの合成」により授与されました。

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。[ 74 ]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。[ 75 ]米国で施用される農業用窒素の30％は無水アンモニアの形であり、世界中で毎年1億1000万トンが施用されています。[ 76 ] 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。 [ 77 ]

冷蔵 - R717

アンモニアは気化する性質があるので、有用な冷媒である。[ 72 ]クロロフルオロカーボン（フロン）が普及する以前には広く使用されていた。無水アンモニアは、その高いエネルギー効率と低コストのため、産業用冷凍機やホッケーリンクで広く使用されている。しかし、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、家庭用や小規模な用途には制限がある。現代の蒸気圧縮冷凍機での使用のほか、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にも使用されており、内部温度を調節し、温度依存の実験を可能にする。[ 78 ] [ 79 ]アンモニアは十分な圧力下にあるため、プロセス全体を通して液体のままである。単相アンモニア冷却システムは、各太陽電池アレイの電力エレクトロニクスにも利用されている。

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。[ 80 ]

食品用抗菌剤

1895年には、アンモニアが「強力な殺菌力を持ち、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。 [ 81 ]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の99.999％を死滅させましたが、サイレージではそうではありませんでした。[ 82 ] [ 83 ]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。[ 84 ] [ 85 ]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％）から加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結果に基づき、米国農務省によって効果的かつ安全であると判断されました。 [ 86 ]この処理については安全性に関する懸念があり、またアンモニア処理された牛肉の味と匂いについては消費者からの苦情もありました。[ 87 ]

燃料

1871年にアルフレッド・ウォードが描いたニューオーリンズのアンモニアガスエンジン路面電車

アンモニアは燃料として利用されており、特に海上輸送において化石燃料や水素の代替として提案されています。アンモニアは常温で自身の蒸気圧により液体となり、高い体積エネルギー密度と重量エネルギー密度を有するため、水素の適切なキャリアと考えられており[ 88 ]、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[ 89 ] 。

水素と比較して、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、供給できます。[ 90 ] [ 91 ]液体アンモニアの生のエネルギー密度は11.5 MJ/Lで、[ 90 ]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使用することも、高温固体酸化物直接アンモニア燃料電池内で直接使用して、温室効果ガスを排出しない効率的な電源を提供することもできます。[ 92 ] [ 93 ]アンモニアから水素への変換は、ナトリウムアミドプロセス[ 94 ]または固体触媒を使用したアンモニアの触媒分解によって達成できます。[ 95 ]

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から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」は二酸化炭素を回収・貯留したブルー水素（水蒸気メタン改質で生成された水素）を使用して生産されるアンモニアである。[ 96 ]サウジアラビアは2020年に世界で初めて、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」を日本に輸送した。[ 97 ]これは石油化学産業の副産物として生産されたもので、温室効果ガスを排出することなく燃焼することができる。体積エネルギー密度は液体水素のほぼ2倍である。もしその製造プロセスを純粋に再生可能な資源を介してスケールアップし、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変化をもたらす可能性がある。[ 98 ]

船舶および海上輸送

グリーンアンモニアは、将来のコンテナ船を含む新造船の燃料として有望視されています。アンモニアは船舶燃料源としての利用が増加すると予想されています[ 99 ]。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ます[ 100 ]。

2020年、DSMEとMAN Energy Solutionsはアンモニアを燃料とする船舶の建造を発表し、DSMEは2025年までに商用化する予定である。[ 101 ]航空機ジェットエンジンの潜在的な代替燃料としてのアンモニアの使用も検討されている。[ 102 ]さらに、アンモニア燃料を使用する超音速航空用のハイブリッドエンジン構成が調査されている。[ 103 ]日本は、国内および他の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するための支援の一環として、発電におけるアンモニアの使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している。[ 104 ] 2021年10月、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。[ 105 ] [ 106 ]

2022年6月、IHIは2,000キロワット級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。 [ 107 ] 2022 年7月、日本、米国、オーストラリア、インドの4ヶ国は、安全保障会議の初会合において、クリーンな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。[ 108 ]しかし、2022年現在、大量のNOxが発生している。[ 109 ]亜酸化窒素も「二酸化炭素の地球温暖化係数（GWP）の最大300倍を持つと知られている温室効果ガス」であるため、問題となる可能性がある。[ 110 ]

