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Ammoniak

Ammoniak (Aussprache: Betonung auf Hochdeutsch auf der letzten Silbe: [amoni̯ˈak]; im südlichen Teil des deutschen Sprachraums jedoch meist auf der ersten: [ˈamoni̯ak]) ist eine chemische Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff mit der Summenformel NH3. Es ist ein stark stechend riechendes, farbloses, wasserlösliches und giftiges Gas, das zu Tränen reizt und erstickend wirkt. Ammoniak ist ein amphoterer Stoff: Unter wässrigen Bedingungen wirkt es als Base. Es bildet mehrere Reihen von Salzen: die kationischen Ammoniumsalze sowie die anionischen Amide, Imide und Nitride, bei denen ein (Amide), zwei (Imide) oder alle (Nitride) Protonen (Wasserstoffionen) durch Metallionen ersetzt sind.

Strukturformel
Allgemeines
Name Ammoniak
Andere Namen
  • Azan (IUPAC)
  • Alkali volatile
  • alkalische Luft
  • Ammonia
  • flüchtiges Laugensalz
  • tierisches Laugensalz
  • R717
  • AMMONIA (INCI)
Summenformel NH3
Kurzbeschreibung

farbloses, stechend riechendes Gas

Externe Identifikatoren/Datenbanken
Eigenschaften
Molare Masse 17,03 g·mol−1
Aggregatzustand

gasförmig

Dichte

0,7714 kg·m−3 (0 °C, 1013 mbar)

Schmelzpunkt

−77,7 °C

Siedepunkt

−33 °C

Dampfdruck

8573 hPa (20 °C)

pKS-Wert
  • 9,24 (NH3/NH4+, in Wasser)
  • 23 (NH2/NH3, in Wasser)
  • 41 (in DMSO)
Löslichkeit
Dipolmoment

1,4718(2) D (4,91 · 10−30 C · m)

Brechungsindex

1,325 (16,85 °C)

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP), ggf. erweitert

Gefahr

H- und P-Sätze H:221​‐​280​‐​331​‐​314​‐​410
EUH:071
P:210​‐​260​‐​273​‐​280​‐​303+361+353+315​‐​304+340+315​‐​305+351+338+315​‐​377​‐​381​‐​405​‐​403
MAK

DFG/Schweiz: 20 ml·m−3 bzw. 14 mg·m−3

Toxikologische Daten
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−45,9 kJ·mol−1 (g)

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Ammoniak ist eine der meistproduzierten Chemikalien und Grundstoff für die Produktion aller weiteren Stickstoffverbindungen. Der größte Teil des Ammoniaks wird zu Düngemitteln, insbesondere Harnstoff und Ammoniumsalzen, weiterverarbeitet. Die Herstellung erfolgt bislang (2020) fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff.

Biologisch hat Ammoniak eine wichtige Funktion als Zwischenprodukt beim Auf- und Abbau von Aminosäuren. Aufgrund der Giftigkeit größerer Ammoniakmengen wird es zur Ausscheidung im Körper in den ungiftigen Harnstoff oder, beispielsweise bei Vögeln, in Harnsäure umgewandelt.

Inhaltsverzeichnis

Fritz Haber

Natürlich vorkommende Ammoniumverbindungen sind schon seit langer Zeit bekannt. So wurde Ammoniumchlorid (Salmiak) schon in der Antike in Ägypten durch Erhitzen von Kamelmist gewonnen. Beim Erhitzen bildet sich Ammoniak, das durch Reaktion mit Chlorwasserstoff Ammoniumchlorid als weißen Rauch bildet. Sowohl Salmiak als auch Ammoniak leiten sich vom lateinischen sal ammoniacum ab, das wiederum auf den antiken Namen der Oase Siwa (Oase des Ammon oder Amun) zurückgeht. In der Nähe der Oase befanden sich große Salzvorkommen, allerdings handelte es sich dabei wohl um Natriumchlorid und nicht um natürlich vorkommendes Ammoniumchlorid.

