السَّلامُ عَلَی الحسین و عَلَی علیِّ بنِ الحسین و عَلَی أولادِ الحسین و عَلَی أصحابِ الحسین

آمونیاک چیست و چه کاربردی دارد؟

آمونیاک چیست و چه کاربردی دارد؟

آمونیاک چیست و چه کاربردی دارد: آمونیاک گاز بی‌رنگ، سمی و بدبویی است که از ترکیب نیتروژن و هیدروژن تشکیل می‌شود. از جمله حوزه‌های کاربرد آمونیاک می‌توان کشاورزی (تولید کودهای شیمیایی)، داروسازی، پتروشیمی، تبرید صنعتی، مایعات سفیدکننده خانگی و صنایع نظامی را نام برد. ضمنا محققان می‌کوشند در آینده آمونیاک را جایگزین سوخت‌های فسیلی کنند زیرا با سوزاندن آن، دی‌اکسید کربن تولید نمی‌شود.

هر مولکول آمونیاک (NH۳) حاوی یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن است. آمونیاک در دمای اتاق و تحت فشار عادی به‌حالت گاز است اما در دمای کمتر از ۳۳.۳۴- درجه سانتی‌گراد به مایع تغییر حالت می‌دهد. به آمونیاک در اصطلاح علمی، آزان (Azane) هم می‌گویند.

آمونیاک چون سمی است، استنشاق آن خطرناک است و چون خاصیت خورندگی دارد، اگر غلظتش در آب یا هوا زیاد باشد، پوست و بافت‌های مرطوب بدن مثل چشم و ریه‌ها را می‌سوزاند و حتی ممکن است کشنده باشد. در ادامه با جزییات بیشتر توضیح می‌دهیم که آمونیاک چیست و چه کاربردی دارد.


آمونیاک چیست: خواص شیمیایی و فیزیکی آمونیاک چیست؟

آمونیاک در دمای اتاق (۲۰+ تا ۲۲+ درجه سانتی‌گراد) و تحت فشار عادی (۱ بار)، حالت گاز دارد و بی‌رنگ و سمی است. پس در واقع، آمونیاک حتی در زمستان‌های سرد نیز به‌حالت گاز است. ضمنا گاز آمونیاک از هوا سبک‌تر است، زیرا چگالی گاز آمونیاک تقریبا ۰.۶ برابر چگالی هوا است. اگر دما را به کمتر ازدمای جوش/بخار یعنی ۳۳.۳۴- درجه سانتی‌گراد کاهش دهیم، آمونیاک حالت مایع به خود می‌گیرد. آمونیاک مایع باید تحت فشار یا در دمای کم نگهداری شود تا تبخیر نشود. آمونیاک به‌راحتی در آب حل می‌شود. البته هرچه دما کاهش یابد، حل شدن آمونیاک در آب سخت‌تر می‌شود. بوی آمونیاک تقریبا شبیه بوی ماهی فاسد است.

آمونیاک چیست: آمونیاک مایع با خلوص 99.5 درصد
آمونیاک مایع با خلوص ۹۹.۵ درصد

گفتنی که آمونیاک اشتعال‌پذیر است و خاصیت انفجاری دارد فلذا باید با احتیاط نگهداری و جابه‌جا شود. آمونیاک مایع را معمولا در مخازن یا کپسول‌های مخصوص ذخیره و یا حمل می‌کنند. رنگ شعله آمونیاک در صورت اشتعال، زرد است.

آمونیاک چیست: کپسول‌های نگهداری و حمل آمونیاک
کپسول‌های نگهداری و حمل آمونیاک

آمونیاک اگرچه سمی است، خاصیت خورندگی نیز دارد و لذا در مایعات سفیدکننده خانگی برای از بین بردن چرک و لک به‌کار می‌رود. ضمنا اضافه کردن کمی آمونیاک به کلر در تصفیه‌خانه‌ها، کیفیت تصفیه آب را بهبود می‌دهد. بعضی از خواص آمونیاک چنین است:

نام علمی آمونیاکآزان (Azane)
نام شیمیایی آمونیاکتری‌هیدرید نیتروژن
فرمول شیمیایی آمونیاکNH۳
خواص ظاهریبی‌رنگ و بدبو
رنگ شعله آمونیاکزرد
دمای ذوب/انجماد آمونیاک۷۷.۷۳- درجه سانتی‌گراد
دمای جوش آمونیاک۳۳.۳۴- درجه سانتی‌گراد
چگالی گاز آمونیاک۰.۵۸۹ برابر چگالی هوا
جدول مشخصات آمونیاک

فرمول شیمیایی آمونیاک NH۳ است. مولکول آمونیاک از پیوند کووالانسی یک اتم نیتروژن با سه اتم هیدروژن تشکیل می‌شود.  نیتروژن و هیدروژن هر دو نافلز هستند و نیتروژن با سه اتم هیدروژن پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهد.