車両、航空、宇宙

X -15航空機は、ロケットエンジンの燃料の一部としてアンモニアを使用していました。

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、時折使用されている。[ 111 ]その原理は無火機関車の原理に似ているが、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する。アンモニアエンジンは、19世紀にイギリスのゴールドスワーシー・ガーニーによって、また1870年代から1880年代にかけてニューオーリンズのセントチャールズ路面電車線によって実験的に使用された。 [ 112 ]また、第二次世界大戦中にはベルギーのバスの動力源としてアンモニアが使用された。[ 113 ]

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。[ 113 ] [ 114 ] [ 115 ] [ 116 ]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。[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]オクタン価が 120 [ 120 ]と高く、炎の温度が低いため[ 121 ] 、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。アンモニアは炭素を含まないため、燃焼して二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素、すすを生成することはない。高温で適切な触媒の存在下では、アンモニアはその構成要素に分解する。[ 122 ]アンモニアの分解は、23 kJ/mol（5.5 kcal/mol ）のアンモニアを必要とするわずかに吸熱的なプロセスであり 、水素と窒素ガスを生成します。

ロケットエンジンもアンモニアを燃料として利用してきました。X -15極超音速研究機に搭載されたリアクション・モーターズ社製XLR99ロケットエンジンは、液体アンモニアを使用していました。他の燃料ほど強力ではありませんでしたが、再使用型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とほぼ一致したため、航空機の設計が簡素化されました。

発電所

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。[ 123 ]

他の

ガス状排出物の浄化

アンモニアは化石燃料の燃焼によって発生する二酸化硫黄（ SO2 ）を除去するために使用され、得られた生成物は肥料として利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、バナジア系触媒を用いています。[ 124 ]

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。[ 125 ]

刺激

アイオワ州オトリーの無水アンモニアタンクに掲げられたメタンフェタミン禁止の標識。無水アンモニアは一般的な農業用肥料であり、メタンフェタミンの製造にも不可欠な原料である。2005年、アイオワ州は助成金を使い、犯罪者がタンクに近づくのを防ぐため、数千個の錠を設置した。[ 126 ]

アンモニアは、芳香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きました。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広く使用されています。[ 127 ]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する可能性があるため、危険です。[ 128 ]

繊維

液体アンモニアは、アルカリを用いて綿素材にシルケット加工などの特性を与える処理に使用されます。特に、ウールの予洗いに使用されます。[ 129 ]

ガスを持ち上げます

標準温度・圧力下では、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、浮力ガスとして気球に充填されることもあります。アンモニアはヘリウムや水素に比べて沸点が比較的高いため、飛行船内で冷却・液化して揚力を低減し、バラストを付加することができます（また、アンモニアをガスに戻すことで揚力を高め、バラストを付加することもできます）。[ 130 ]

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濃くするために使用されてきました。アンモニアの煙は木材に含まれる天然タンニンと反応し、変色を引き起こします。[ 131 ]

洗浄剤

アンモニアは、アンモニア溶液の形で、Windex （2006 年まで）などのさまざまな洗浄製品の成分として使用されています。

安全性

世界最長のアンモニアパイプライン（全長約2400キロメートル）[ 132 ]は、ロシアのトリアッティアゾット工場からウクライナのオデッサまで走っている。

米国労働安全衛生局（OSHA）は、環境空気中のアンモニアガスの15分間の暴露限界を体積比35 ppm、8時間の暴露限界を体積比25 ppmに設定している。[ 133 ]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（生命または健康に直ちに危険、健康な労働者が不可逆的な健康影響を受けることなく30分間暴露できるレベル）を500 ppmから300 ppmに引き下げた。他の組織では暴露レベルが異なっている。米国海軍規格[米国船舶局 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である。[ 134 ]

アンモニアは刺激物であり、濃度が増加すると刺激が増大する。許容暴露限界は25  ppmであり、体積比で500 ppmを超えると致死となる。[ 135 ]

アンモニア蒸気は、鋭く刺激性の刺激臭を放ち、潜在的に危険な曝露の警告として機能します。平均的な臭気閾値は5 ppmであり、危険や損害を与えるレベル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曝露すると、肺の損傷や死に至る可能性があります。[ 133 ]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、吸入毒性物質の定義に該当し、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。[ 136 ]

毒性

アンモニア水の毒性は、ヒトや他の哺乳類には通常、問題を引き起こしません。なぜなら、それらは血流中のアンモニア蓄積を防ぐ代謝経路を持っているからです。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、尿素として排泄されます。[ 137 ]