Gasförmiges Ammoniak wurde erstmals 1716 von Johannes Kunckel erwähnt, der Gärvorgänge beobachtete. Isoliert wurde das Gas erstmals 1774 von Joseph Priestley. Weitere Forschungen erfolgten durch Carl Wilhelm Scheele und Claude-Louis Berthollet, die die Zusammensetzung des Ammoniaks aus Stickstoff und Wasserstoff erkannten, sowie William Henry, der das exakte Verhältnis der beiden Elemente von 1:3 und damit die chemische Formel NH3 bestimmte. Erste, jedoch erfolglose Versuche zur Synthese des Ammoniaks aus den Elementen führte Georg Friedrich Hildebrandt um 1795 durch, indem er Stickstoff und Wasserstoff in verschiedenen Mischungsverhältnissen über Wasser stehen ließ.

In größerer Menge wurde Ammoniak ab 1840 benötigt, nachdem Justus von Liebig die Stickstoffdüngung zur Verbesserung der Erträge in der Landwirtschaft entwickelt hatte. Zunächst wurde Ammoniak als Nebenprodukt bei der Destillation von Kohle gewonnen, dies war jedoch nach kurzer Zeit nicht mehr ausreichend, um die Nachfrage nach Düngemittel zu decken. Ein erstes technisches Verfahren, um größere Mengen Ammoniak zu gewinnen, war 1898 das Frank-Caro-Verfahren, bei dem Calciumcarbid und Stickstoff zu Calciumcyanamid und dieses anschließend mit Wasser zu Ammoniak umgesetzt wurden.

Ab etwa 1900 begann Fritz Haber, aber auch Walther Nernst, mit der Erforschung der direkten Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Sie erkannten bald, dass diese Reaktion bei Normalbedingungen nur in sehr geringem Umfang stattfindet und dass für hohe Ausbeuten hohe Temperaturen, ein hoher Druck sowie ein geeigneter Katalysator nötig sind. 1909 gelang es Haber erstmals, mit Hilfe eines Osmiumkatalysators Ammoniak im Labormaßstab durch Direktsynthese herzustellen. Daraufhin versuchte er mit Hilfe von Carl Bosch dieses Verfahren, das spätere Haber-Bosch-Verfahren, auch im industriellen Maß anzuwenden. Dies gelang nach Überwindung der durch das Arbeiten unter hohem Druck verursachten technischen Probleme 1910 im Versuchsbetrieb. 1913 wurde bei der BASF in Ludwigshafen die erste kommerzielle Fabrik zur Ammoniaksynthese in Betrieb genommen. Dabei wurde ein inzwischen von Alwin Mittasch entwickelter Eisen-Mischkatalysator anstatt des teuren Osmiums genutzt. Dieses Verfahren wurde schon nach kurzer Zeit in großem Maßstab angewendet und wird bis heute zur Ammoniakproduktion genutzt. 1918 erhielt Fritz Haber für die Entwicklung der Ammoniaksynthese den Chemie-Nobelpreis, 1931 zusammen mit Friedrich Bergius auch Carl Bosch für die Entwicklung von Hochdruckverfahren in der Chemie.

Über die genauen Abläufe der Reaktion am Katalysator war dagegen lange Zeit nichts Genaues bekannt. Da es sich hierbei um Oberflächenreaktionen handelt, konnten sie erst nach der Entwicklung geeigneter Techniken wie dem Ultrahochvakuum oder dem Rastertunnelmikroskop untersucht werden. Die einzelnen Teilreaktionen der Ammoniaksynthese wurden dabei von Gerhard Ertl entdeckt, der hierfür auch den Nobelpreis für Chemie 2007 erhielt.

Die Reaktion von Ammoniak zu Salpetersäure wurde erstmals ab 1825 von Frédéric Kuhlmann untersucht. Ein technisch anwendbares Verfahren für die Salpetersäuresynthese aus Ammoniak wurde mit dem heutigen Ostwald-Verfahren Anfang des 20. Jahrhunderts von Wilhelm Ostwald entwickelt. Dieses wurde nach Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens auch technisch wichtig und löste bald weitgehend das bisherige Produktionsverfahren aus teurem Chilesalpeter ab.

