Ammoniac

Définition

L'ammoniac ou le gaz d'ammonium est un composé chimique d'azote et hydrogène avec la formule chimique NH₃. C'est un gaz incolore avec une odeur répulsive caractéristique. L'ammoniac contribue de manière significative aux besoins nutritionnels des organismes terrestres en étant un précurseur d'engrais.

Une molécule d'ammoniac :

L'ammoniac est un gaz incolore et odorant, de masse molaire 17,03 g/mol, avec un point de fusion à -77,7 °C et un point d'ébullition à -33 °C. La densité est de 0,7714 kg/m³ (0 °C, 1013 mbar).

Explications

L'ammoniac est formé d'une combinaison gazeuse d'azote et d'hydrogène, produite naturellement au cours de la décomposition d'azote organique, au cours du cycle de l'azote. C'est un gaz fortement piquant, incolore, soluble dans l'eau et toxique qui déchire et étouffe. L'ammoniac est une substance amphotère : dans des conditions aqueuses, il agit comme une base. Il forme plusieurs séries de sels : les sels d'ammonium cationiques et les amides, imides et nitrures anioniques, dans lesquels un (amides), deux (imides) ou tous (nitrures) protons (ions hydrogène) sont remplacés par des ions métalliques.

Directement ou indirectement, l'ammoniac, en plus d'être un précurseur aux engrais, est également un élément important pour la synthèse de nombreux médicaments et est utilisé dans divers produits de nettoyage commerciaux. Malgré sa grande utilité, l'ammoniac est caustique et dangereux, quelque soit la température.

🚩 Si le mot ammoniaque prête à confusion pour son acceptation chimique, l'écriture ammoniac ne souffre aucune erreur : il s'agit de NH₃, le gaz ammoniac.

Pour sa volatilisation, voir la volatilisation de l'ammoniac qui est un phénomène de biovolatilisation.

Généralités

L'ammoniac est l'un des produits chimiques et des matières premières les plus couramment produits pour la production de tous les autres composés azotés. La majeure partie de l'ammoniac est transformée en engrais, en particulier les sels d'urée et d'ammonium. La production repose presque exclusivement sur le procédé Haber-Bosch utilisant les éléments hydrogène et azote.

Biologiquement, l'ammoniac joue un rôle important en tant qu'intermédiaire dans la construction et la dégradation des acides aminés. En raison de la toxicité de grandes quantités d'ammoniac, celui-ci est transformé en urée dans le corps pour être excrété dans l'urée non toxique ou, par exemple, chez les oiseaux, en acide urique.

L'ammoniac, à température ambiante, est un gaz incolore avec une odeur très piquante et nauséabonde. Il est produit naturellement par décomposition de matière organique. Il est produit naturellement dans le sol par les bactéries, par la décomposition des plantes et des animaux, et par les déchets animaux. Il est essentiel pour de nombreux processus biologiques.

L'ammoniac est également fabriqué industriellement. Il est facilement soluble et s'évapore rapidement. Il est généralement vendu sous forme liquide. Il est produit synthétiquement par un procédé industriel pour être utilisé dans la production d'engrais chimiques et d'ammoniaque non ionisée. La production industrielle d'ammoniac en 2012 était de 198 000 000 tonnes, soit une augmentation de 35 % par rapport à 2006, avec 146 500 000 tonnes.

Le NH₃ bout à -33,34 °C à une pression d'une atmosphère, ce qui aide à le maintenir à l'état liquide, sous pression à basse température. Cependant, à des températures supérieures à 405,5 K (température critique), aucune augmentation de pression ne provoque la condensation de ce gaz. Si la pression augmente au-dessus de la valeur critique de 111,5 atm, toute augmentation au-dessus de cette valeur augmente la compression des molécules de gaz, mais une phase liquide définie ne se forme pas.

L'ammoniaque domestique ou l'hydroxyde d'ammonium est une solution de NH₃ dans l'eau. La concentration de ladite solution est mesurée en unités de l'échelle Baumé, avec 26 degrés Baumé (environ 30 % en poids d'ammoniac) comme concentration typique du produit commercial.

La majorité (plus de 80 %) de l'ammoniac produit dans les usines chimiques est utilisé pour la fabrication d'engrais et pour une application directe comme engrais. Le reste est utilisé dans les textiles, les plastiques, les explosifs, dans la production de pâtes et papiers, de produits alimentaires et de boissons, de produits d'entretien ménager, de réfrigérants et d'autres produits. Il est également utilisé dans les sels aromatiques.

En raison de son pH alcalin, il est capable de réagir avec des acides produisant des sels d'ammonium.

Occurrence

Étant donné que l'ammoniac réagit facilement avec les composés acides, l'ammoniac libre n'existe qu'en petite quantité sur la terre. Elle est causée par la décomposition de plantes mortes et d'excréments d'animaux. Dans ce que l'on appelle l'humification, les microorganismes dégradent les composants de la biomasse contenant de l'azote, de sorte que de l'ammoniac se forme. Ce gaz pénètre dans l'air sous forme de gaz, mais y réagit avec des acides tels que l'acide sulfurique ou l'acide nitrique et forme les sels correspondants. Ceux-ci peuvent également être transportés sur de plus longues distances et pénétrer facilement dans le sol. Les sources importantes d'émission d'ammoniac sont les éruptions volcaniques, l'élevage comme l'engraissement du bétail et la circulation.