魚類や両生類は、通常、アンモニアを周囲の水に直接排出するため、この体内解毒機構を欠いています。そのため、環境中のアンモニア濃度の上昇に非常に敏感であり、水中の濃度が薄くても排泄を阻害し、毒性物質の蓄積につながる可能性があります。このため、水生環境中のアンモニアは環境にとって危険物質に分類されています。大気中のアンモニアは、微粒子物質の形成にも重要な役割を果たしています。[ 138 ]

アンモニアはタバコの煙の成分でもある。[ 139 ]

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、コークス製造廃水中に存在します。[ 140 ]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。[ 141 ]

養殖業

アンモニアの毒性は、魚類養殖場で原因不明の損失の原因であると考えられています。過剰なアンモニアは蓄積し、曝露された生物の代謝の変化や体内の 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。[ 142 ] 0.05 mg/L 前後の低濃度では、非イオン化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、ストレスと細菌感染および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。[ 143 ]過剰なアンモニアに曝露された魚は、平衡感覚の喪失、過剰興奮、呼吸活動と酸素摂取量の増加、心拍数の増加を起こす可能性があります。[ 142 ] 2.0 mg/L を超える濃度では、アンモニアは鰓と組織の損傷、極度の無気力、けいれん、昏睡、および死を引き起こします。[ 142 ] [ 144 ]実験では、様々な魚種の致死濃度は0.2～2.0 mg/Lの範囲であることが示されています。[ 144 ]

冬季に養殖魚への飼料供給が減少すると、アンモニア濃度が上昇する可能性があります。外気温の低下により藻類の光合成速度が低下するため、藻類がアンモニアを吸収する量も減少します。養殖環境、特に大規模養殖においては、アンモニア濃度の上昇に対する即効性のある治療法はありません。養殖魚[ 144 ]、そして開放水系においては周辺環境 への悪影響を軽減するために、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、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。[ 145 ]アンモニアは炭素鋼やステンレス鋼の貯蔵容器を必要とする数多くの産業用途で使われている。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NH3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。[ 146 ]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てはならないと警告している。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

28%アンモニアの標準実験室溶液

アンモニア水の危険性は濃度によって異なります。「希薄」アンモニア水は通常、重量比5～10%（5.62 mol/L未満）です。「濃縮」アンモニア水は通常、重量比25%以上で調製されます。重量比25%の溶液の密度は0.907 g/cm 3で、密度が低いほど濃度が高くなります。欧州連合（EU）によるアンモニア水の分類は表に示されています。

重量 濃度（w/w）モル濃度濃度（質量/体積）（w/v） GHSピクトグラムHフレーズ
5～10％ 2.87～5.62モル/リットル 48.9～95.7 g/L GHS07: 感嘆符H314
10～25% 5.62～13.29モル/リットル 95.7～226.3 g/L GHS05: 腐食性GHS07: 感嘆符H314、H335、H400
>25% >13.29モル/リットル >226.3 g/L GHS05: 腐食性GHS07: 感嘆符GHS09: 環境ハザードH314、H335、H400、H411

高濃度アンモニア水から発生するアンモニア蒸気は、目や呼吸器系に強い刺激を与えるため、専門家はこれらの溶液をドラフト内でのみ取り扱うよう警告しています。飽和（「0.880」- § 特性を参照）溶液は、暖かい気候下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。有毒物質や爆発性物質が発生するためです。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専門家は警告しています。このような混合物は、無機定性分析においてしばしば生成されます。試験終了後は、軽く酸性化する必要がありますが、濃縮（6% w/v未満）は避けてください。

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）および環境に対して危険（N）に分類されています。このガスは可燃性（自然発火温度：651℃）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さらされると、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、鈍感な人は100 ppmの濃度でも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。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、そして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

Year030K60K90K120K150K19501960197019801990200020102020World production in thousands of tons of fixed nitrogenGlobal ammonia production since 1950 (fixed ...
1950～2020年の世界アンモニア生産量（固定窒素換算、米トン）[ 147 ]

アンモニアは無機化学物質の中で最も生産量が多いものの1つです。生産量は「固定窒素」という単位で表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（固定窒素換算で147トン）と推定されています。[ 148 ]中国はそのうち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。[ 148 ]