Da Ammoniak leicht mit sauren Verbindungen reagiert, kommt freies Ammoniakgas nur in geringen Mengen auf der Erde vor. Es entsteht z. B. bei der Zersetzung von abgestorbenen Pflanzen und tierischen Exkrementen. Bei der sogenannten Humifizierung werden stickstoffhaltige Bestandteile der Biomasse durch Mikroorganismen so abgebaut, dass unter anderem Ammoniak entsteht. Dieses gelangt als Gas in die Luft, reagiert dort jedoch mit Säuren wie Schwefel- oder Salpetersäure und bildet die entsprechenden Salze. Diese können auch über größere Strecken transportiert werden und gelangen leicht in den Boden. Fast die komplette Emission von Ammoniak fällt dabei auf die Nutztierhaltung. In geringerem Umfang können auch vulkanische Gase einen Beitrag zur Umweltbelastung leisten, ebenso wie der Straßenverkehr.

Ammoniumsalze sind dagegen auf der Erde weit verbreitet. Das häufigste Ammoniumsalz ist Salmiak (Ammoniumchlorid), aber auch Diammoniumhydrogenphosphat (Phosphammit), Ammoniumsulfat (Mascagnin) und eine Anzahl komplizierter aufgebauter Ammoniumsalze mit weiteren Kationen sind aus der Natur bekannt. Diese findet man vor allem in der Umgebung von Vulkanen oder brennenden Kohleflözen, in denen organische Substanzen unter anderem zu Ammoniak zersetzt werden. So wird Salmiak vorwiegend als Sublimationsprodukt um Fumarolen gefunden, wo sich die im heißen Dampf enthaltenen Chlorwasserstoff- und Ammoniak-Gase als Ammoniumchlorid niederschlagen.

Auch viele Gesteine und Sedimente, vor allem Muskovit, Biotit und Feldspat-Minerale, enthalten Ammonium. Dagegen enthalten Quarzgesteine nur geringe Mengen Ammonium. Für die Verteilung spielt neben dem Ursprung des Ammoniums auch das Entweichen von Ammoniak bei der Metamorphose eine Rolle.

Ammoniak kommt auch im Weltall vor. Es war 1968 das erste Molekül, das durch sein Mikrowellenspektrum im interstellaren Raum gefunden wurde. Auch auf den Gasplaneten des Sonnensystems kommt Ammoniak vor.

Ammoniakproduktion 1946–2007

Ammoniak ist eine Grundchemikalie und wird in großem Maßstab produziert. Im Jahr 2017 wurden weltweit 150 Millionen Tonnen hergestellt. Die Hauptproduzenten sind die Volksrepublik China, Indien, Russland und die Vereinigten Staaten. Für die Ammoniakproduktion werden zurzeit noch große Mengen fossiler Energieträger benötigt. Der Anteil der Ammoniakproduktion am weltweiten Verbrauch fossiler Energieträger beträgt etwa 1,4 bis 3 %.

Über 90 % des produzierten Ammoniaks wird in der Direktsynthese über das Haber-Bosch-Verfahren produziert. Bei dieser Reaktion reagieren die Gase Stickstoff und Wasserstoff in einer heterogen katalysierten Redoxreaktion in großen Reaktoren miteinander. Bei der Reaktion wird formal betrachtet Stickstoff zu Ammoniak reduziert mit Wasserstoff als Reduktionsmittel, der dabei oxidiert wird und seine Oxidationszahl erhöht.

N 2 + 3 H 2 2 N H 3 + 46 k J m o l {\displaystyle \mathrm {N_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow 2\ NH_{3}} \ +46\,\mathrm {\tfrac {kJ}{mol}} }
Reaktionsgleichung der Direktsynthese aus Stickstoff und Wasserstoff.
Der 1921 gebaute Ammoniak-Reaktor der Badischen Anilin- und Sodafabrik befindet sich heute auf dem Gelände des Karlsruher Instituts für Technologie

Die Reaktion ist exotherm, hat aber eine hohe Aktivierungsenergie, weshalb man einen Katalysator braucht, um eine nennenswerte Umsetzungsrate zu erreichen.