آمونیاک چیست: شکل مولکول آمونیاک
شکل مولکول آمونیاک: یک اتم نیتروژن (آبی) و سه اتم هیدروژن (سفید)

نام دیگر آمونیاک آزان (Azane) است و نام شیمیایی آن تری‌هیدرید نیتروژن است. عبارت تری‌هیدرید نیتروژن به وجود سه اتم هیدروژن و یک اتم نیتروژن در ساختار مولکول آمونیاک اشاره دارد.


آمونیاک چه کاربردی دارد؟

دانستیم که آمونیاک چیست و اکنون توضیح می‌دهیم که چه کاربردی دارد. آمونیاک ماده شیمیایی پرکاربرد و مهمی است. ابتدا بعضی از حوزه‌های کاربرد آمونیاک را برمی‌شمریم و سپس بعضی از آنها را با تفصیل بیشتر توضیح می‌دهیم.

  • کشاورزی (تولید کودهای شیمیایی نیتروژن‌دار)
  • سامانه‌های خنک‌کننده‌‌ صنعتی
  • داروسازی
  • شوینده‌ها
  • تصفیه آب
  • صنایع نظامی (ماده انفجاری)
  • نساجی
  • نگهداری مواد غذایی

در ادامه، بعضی از کاربردهای مهم آمونیاک را بیشتر توضیح می‌دهیم.

بیشتر آمونیاکی که در دنیا تولید می‌شود (حدود ۸۵ درصد آن) مستقیما یا غیرمستقیم برای تولید کودهای شیمیاییِ نیتروژن‌دار مثل اسیدنیتریک، اوره، فسفات آمونیوم، نیترات آمونیوم و دیگر نیترات‌ها به‌کار می‌رود.

آمونیاک در تولید بعضی از مواد شیمیایی مهم نیز کاربرد دارد. اسید نیتریک، هیدرازین، سیانیدها و اسیدهای آمینه از جمله موادی هستند که در تولیدشان از آمونیاک استفاده می‌شود.

منظور از تبرید همان خنک‌ کردن است و به مواد خنک‌کننده‌، مبرد نیز می‌گویند. آمونیاک چون در دمای کم، تبخیر می‌شود، ماده مناسبی برای خنک‌سازی و دفع گرما است.

بعضی از تاسیسات صنعتی گرمای زیادی تولید می‌کنند که اگر دفع نشود، بازده مجموعه را کاهش می‌دهد و حتی ممکن است خطرآفرین باشد. آمونیاک با گردش در لوله‌ها یا مجراها گرمای زائد را جذب و آن‌را با خود به خارج از مدار منتقل می‌کند.

برای این منظور گاز آمونیاک فشرده می‌شود تا فشار آن افزایش یابد. با افزایش فشار، دمای آمونیاک نیز افزایش می‌یابد، لذا گرمای آن‌را استخراج می‌کنند تا متراکم‌تر شود. آنگاه با افزایش فشار و کاهش دما، آمونیاک به مایع تغییر حالت دهد. مایع فشرده آمونیاک از طریق شیر انبساط در داخل لوله‌ها و تاسیسات صنعتی جریان می‌یابد و نتیجتا فشارش کاهش می‌یابد و روند تبخیر آمونیاک شروع می‌شود. بخار آمونیاک، گرمایی را که از تاسیسات جذب کرده بود، به خارج از مجموعه منتقل می‌کند و بدین‌سان دمای محیط را کاهش می‌دهد.

در قدیم حتی برای دفع گرمای یخچال‌های خانگی نیز از آمونیاک استفاده می‌شد. اما چون آمونیاک سمی بود، بعدها مواد ایمن‌تری جایگزینش شدند. امروزه گرمای یخچال‌ها عمدتا با استفاده از کلروفلوئوروکربن‌ها و هیدروکلرو فلوئورو کربن‌ها دفع می‌شود که با محیط زیست نیز سازگارترند.