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性および動物性廃棄物の乾留[ 149 ]によって得られており、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。さらに、石炭の蒸留や、生石灰などのアルカリ性水酸化物[ 150 ]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。[ 29 ]

2 [NH 4 ]Cl + 2 CaO → CaCl 2 + Ca(OH) 2 + 2 NH 3 ( g )

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

フリッツ・ハーバー、1918年

ハーバー法[ 151 ]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ための主要な工業的プロセスである。[ 152 ] [ 153 ]このプロセスでは、微細な鉄金属を触媒として 用いて、大気中の窒素（N2 ）を水素（H2 ）との反応によってアンモニア（NH3）に変換する。

北2+3H2↽−−⇀2NH3ΔH298 K∘＝−92.28 kJ/モル 北2{\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 <=> 2NH3}}\qquad {\Delta H_{\mathrm {298~K} }^{\circ }=-92.28~{\text{kJ per mole of }}{\ce {N2}}}}

この反応は発熱反応ですが、4当量の反応ガスが2当量の生成ガスに変換されるため、エントロピーの観点からは不利です。そのため、反応を進行させるには十分に高い圧力と温度が必要です。

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。[ 154 ] [ 155 ] [ 156 ]

ハーバー法は水蒸気改質法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年に高圧化学への関連する貢献により受賞しました。

電気化学

アンモニアの電気化学的合成は、還元的に窒化リチウムを生成することを伴う。このリチウムは、プロトン源を与えるとアンモニアにプロトン化される。この化学反応の最初の応用は1930年に報告され、エタノール中のリチウム溶液を用いて、エタノールをプロトン源として、最大1000バールの圧力でアンモニアを生成した。[ 157 ]エタノールは、単に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、全体的な反応効率を高める固体電解質界面の形成に寄与するなど、多面的な役割を果たすことが分かっている。[ 158 ] [ 159 ]

1994年、恒藤らはテトラヒドロフラン中でのリチウム電着を利用して、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。[ 160 ]その後の研究では、エタノール-テトラヒドロフラン系を用いた電気化学的アンモニア合成がさらに検討された。[ 159 ] [ 161 ]

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、1バールの圧力で最大30±5nmol/(s⋅cm 2 )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。[ 162 ]

2021年には、エタノールをテトラアルキルホスホニウム塩で置き換えることができることが実証されました。[ 163 ]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 ± 1 nmol/(s⋅cm 2)のNH3生成速度が観察されました。 [ 163 ]この電気化学に基づく技術は、商業的な肥料と燃料の生産のために開発されています。[ 164 ] [ 165 ]

2022年には、連続フロー電解装置においてリチウムを介したプロセスによってアンモニアが製造され、水素ガスをプロトン源として利用できることも実証されました。この研究では、1 bar、室温、電流密度-6 mA/cm 2において、61 ± 1% のファラデー効率でアンモニアが合成されました。 [ 166 ]

生化学と医学

高アンモニア血症（アンモニアが毒性濃度に達した状態）の主な症状。[ 167 ]

アンモニアは生命にとって不可欠です。[ 168 ]例えば、生命の基本構成要素であるアミノ酸や核酸の形成に必要です。しかしながら、アンモニアは非常に毒性が強いため、自然界ではアンモニアを運ぶ物質が存在します。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となっています。[ 169 ]

細胞膜に必要なエタノールアミンは、エタノールアミンアンモニアリアーゼの基質であり、アンモニアを生成する。[ 170 ]

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いて代謝廃棄物であると同時に代謝入力でもある。生物系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、二原子窒素（N2ガス）として大気中の窒素を利用できる生物は少ない。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となる。一部の植物は、土壌中の分解物質によってアンモニアなどの窒素廃棄物が土壌に取り込まれることに依存している。また、窒素固定マメ科植物のように、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る植物もある。[ 171 ]

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を持つため、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。[ 172 ]

生合成

特定の生物では、大気中の窒素から窒素固定酵素（ニトロゲナーゼ）と呼ばれる酵素によってアンモニアが生成されます。このプロセス全体は窒素固定と呼ばれます。生物学的窒素固定のメカニズムを解明するために、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、酵素の活性部位がFe 7 MoS 9集団からなるという特異な構造に起因しています。[ 173 ]