Vor der eigentlichen Reaktion müssen zunächst die Ausgangsstoffe gewonnen werden. Während Stickstoff als Luftbestandteil in großen Mengen zu Verfügung steht und durch Luftverflüssigung gewonnen wird, muss Wasserstoff zunächst aus geeigneten Quellen hergestellt werden. Das zurzeit noch (2020) wichtigste Verfahren stellt dabei die Dampfreformierung dar, bei dem vor allem Erdgas, aber auch Kohle und Naphtha in zwei Schritten mit Wasser und Sauerstoff zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden. Nach Abtrennung des Kohlenstoffdioxides wird der Wasserstoff im richtigen Verhältnis mit Stickstoff gemischt und je nach Verfahren auf 80–400 bar, typischerweise auf 150–250 bar, verdichtet. In Zukunft ist zu erwarten, dass der Wasserstoff mehr und mehr auf elektrolytischem Weg aus Wasser unter Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom erzeugt wird.

Das Gasgemisch wird in den Reaktionskreislauf eingespeist. Dort wird es zunächst zur Entfernung von Wasserspuren gekühlt und anschließend an Wärmetauschern auf 400–500 °C erhitzt. Das heiße Gasgemisch kann nun im eigentlichen Reaktor an Eisenkatalysatoren, die mit verschiedenen Promotoren wie Aluminiumoxid oder Calciumoxid vermischt sind, zu Ammoniak reagieren. Aus wirtschaftlichen Gründen werden die Gase im technischen Betrieb nur eine kurze Zeit den Katalysatoren ausgesetzt, so dass sich das Gleichgewicht nicht einstellen kann und die Reaktion nur unvollständig abläuft. Das Gasgemisch, das nun einen Ammoniakgehalt von etwa 16,4 % hat, wird in mehreren Stufen abgekühlt, so dass das Ammoniak flüssig wird und abgetrennt werden kann. Das verbleibende Gemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und einem kleinen Restanteil Ammoniak wird zusammen mit frischem Gas wieder in den Kreislauf eingespeist.

Eine mögliche Katalysator-Alternative wäre Ruthenium, das eine deutlich höhere Katalysatoraktivität besitzt und damit höhere Ausbeuten bei niedrigen Drücken ermöglicht. Aufgrund des hohen Preises für das seltene Edelmetall Ruthenium findet die industrielle Anwendung eines solchen Katalysators aber bislang nur in geringem Umfang statt.

Mehrere Arbeitsgruppen arbeiten an einer CO2-neutralen Ammoniakproduktion, auf der Basis von elektrochemischen Verfahren („elektrochemische Ammoniaksynthese“). Der durch Elektrolyse von Wasser erzeugte Wasserstoff soll dabei in Gegenwart bestimmter Katalysatoren und Membranen direkt mit Stickstoff zu Ammoniak reagieren. Der Strom soll dabei künftig im Wesentlichen aus regenerativen Quellen stammen.

Physikalische Eigenschaften

Ammoniak ist bei Raumtemperatur ein farbloses, diamagnetisches, stechend riechendes Gas. Unterhalb von −33 °C wird es flüssig. Die Flüssigkeit ist farblos und stark lichtbrechend und hat am Siedepunkt eine Dichte von 0,6819 kg/l. Auch durch Druckerhöhung lässt sich das Gas leicht verflüssigen; bei 20 °C ist schon ein Druck von 900 kPa ausreichend. Die kritische Temperatur ist 132,4 °C, der kritische Druck beträgt 113 bar, die kritische Dichte ist 0,236 g/cm3. Innerhalb des Bereichs von 15,4 bis 33,6 Vol-% (108–336 g/m3) ist Ammoniak explosionsgefährlich. Seine Zündtemperatur liegt bei 630 °C.