آمونیاک به سبب همین خاصیتش در کارخانه‌های تولید و بسته‌بندی مواد غذایی فاسدشونده (مثل گوشت، لبنیات و میوه و سبزی) و در انبارهای نگهداری مواد غذایی و داروها نقش مهمی بازی می‌کند. در صنایع پتروشیمی نیز برای تصفیه گاز طبیعی و خنک کردن تجهیزات و مخازن پالایشگاه از آمونیاک استفاده می‌شود.

جالب است بدانیم که حتی برای خنک کردن تاسیسات ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز از آمونیاک استفاده می‌شود.

آمونیاک نیز مثل هیدروژن اشتعال‌پذیر است و خاصیت انفجاری دارد، هرچند از نظر اشتعال‌پذیری، بسیار ضعیف‌تر از هیدروژن است. آمونیاک مایع در دمای بالاتر از ۶۳۰ درجه سانتی‌گراد یکباره مشتعل می‌شود. از آمونیاک یا ترکیبات آن (مثل نیترات آمونیوم) برای ساخت مواد منفجره استفاده می‌شود.

بسیاری از مایعات تمیزکننده یا سفیدکننده خانگی مثل شیشه‌پاک‌کن‌ها و تمیزکننده‌های سطوح در ترکیب‌شان آمونیاک هم دارند، زیرا آمونیاک، هم خاصیت سفیدکنندگی دارد و هم زود تبخیر می‌شود و رطوبتش روی سطوح نمی‌ماند.

ضمنا بسیاری از انواع رنگ مو شیمیایی نیز حاوی آمونیاک هستند. آمونیاک موجود در تمیزکننده‌ها و رنگ‌های مو معمولا بیشتر از ۵ درصد نیست، اما کسانی که پیوسته با گاز آمونیاک در تماس هستند (مثل کارگران کارخانه‌های محصولات شیمیایی حاوی آمونیاک) باید ملاحظات ایمنی را رعایت کنند تا به مسمویت با آمونیاک دچار نشوند.

آمونیاک چون در ترکیب خود کربن ندارد، اگر بعنوان سوخت به کار رود، دی‌اکسید کربن تولید نمی‌کند و لذا سوخت پاک محسوب می‌شود. صنایع دریایی و هوایی می‌کوشند آمونیاک را در آینده جایگزین نفت و سوخت‌های فسیلی کنند.

نخستین کشتی دنیا که استفاده از سوخت آمونیاک را آزمود کشتی فورتسکیو گرین پایونیز (Fortescue Green Pioneer) بود که با همکاری شرکت فورتسکیو استرالیا و با حمایت اداره دریایی و بندری سنگاپور صورت گرفت. مهندسان در سال ۲۰۲۳ میلادی یکی از موتورهای چهارزمانه این کشتی را طوری بازسازی کردند که بتواند با ترکیبی از آمونیاک و گازوئیل کار کند. تلاش‌ها در حوزه استفاده از آمونیاک به سوخت پاک ادامه دارد، اما موانعی هم بر سر راه هست. برای مثال، برای تولید آمونیاک، هیدروژن لازم است. برای تولید هیدروژن باید گاز طبیعی یا زغال سنگ زیادی سوزانده شود که نتیجتاً دی‌اکسید کربن و گازهای آلاینده دیگری در جو زمین منتشر می‌کند. پس خود آمونیاک فاقد کربن است و سوخت پاک محسوب می‌شود، اما فرآیند تولید آمونیاک، پاک و بی‌خطر نیست.

اگر واقعا می‌خواهیم از میزان آلودگی‌های جوی بکاهیم، باید فرآیند تولید آمونیاک را اصلاح کنیم. به آمونیاکی که با روش‌های پاک تولید می‌شود، اصطلاحا آمونیاک سبز می‌گوییم.

یکی از راه‌های تولید آمونیاک سبز استفاده از روش الکترولیز آب است؛ یعنی آب را با کمک جریان برق تجزیه می‌کنند و هیدروژن آن‌را جدا می‌کنند. آنگاه با استخراج هیدروژن از آب و استخراج نیتروژن از هوای معمولی می‌توان هر دو عنصر را با روش هابر-بوش با هم ترکیب و آمونیاک تولید کرد. اما برای الکترولیز، آب خالص زیادی لازم است و چون تقاضای جهانی برای هیدروژن زیاد است، استفاده از روش الکترولیز ممکن است منابع آب شیرین را با کمبود مواجه کند.