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反応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。ヒトでは、アンモニアは肝臓で速やかに尿素に変換されます。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。ほとんどの爬虫類、鳥類、昆虫、カタツムリは、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、動物の正常な生理機能と異常な生理機能の両方において役割を果たしています。通常のアミノ酸代謝によって生合成され、高濃度では毒性があります。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します。肝硬変などで見られるような肝機能障害は、血中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ります。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ります。高アンモニア血症は、肝性脳症による錯乱や昏睡、そして尿素回路の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ります。[ 174 ]

アンモニアは動物の正常な酸塩基平衡に重要です。グルタミンからアンモニウムが生成された後、α-ケトグルタル酸は分解されて2つの重炭酸イオンが生成され、これらは食事中の酸の緩衝剤として利用されます。アンモニウムは尿中に排泄され、結果として酸の純損失となります。アンモニア自体は尿細管を介して拡散し、水素イオンと結合することで、さらなる酸排泄を促進する可能性があります。[ 175 ]

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す。魚類や水生無脊椎動物では、直接水中に排泄されます。哺乳類、サメ、両生類では、尿素回路によって尿素に変換され、毒性が低く、より効率的に貯蔵できます。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ます。尿酸は固体であるため、水分の損失を最小限に抑えて排泄されます。[ 176 ]

地球外現象

アンモニアは、木星（アンモニア 0.026%）、土星（アンモニア 0.012%）などの外縁巨大惑星の大気中、および天王星と海王星の大気と氷中に存在します。

アンモニアは、木星、土星、天王星、海王星といった巨大惑星 の大気中で、メタン、水素、ヘリウムといった他のガスととも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存在する可能性があります。[ 177 ]

星間空間

アンモニアは1968年、銀河核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。[ 178 ]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対する感度と、多くの領域での観測の容易さから、分子雲の研究において最も重要な分子の一つとなっています。[ 179 ]アンモニアの線の相対強度は、放射媒体の温度を測定するために使用できます。

アンモニアの同位体種として、NH 3、15 NH 3、NH 2 D、NHD 2、ND 3が検出されています。重水素は比較的希少であるため、三重水素化アンモニアの検出は驚くべきものでした。低温条件により、この分子は生存し、蓄積すると考えられています。[ 180 ]

星間物質の発見以来、NH3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。多様な励起条件に敏感な多数の遷移を持つNH3は、天文学的に広く検出されており、その検出は数百もの学術論文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様々な検出器を紹介する学術論文の例を挙げます。

星間アンモニアの研究は、ここ数十年にわたり、多くの研究分野において重要な役割を果たしてきました。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利用する研究です。

星間形成メカニズム

星間アンモニアの存在量は、様々な環境において測定されている。[ NH 3 ]/[ H 2 ]比は、小さな暗黒雲[ 181 ]では10の-7乗、オリオン分子雲複合体の高密度核[ 182 ]では10の-5乗と推定されている。合計18通りの生成経路が提案されているが[ 183 ] ​​、星間NH 3の主な生成メカニズムは以下の反応である。

[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。 [ 184 ]速度定数は式⁠ ⁠から計算される。一次生成反応では、a  = 5.2×10−6{\displaystyle 5.2\times 10^{-6}}k=a(T/300)B{\displaystyle k=a(T/300)^{B}}1.05 × 10 −6、 B = −0.47。NH + 4の存在量が で、分子雲に典型的な電子の存在量が 10 −7であると仮定すると、形成速度は3×10−7{\displaystyle 3\times 10^{-7}}1.6 × 10 −9  cm −3 s −1の分子雲の全密度10 5  cm −3 . [ 185 ]

提案されている他のすべての生成反応は、速度定数が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小さい。[ 186 ]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る。

H 2 + NH 2 → NH 3 + H

反応速度定数は2.2 × 10 −15である。H 2 密度を10 5 、[ NH 2 ]/[ H 2 ]比を10 −7 と仮定すると、この反応の速度は2.2 × 10 −12となり、上記の一次反応よりも3桁以上遅くなる。

その他の可能性のある形成反応は次のとおりです。

H − + [NH 4 ] + → NH 3 + H 2
[PNH 3 ] + + e − → P + NH 3

星間破壊のメカニズム

NH3の分解に至る反応は合計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を詳細にまとめた表にまとめられている。[ 187 ]星間アンモニアに関するレビューでは、主要な解離機構として以下の反応が挙げられている。[ 179 ]