In der flüssigen Phase bildet Ammoniak Wasserstoffbrückenbindungen aus, was den verhältnismäßig hohen Siedepunkt und eine hohe Verdampfungsenthalpie von 23,35 kJ/mol begründet. Um diese Bindungen beim Verdampfen aufzubrechen, wird viel Energie gebraucht, die aus der Umgebung zugeführt werden muss. Deshalb eignet sich flüssiges Ammoniak zur Kühlung. Vor der Verwendung der Halogenkohlenwasserstoffe war Ammoniak ein häufig benutztes Kältemittel in Kühlschränken.

Unterhalb von −77,7 °C erstarrt Ammoniak in Form von farblosen Kristallen. Es kristallisiert dabei im kubischen Kristallsystem mit einem Gitterparameter a = 508,4 pm (−196 °C). Bei −102 °C beträgt der Gitterparameter a = 513,8 pm. Die Struktur lässt sich von einem kubisch-flächenzentrierten Gitter ableiten, wobei sechs der zwölf Nachbarmoleküle näher zum Zentralmolekül gelegen sind, als die übrigen sechs. Jedes freie Elektronenpaar ist dabei mit jeweils drei Wasserstoffatomen koordiniert.

Dichteanomalie und (nicht isobarer) Ausdehnungskoeffizient von flüssigem Ammoniak

Bei jeder Temperatur hat das Flüssiggas einen anderen Dampfdruck, entsprechend seiner Dampfdruckfunktion. Daher erfolgt hier die temperaturbedingte Ausdehnung oder Kontraktion des Volumens nicht isobar.

Substanz: flüssiges Ammoniak, siedend (bei eigenem Dampfdruck)
T 0 {\displaystyle T_{0}} / T 2 {\displaystyle T_{2}} in [°C] ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}} / ρ 2 {\displaystyle \rho _{2}} in [g/cm³] Δ T {\displaystyle \Delta T} in [K] mittlere Temperatur T mittl. {\displaystyle T_{\text{mittl.}}} in [°C] γ mittl. {\displaystyle \gamma _{\text{mittl.}}} in [1/K]
−70 / −68 0,72527 / 0,72036 2 −69 +0,003408
−68 / −66 0,72036 / 0,72067 2 −67 -0,000215
−66 / −64 0,72067 / 0,71839 2 −65 +0,001587
−64 / −62 0,71839 / 0,71608 2 −63 +0,001613
−50 / −48 0,70200 / 0,69964 2 −49 +0,001687
−30 / −28 0,67764 / 0,67517 2 −29 +0,001829
−28 / −26 0,67517 / 0,67263 2 −27 +0,001888
−26 / −24 0,67263 / 0,67463 2 −25 -0,001482
−24 / −22 0,67463 / 0,68587 2 −23 -0,008194
−22 / −20 0,68587 / 0,66503 2 −21 +0,015668
−2 / 0 0,64127 / 0,63857 2 −1 +0,002114
−2 / 2 0,64127 / 0,63585 4 0 +0,002131
0 / 2 0,63857 / 0,63585 2 1 0,002139
18 / 20 0,61320 / 0,61028 2 19 +0,002392
18 / 22 0,61320 / 0,60731 4 20 +0,002425
20 / 22 0,61028 / 0,60731 2 21 +0,002445
24 / 26 0,60438 / 0,60132 2 25 +0,002544
48 / 50 0,56628 / 0,56306 2 49 +0,002859

Hinweis: Dichtewerte und Ausdehnungskoeffizienten des flüssigen Ammoniaks weisen im betrachteten Temperaturbereich zwei Dichteanomalien auf.