آمونیاک چگونه تولید می‌شود؟

طبیعت و فعالیت‌های انسانی هر دو آمونیاک تولید می‌کنند. به عبارت دیگر، آمونیاک هم در اثر واکنش‌های طبیعی در زمین و هم در اثر فعالیت‌های صنعتی انسان تولید می‌شود. لذا روش تولید آمونیاک را می‌توان به دو نوع طبیعی و مصنوعی تقسیم کرد.

آمونیاک در طبیعت عمدتا در اثر تجزیه مواد گیاهی و حیوانی و تجزیه فضولات انسانی و جانوری تولید می‌شود. به‌همین سبب به فضولات حیوانات اهلی، کود حیوانی نیز می‌گویند. در واقع کود حیوانی حاوی آمونیاک طبیعی است و به رشد بهتر گیاهان و درختان کمک می‌کند. بعضی از گیاهان بویژه حبوبات نیز وقتی با باکتری ریزوبیوم (rhizobium) ترکیب می‌شوند، نیتروژن موجود در جو زمین را به گازهای غیرآلی از جمله گاز آمونیاک تبدیل می‌کنند. در واقع، فعالیت‌های باکتریایی در خاک، از دیگر عوامل طبیعی تولید آمونیاک است.

آمونیاک چیست: خاک‌ها و آب‌های سطحی زمین نیز در اثر فعالیت‌های باکتریایی، آمونیاک طبیعی تولید می‌کنند.
خاک‌ها و آب‌های سطحی زمین نیز در اثر فعالیت‌های باکتریایی و تجزیه مواد آلی، آمونیاک طبیعی تولید می‌کنند.

آمونیاک به‌سبب کاربردهای بسیارش، حجم تولید زیادی دارد. طبق برخی آمارها در بین مواد شیمیایی صنعتی، آمونیاک از نظر حجم تولید در دنیا پس از اسید گوگرد در جایگاه دوم است. کارخانه‌های متعدد در دنیا آمونیاک تولید می‌کنند. آمونیاک در اثر واکنش نیتروژن و هیدروژن در دما و فشار زیاد تولید می‌شود. در سال ۱۹۰۹ دو شیمیدان آلمانی موسوم به فریتز هابر (در ۱۹۱۸) و سپس کارل بوش (در ۱۹۳۱) فرآیند مذکور را در آزمایشگاه عملیاتی کردند و آمونیاک ساختند. آنها گاز نیتروژن و گاز هیدروژن را روی کاتالیزور آهن‌پایه ترکیب کردند و آمونیاک به دست آوردند. هابر در ۱۹۱۸ و بوش در ۱۹۳۱ به پاس تلاش‌های‌شان جایزه نوبل شیمی گرفتند. روش آنها برای تولید آمونیاک، روش هابر-بوش نام دارد و هنوز هم معتبر است. بسیاری از مجتمع‌های بزرگ پتروشیمی در دنیا برای تولید آمونیاک همچنان از روش هابر-بوش بهره می‌برند و فقط اندکی آن‌را اصلاح کرده‌اند.

آمونیاک چیست: کارخانه یوئنتای در بنگلادش که با بدون ایجاد دی‌اکسید کربن، آمونیاکِ اصطلاحا سبز تولید می‌کند.
کارخانه یوئنتای در بنگلادش که بدون ایجاد دی‌اکسید کربن، آمونیاکِ اصطلاحا سبز تولید می‌کند.

گفتنی است، بخشی از آمونیاکی که انسان در زمین تولید می‌کند نیز ناخواسته است. برای مثال، فاضلاب‌های شهری از عوامل موثر تولید و انتشار گاز آمونیاک در هوا هستند. آتش‌سوزی‌ در جنگل‌ها نیز سالانه آمونیاک فراوانی در جو زمین منتشر می‌کند.


انواع آمونیاک: منظور از آمونیاک بی‌آب و محلول در آب چیست؟

آمونیاکی که در صنعت به کار می‌رود معمولا دو نوع است:

  • آمونیاک خالص یا بی‌آب (anhydrous ammonia)
  • آمونیاک محلول در آب یا هیدروکسید آمونیوم (aqua ammonia یا aqueous ammonia)

آمونیاک خالص (NH۴) در دمای عادی به‌حالت گاز است اما هیدروکسید آمونیوم ‌(NH۴OH) حالت مایع دارد زیرا تقریبا ۱۹ تا ۳۰ درصد آن آمونیاک و مابقی آب است. هیدروکسید آمونیوم را راحت‌تر می‌توان ذخیره و جابه‌جا کرد. در بسیاری از صنایع، آمونیاک به‌شکل هیدروکسید آمونیوم به‌کار می‌رود.