Les sels d'ammonium, en revanche, sont répandus sur Terre. Le sel d'ammonium le plus commun est le chlorure d'ammonium ammoniacal sal, mais on sait également que l'hydrogénophosphate de diammonium (phosphammite), le sulfate d'ammonium (mascagnine) et un certain nombre de sels d'ammonium complexes avec d'autres cations sont naturels. Celles-ci se trouvent principalement à proximité des volcans ou des gisements de charbon, dans lesquels des substances organiques sont décomposées, notamment en ammoniac. Le Salmiak, par exemple, est principalement utilisé comme produit de sublimation autour de fumerolles, où le gaz chlorhydrique et l'ammoniac contenus dans la vapeur chaude précipitent sous forme de chlorure d'ammonium.

De nombreuses roches et sédiments, notamment les minéraux de muscovite, de biotite et de feldspath, contiennent de l'ammonium. En revanche, les roches de quartz ne contiennent que de petites quantités d'ammonium. En plus de l'origine de l'ammonium, la fuite d'ammoniac joue également un rôle dans la distribution lors de la métamorphose.

L'ammoniac est également présent dans l'espace. En 1968, c'était la première molécule trouvée dans l'espace interstellaire en raison de son spectre hyperfréquence. L'ammoniac est également présent sur les planètes gazeuses du système solaire.

Histoire

Les composés d'ammonium naturels sont connus depuis longtemps. Ainsi, le chlorure d'ammonium (ammoniacal) avait déjà été obtenu dans l'Égypte antique en chauffant des excréments de chameaux. Lors du chauffage, de l'ammoniac se forme qui forme du chlorure d'ammonium sous forme de fumée blanche lors de la réaction avec du chlorure d'hydrogène. L'ammoniac et l'ammoniac sont tous deux dérivés du latin sal ammoniacum, qui renvoie à l'ancien nom de l'oasis de Siwa (oasis d'Ammon ou d'Amon). Il y avait d'importants dépôts de sel près de l'oasis, mais il s'agissait probablement de chlorure de sodium et non de chlorure d'ammonium d'origine naturelle.

L'ammoniac gazeux a été mentionné pour la première fois en 1716 par Johannes Kunckel, qui observait la fermentation. Le gaz a été isolé pour la première fois en 1774 par Joseph Priestley. Les recherches suivantes ont été menées par Carl Wilhelm Scheele et Claude-Louis Berthollet, qui ont reconnu la composition de l'ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène, et William Henry, qui a déterminé le rapport exact entre les deux éléments de 1 : 3 et donc la formule chimique NH₃.

L'ammoniac était nécessaire en plus grande quantité en 1840, après que Justus von Liebig eut développé la fertilisation à l'azote pour améliorer les rendements agricoles. Initialement, l'ammoniac était récupéré en tant que sous-produit de la distillation du charbon, mais après une courte période, cela ne suffisait plus pour répondre à la demande d'engrais. Un premier procédé technique permettant d'obtenir de plus grandes quantités d'ammoniac est le procédé Frank Caro de 1898, dans lequel le carbure de calcium et l'azote sont convertis en cyanamide de calcium, puis mis à réagir avec de l'eau pour former de l'ammoniac.

À partir de 1 900 environ, Fritz Haber, mais aussi Walther Nernst, ont commencé à étudier la réaction directe de l'azote et de l'hydrogène pour former de l'ammoniac. Ils se sont vite rendu compte que cette réaction n'intervient que dans une très faible mesure dans des conditions normales et que des rendements élevés nécessitent des températures élevées, une pression élevée et un catalyseur approprié. En 1909, Haber réussit pour la première fois à produire de l'ammoniac à l'échelle du laboratoire par synthèse directe à l'aide d'un catalyseur à l'osmium. Puis, avec l'aide de Carl Bosch, il a essayé cette méthode pour appliquer le processus Haber-Bosch plus tardif à une échelle industrielle. Ceci a été réalisé en surmontant les problèmes techniques causés par le travail sous haute pression en 1910 en opération expérimentale. En 1913, la première usine commerciale de synthèse d'ammoniac est mise en service chez BASF à Ludwigshafen. Un catalyseur mixte à base de fer, mis au point par Alwin Mittasch, a été utilisé à la place du coûteux osmium. Ce procédé a été utilisé à grande échelle au bout de peu de temps et est encore utilisé aujourd'hui pour la production d'ammoniac. En 1918, Fritz Haber reçut le prix Nobel de chimie pour le développement de la synthèse d'ammoniac et, en 1931, avec Friedrich Bergius, Carl Bosch pour le développement de procédés de chimie à haute pression.

Pendant longtemps cependant, on ne savait rien de précis sur les processus exacts de la réaction sur le catalyseur. S'agissant de réactions de surface, elles ne pourraient être étudiées qu'après le développement de techniques appropriées telles que le microscope à ultra-vide ou le microscope à effet tunnel. Les réactions partielles individuelles de la synthèse d'ammoniac ont été découvertes par Gerhard Ertl, qui a également reçu le prix Nobel de chimie 2007.