Die mittleren Ausdehnungskoeffizienten γ mittl. {\displaystyle \gamma _{\text{mittl.}}} wurden aus den Dichtewerten berechnet:

γ mittl. = γ ¯ = Δ V V 0 Δ T = ( V 2 V 0 ) 1 Δ T = ( v 2 v 0 ) 1 Δ T = ( ρ 0 ρ 2 ) 1 Δ T {\displaystyle \gamma _{\text{mittl.}}={\bar {\gamma }}={\frac {\Delta {V}}{V_{0}\cdot \Delta {T}}}={\frac {({\frac {V_{2}}{V_{0}}})-1}{\Delta {T}}}={\frac {({\frac {v_{2}}{v_{0}}})-1}{\Delta {T}}}={\frac {({\frac {\rho _{0}}{\rho _{2}}})-1}{\Delta {T}}}}

Die Dichtequotienten sind den Volumenquotienten oder den Quotienten der spezifischen Volumina v {\displaystyle v} (massenspezifisch oder molares Volumen) jeweils indirekt proportional.

Molekulare Eigenschaften

Molekülgeometrie von Ammoniak

Ammoniak besteht aus einem Stickstoff- und drei Wasserstoffatomen. Diese sind dabei nicht in einer Ebene, sondern in Form einer dreiseitigen Pyramide (trigonal-pyramidal) angeordnet. Das Stickstoffatom bildet die Spitze, die Wasserstoffatome die Grundfläche der Pyramide. Für diese Form verantwortlich ist ein freies Elektronenpaar des Stickstoffs. Wird dieses berücksichtigt, entspricht die Struktur der eines verzerrten Tetraeders. Gemäß dem VSEPR-Modell ergibt sich durch das freie Elektronenpaar eine Abweichung vom idealen Tetraederwinkel (109,5°) zu einem Wasserstoff-Stickstoff-Wasserstoff-Winkel von 107,3°. Dieser liegt damit zwischen den Bindungswinkeln im Methan (idealer Tetraederwinkel von 109,5°) und Wasser (größere Verzerrung durch zwei freie Elektronenpaare, Winkel 104,5°). Die Bindungslänge der Stickstoff-Wasserstoff-Bindung im Ammoniak liegt bei 101,4 pm, was wiederum zwischen den Bindungslängen im Methan von 108,7 pm und Wasser (95,7 pm) liegt. Dies lässt sich durch die zunehmende Elektronegativitätsdifferenz von Kohlenstoff über Stickstoff zu Sauerstoff und damit einer stärkeren polaren Bindung erklären.

Das Ammoniakmolekül ist nicht starr, die Wasserstoffatome können über einen planaren Übergangszustand auf die andere Seite der Pyramide klappen. Die Energiebarriere für die pyramidale Inversion ist mit 24,2 kJ/mol so klein, dass sich bei Raumtemperatur von Ammoniak und davon ableitbaren Aminen NR3 (R: organische Reste) keine Enantiomere isolieren lassen. Ammoniakmoleküle besitzen eine sehr exakte und konstante Schwingungsfrequenz von 23,786 GHz, die zur Zeitmessung verwendet werden kann. Unter anderem wurde die erste Atomuhr mit Hilfe der Ammoniak-Schwingungsfrequenz konstruiert.

Chemische Eigenschaften

Flüssiges Ammoniak

Wasserfreies Ammoniak in einem Druckbehälter

Flüssiges Ammoniak ist ein gutes Lösungsmittel und zeigt ähnliche Eigenschaften wie Wasser. Es löst viele organische Verbindungen, wie Alkohole, Phenole, Aldehyde und Ester und viele Salze unter Solvatisierung der sich bildenden Ionen.

In Analogie zu Wasser unterliegt flüssiges Ammoniak auch der Autoprotolyse mit dem Ionenprodukt von nur 10−29 mol2/l2 und einem Neutralpunkt von 14,5:

2 N H 3 N H 4 + + N H 2 {\displaystyle \mathrm {2\ NH_{3}\ \rightleftharpoons \ NH_{4}^{+}\ +\ NH_{2}^{-}} }
2 H 2 O H 3 O + + O H {\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}O\ \rightleftharpoons \ H_{3}O^{+}\ +\ OH^{-}} }

Flüssiges Ammoniak ist auch ein Lösungsmittel für elementare Alkalimetalle und für die Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium. Es bilden sich tiefblaue Lösungen, in denen solvatisierte Metallionen und solvatisierte Elektronen vorliegen. Die Farbe wird durch solvatisierte Elektronen verursacht, die ohne Bindung zu einem bestimmten Atom in der Lösung vorhanden sind und auch eine gute elektrische Leitfähigkeit der Lösungen verursachen.