تفاوت آمونیاک و آمونیوم چیست؟

فرق آمونیاک و آمونیوم در تعداد اتم‌های هیدروژن آنهاست: آمونیاک (NH۳) یک اتم نیتروژن و ۳ اتم هیدروژن دارد اما آمونیوم (NH۴) یک اتم نیتروژن و ۴ اتم هیدروژن دارد. همین تفاوت ظاهرا کوچک سبب می‌شود که خواص دو ماده بسیار با هم فرق داشته باشد. برای مثال، آمونیاک بوی نامطبوع دارد و برای بافت‌های مرطوب بدن خطرناک است اما آمونیوم بی‌بو و بی‌خطر است. البته وجود بیش از اندازه هر دو ماده در آب خطرناک است.


آمونیاک در سیاره‌ها و قمرهای منظومه شمسی

در بخش‌های قبل توضیح دادیم که آمونیاک چیست و گفتیم که چه کاربردی دارد. اکنون می‌خواهیم ببینیم که کدام سیاره‌های منظومه شمسی آمونیاک دارند.

آمونیاک فراوان‌ترین گاز قلیایی در جو زمین است. سنگ‌ها یا مواد عالی فسیلی در لایه‌های عمیق زمین نیز حاوی آمونیاک هستند. همچنین گاهی در اثر بارندگی، آتشفشان و یا در خاک‌های حالصخیز مقادیری آمونیاک پدید می‌آید. اما زمین تنها سیاره حاوی آمونیاک نیست.

بسیاری از سیاره‌های منظومه شمسی و حتی تیتان، قمر زحل در هواکره یا جوّشان آمونیاک جامد و یا گاز آمونیاک دارند. در دنباله‌دارها و یخ‌های بین‌ستاره‌ای نیز آمونیاک پیدا می‌شود. جو سیاره‌های گازی منظومه شمسی یعنی «اورانوس» و «نپتون» و بویژه «مشتری» و «زحل» حاوی مقدار زیادی آمونیاک است. در واقع، بزرگترین ذخایر آمونیاک منظومه شمسی جو همین سیارات است. در اوت ۲۰۲۰ تحقیقی انجام شد که نشان می‌داد طوفان‌های شدیدی که در جو سیاره مشتری می‌وزند، تگرگ‌هایی از جنس آمونیاک تولید می‌کنند.

آمونیاک چیست: در جوّ چهار سیاره گازی منظومه شمسی بویژه مشتری و زحل مقدار آمونیاک چشمگیری وجود دارد.
در جوّ چهار سیاره گازی منظومه شمسی بویژه مشتری و زحل مقدار آمونیاک چشمگیری وجود دارد.

تاریخچه کشف ویژگی‌های آمونیاک

آمونیاک چون در طبیعت نیز وجود دارد، از گذشته‌های بسیار دور به‌سبب بوی نامطبوعش ماده‌ آشنایی بود. در قرن هجدهم میلادی جوزف بلک (اسکاتلندی)، پیتر وولف (ایرلندی)، کارل ویلهلم شیل (سوئدی/آلمانی) و جوزف پریستلی (انگلیسی) مشخصه‌های علمی آمونیاک‌ را ثبت و مستندسازی کردند اما ترکیب آن‌را نمی‌دانستند. در سال ۱۷۸۵ کلود لوییس برتهولت، شیمی‌دان فرانسوی، ترکیب عنصری آمونیاک را مشخص کرد.


جمع‌بندی: آمونیاک چیست و چه کاربردی دارد؟

توضیح دادیم که آمونیاک چیست و چه کاربردی دارد. گفتیم که آمونیاک در دما و فشار عادی گاز بی‌رنگی است که با کاهش دما به کمتر از ۳۳.۳۴- درجه سانتی‌گراد به مایع تغییر حالت می‌دهد. آمونیاک سمی است و لذا نباید مستقیما در معرض آن قرار گرفت. چنانچه غلظت آمونیاک در آب یا هوا زیاد باشد، مسمومیت شدید ایجاد می‌کند و برای سلامت انسان و سایر جانداران خطرناک است.

در عین حال، آمونیاک خواص مفیدی نیز دارد و برای مثال، اگر باندازه باشد، به‌سبب برخورداری از نیتروژن برای رشد گیاهان مفید است. همچنین از آمونیاک در داروسازی و نیز برای خنک‌سازی و دفع گرمای مجتمع‌های صنعتی استفاده می‌شود.