La réaction de l'ammoniac en acide nitrique a été étudiée pour la première fois en 1825 par Frédéric Kuhlmann. Un procédé techniquement applicable pour la synthèse de l'acide nitrique à partir d'ammoniac a été mis au point par le procédé actuel d'Ostwald au début du 20^ème siècle par Wilhelm Ostwald. Après le développement du procédé Haber-Bosch, celui-ci est également devenu important sur le plan technique et a rapidement remplacé en grande partie le processus de production précédent du coûteux Chilesalpeter.

Extraction et présentation

L'ammoniac est un produit chimique de base fabriqué à grande échelle. En 2011, 136 millions de tonnes ont été fabriquées dans le monde. Les principaux producteurs sont la République populaire de Chine, l'Inde, la Russie et les États-Unis. La production d'ammoniac nécessite de grandes quantités de combustibles fossiles. La part de la production d'ammoniac dans la consommation mondiale de combustibles fossiles est d'environ 1,4 %. Environ 1,87 tonnes de dioxyde de carbone est rejetée par tonne d'ammoniac produit.

Plus de 90 % de l'ammoniac produit résulte d'une synthèse directe à l'aide du procédé Haber-Bosch. Les gaz azote et hydrogène réagissent dans une réaction catalytique hétérogène dans de grands réacteurs.

Avant la réaction proprement dite, il faut d'abord obtenir les produits de départ. Bien que l'azote soit disponible en grandes quantités comme constituant de l'air et soit obtenu par liquéfaction de l'air, l'hydrogène doit d'abord être produit à partir de sources appropriées. Le procédé le plus important est le reformage à la vapeur, dans lequel le gaz naturel ainsi que le charbon et le naphta sont convertis en deux étapes avec de l'eau et de l'oxygène en hydrogène et en dioxyde de carbone. Une fois le dioxyde de carbone éliminé, l'hydrogène est mélangé à l'azote dans le bon rapport et, selon le procédé, comprimé à 80–400 bars, généralement à 150–250 bars.

Le mélange de gaz est introduit dans le cycle de réaction. Là, il est d'abord refroidi pour éliminer les traces d'eau, puis chauffé dans des échangeurs de chaleur à 400–500 °C. Le mélange de gaz chauds peut maintenant réagir dans le réacteur même avec des catalyseurs de fer qui sont mélangés avec divers promoteurs tels que l'alumine ou l'oxyde de calcium pour former de l'ammoniac. Pour des raisons économiques, les gaz ne sont exposés aux catalyseurs dans l'opération technique que peu de temps, de sorte que l'équilibre ne peut pas s'ajuster et que la réaction ne soit que incomplète. Le mélange gazeux, qui a maintenant une teneur en ammoniac d'environ 16,4 %, est refroidi en plusieurs étapes, de sorte que l'ammoniac devient liquide et puisse être séparé. Le mélange restant d'azote, d'hydrogène et d'une petite quantité d'ammoniac est recyclé avec du gaz frais.

Le ruthénium, qui présente une activité catalytique nettement supérieure, permet ainsi des rendements plus élevés à basses pressions. En raison du prix élevé du ruthénium, un métal précieux rare, l'application industrielle d'un tel catalyseur n'est actuellement que dans une faible mesure.

En 2014, une synthèse alternative au procédé Haber-Bosch avec une consommation d'énergie considérablement réduite a été présentée. Dans ce cas, des nanoparticules d'oxyde de fer (III), qui sont ajoutées à un mélange équimolaire d'hydroxyde de potassium et d'hydroxyde de sodium, servent de catalyseur. Le mélange est chauffé à 200 °C et placé sous tension (1,2 V). De la vapeur d'eau et de l'air sont ajoutés, formant alors de l'ammoniac. Le rendement basé sur la charge électrique utilisée (rendement Faraday) est de 35 %.

Plusieurs groupes de recherche travaillent sur la production d'ammoniac neutre en CO₂ basée sur des procédés électrochimiques ("synthèse électrochimique d'ammoniac"). L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau devrait réagir en présence de certains catalyseurs et membranes directement avec l'azote pour former de l'ammoniac. À l'avenir, l'électricité proviendra principalement de sources renouvelables.

En rapport avec "ammoniac"

• ammoniaque

  

  L'ammoniaque (hydroxyde d'ammonium) est la solution aqueuse basique de l'ammoniac, de symbole NH3(aq).

• ammonification

  

  L'ammonification est le processus par lequel des organismes microscopiques comme des bactéries ou d'autres types d'organismes en décomposition, décomposent...

• ammonisation

  

  L'ammonisation est la transformation de l'azote organique (matière vivante, déchets organiques) en azote ammoniacal (ammoniac, ammoniaque, nitrites, nitrates).

• ammonite

  

  Les ammonites étaient des céphalopodes prédateurs à coquille de la famille Ammonoidea qui ont disparu il y a environ 66 millions d'années.