( x + 4 ) N H 3 + N a [ N a ( N H 3 ) 4 ] + + [ e ( N H 3 ) x ] {\displaystyle \mathrm {(x+4)\ NH_{3}\ +\ Na\ \longrightarrow \ \lbrack Na(NH_{3})_{4}\rbrack ^{+}+\lbrack e^{-}(NH_{3})_{x}\rbrack } }

Solche Lösungen werden zur Reduktion von Aromaten verwendet, siehe Birch-Reduktion. Die Lösung ist über längere Zeit stabil; in einer Redoxreaktion bildet sich unter Freisetzung von elementarem Wasserstoff langsam ein Metallamid M'NH2 in Gegenwart eines Katalysators wie Eisen(II)-chlorid rasch:

2 N a + 2 N H 3 2 N a N H 2 + H 2 {\displaystyle \mathrm {2\ Na\ +\ 2\ NH_{3}\ \longrightarrow 2\ NaNH_{2}\ +\ H_{2}} }

Wässrige Lösungen

Hauptartikel: Ammoniakwasser

In Wasser ist Ammoniak sehr gut löslich. Bei 0 °C lösen sich 1176 Liter Ammoniak in einem Liter Wasser. Die Lösungen werden Ammoniumhydroxid, Salmiakgeist oder Ammoniakwasser genannt und reagieren basisch.

Als Base mit einer Basenkonstante pKb von 4,76 reagiert Ammoniak mit Wasser unter Bildung von Hydroxidionen (OH):

N H 3 + H 2 O N H 4 + + O H {\displaystyle \mathrm {NH_{3}+H_{2}O\rightleftharpoons NH_{4}^{+}+OH^{-}} }

Das Gleichgewicht der Reaktion liegt jedoch weitgehend auf der Seite von Ammoniak und Wasser. Ammoniak liegt daher weitgehend als molekular gelöste Verbindung vor. In wässrigen Lösungen bilden sich keine Amid-Ionen (NH2), da diese in Wasser eine sehr starke Base mit pKb = −9 wären und Ammoniak somit hier nicht als Säure (Protonendonator) reagiert. Mit einer starken Säure setzt sich Ammoniak zu Ammoniumionen (NH4+) um:

N H 3 + H 3 O + N H 4 + + H 2 O {\displaystyle \mathrm {NH_{3}\ +\ H_{3}O^{+}\ \longrightarrow \ NH_{4}^{+}\ +\ H_{2}O} }

Im klassischen Sinne einer Neutralisation von Ammoniak bildet sich eine Lösung von Ammoniumsalz. Mit Salzsäure bildet sich Ammoniumchlorid:

N H 3 + H 3 O + + C l N H 4 + + C l + H 2 O {\displaystyle \mathrm {NH_{3}\ +\ H_{3}O^{+}+\ Cl^{-}\ \longrightarrow \ NH_{4}^{+}+\ Cl^{-}+\ H_{2}O\ } }

Redoxreaktionen

Ammoniak kann mit Sauerstoff reagieren und zu Stickstoff und Wasser verbrennen. An der Luft lässt sich Ammoniak zwar entzünden, die freiwerdende Energie reicht aber nicht für eine kontinuierliche Verbrennung aus; die Flamme erlischt. In reinem Sauerstoff verbrennt Ammoniak dagegen gut, bei höherem Druck kann diese Reaktion auch explosionsartig erfolgen. Eine entsprechende Reaktion erfolgt auch mit starken Oxidationsmitteln wie Halogenen, Wasserstoffperoxid oder Kaliumpermanganat. Ammoniak hat nach DIN 51850 einen Brennwert von 17,177 MJ/kg.