速度定数はそれぞれ4.39×10 −9 [ 188 ]と2.2×10 −9 [ 189 ]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を仮定した。 [ 190 ]これら2つの主要な反応のうち、式( 1 )が支配的な分解反応であることは明らかであり、その速度は式( 2 )の約10,000倍速い。これは[H 3 ] +の存在量が比較的高いためである。

単一アンテナ検出

エッフェルスベルク100m電波望遠鏡によるNH 3の電波観測により、アンモニアの輝線は背景の尾根と未分解の核の2つの成分に分離していることが明らかになった。背景は、以前にCOが検出された位置とよく一致している。[ 191 ]イギリスの25mチルボルトン望遠鏡は、 HII領域、HNH 2 Oメーザー、H-H天体、そして星形成に関連するその他の天体において、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速度や系統的速度が増加していないことが示唆されている。[ 192 ]

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、そして銀河中心の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、アンモニアが星間物質中に広く存在する分子であり、銀河系には高密度領域が広く存在することを示しています。[ 193 ]

干渉計による研究

VLAによる高速ガス流出を伴う7つの領域における NH3の観測により、L1551、S140、そしてケフェウス座Aにおいて0.1パーセク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1つは非常に細長い形状をしていた。これらは、この領域における双極性ガス流出の形成に重要な役割を果たしている可能性がある。[ 194 ]

IC 342では、VLAを用いて銀河系外アンモニアが撮影された。この高温ガスの温度は70 Kを超えており、これはアンモニアの輝線比から推定されるもので、COに見られる核の棒状構造の最内部と密接に関連していると考えられる。[ 195 ]また、 VLAは4つの銀河系超コンパクトHII領域（G9.62+0.19、G10.47+0.03、G29.96−0.02、G31.41+0.31）のサンプルに向けてNH 3の観測も行った。温度と密度の診断に基づくと、これらの塊は一般的に、超コンパクトHII領域が発達する前の初期の進化段階における大質量星形成の場所である可能性が高いと結論付けられる。[ 196 ]

赤外線検出

ベックリン・ノイゲバウアー天体、そしておそらくNGC 2264-IRの星間粒子から、固体アンモニアによる2.97マイクロメートルの吸収が記録されました。この検出は、これまであまり理解されていなかった氷の吸収線の物理的形状を説明するのに役立ちました。[ 197 ]

カイパー・エアボーン・オブザバトリー（Kuiper Airborne Observatory）から木星の円盤のスペクトルが得られ、100～300 cm −1のスペクトル範囲をカバーしています。このスペクトルの解析により、アンモニアガスとアンモニア氷のヘイズの全球平均特性に関する情報が得られます。[ 198 ]

NH3の(J,K) = (1,1)回転反転線を用いて、「高密度コア」の証拠を探すため、合計149の暗黒雲地点を調査した。一般的に、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、星を含むコアは星を含まないコアよりも線幅が広いことも判明した。[ 199 ]

アンモニアは、りゅう座星雲と、高緯度銀河赤外線巻雲に関連する1つ、あるいは2つの分子雲で検出されています。この発見は、銀河円盤で形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型星の誕生の場を示している可能性があるため、重要です。[ 200 ]

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できます。さらに、アンモニアの遷移準位は低温では2準位系で近似できるため、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。暗黒雲で検出されたアンモニアは非常に細い線を示し、低温だけでなく雲内部の乱流レベルが低いことを示しています。線比の計算により、以前のCO観測とは独立した雲の温度の測定値が得られます。アンモニアの観測結果は、回転温度が約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することができ、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のマッピングでは、典型的な雲のサイズが0.1  pc、質量が約1太陽質量であることが示されています。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

超コンパクトHII領域は、大質量星形成の最も優れたトレーサーの一つです。UCHII領域を取り囲む高密度物質は、主に分子状物質であると考えられます。大質量星形成の完全な研究には、星が形成された雲を対象とする必要があるため、アンモニアは周囲の分子物質を理解する上で非常に貴重なツールとなります。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、および領域のサイズを制限することが可能です。ドップラーシフトした速度成分は、分子ガスの明確な領域を分離することを可能にし、形成中の星から発生するアウトフローやホットコアを追跡することができます。

銀河系外探知

アンモニアは外部銀河[ 201 ] [ 202 ]でも検出されており、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可能です。線比は、ガス温度が数十パーセクの大きさの高密度雲に由来し、高温（約50 K）であ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るのです。

参照

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