4 N H 3 + 3 O 2 2 N 2 + 6 H 2 O {\displaystyle \mathrm {4\ NH_{3}+3\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2\ N_{2}+6\ H_{2}O} }

In Gegenwart von Platin- oder Rhodium-Katalysatoren reagiert Ammoniak und Sauerstoff nicht zu Stickstoff und Wasser, sondern zu Stickoxiden, wie etwa Stickstoffmonoxid. Diese Reaktion wird bei der Produktion von Salpetersäure im Ostwald-Verfahren genutzt.

4 N H 3 + 5 O 2 [ K a t a l y s a t o r ] 4 N O + 6 H 2 O {\displaystyle \mathrm {4\ NH_{3}+5\ O_{2}\ {\xrightarrow[{}]{[Katalysator]}}\ 4\ NO+6\ H_{2}O} }

Mit besonders reaktionsfähigen Metallen wie Alkali- oder Erdalkalimetallen und in Abwesenheit von Wasser bilden sich in einer Redoxreaktion Amide der allgemeinen Form MINH2 (MI: einwertiges Metallatom), wie z. B. Natriumamid.

2 N H 3 + 2 M 2 M I N H 2 + H 2 {\displaystyle \mathrm {2\ NH_{3}+2\ M\ \longrightarrow 2\ M^{I}NH_{2}\ +\ H_{2}} }

Verbindungen der Form M2NH, bei denen zwei der drei Wasserstoffatome ersetzt sind, heißen Imide und sind keine Wasserstoffatome vorhanden, spricht man von Nitriden. Sie lassen sich durch Erhitzen von Amiden gewinnen.

Imide: M I I ( N H 2 ) 2 Δ T M I I N H + N H 3 {\displaystyle \mathrm {M^{II}(NH_{2})_{2}\ {\xrightarrow[{}]{\Delta T}}\ M^{II}NH\ +\ NH_{3}} } z. B. Magnesiumimid
Nitride: 3 M I I N H Δ T M 3 I I N 2 + N H 3 {\displaystyle \mathrm {3\ M^{II}NH\ {\xrightarrow[{}]{\Delta T}}\ M_{3}^{II}N_{2}\ +\ NH_{3}} } z. B. Magnesiumnitrid

Die Alkali- und Erdalkalisalze setzen sich mit Wasser zu Metallhydroxiden und Ammoniak um.

Amminkomplexe

Amminkomplexe von Cu(II)- (links) und Cobalt(III)-ionen

Ammoniak neigt zur Komplexbildung mit vielen Übergangsmetallen. Beständige Komplexe sind besonders von Cr3+, Co3+, Pd2+, Pt4+, Ni2+, Cu2+ bekannt. Bei einem reinen Amminkomplex liegt ein Kation vor, das die Ladung des Metalls trägt und die Ammoniakmoleküle als einzähnige Liganden um ein zentrales Metallatom herum gruppiert sind. Der Ligand bindet sich über sein freies Elektronenpaar an das Zentralatom. Die Bildungsreaktionen der Komplexe lassen sich mit dem Lewis-Säure-Base-Konzept beschreiben. Die Amminkomplexe haben die allgemeine Struktur

[ M ( N H 3 ) m ] n + {\displaystyle \mathrm {[M(NH_{3})} _{m}]^{n+}} mit Mn+ als Metall-Kation mit n Ladungen und m Liganden.

Ein bekannter Amminkomplex ist der Kupfertetramminkomplex [Cu(NH3)4]2+, der eine typische blaue Farbe besitzt und als Nachweis für Kupfer genutzt werden kann. Stabile Komplexe lassen sich in Form von Salzen, z. B. als Sulfate gewinnen und werden Ammin-Salze oder Ammoniakate genannt.

Amminkomplexe können neben Ammoniak auch andere Liganden tragen. Neben dem reinen Chromhexamminkomplex [ C r ( N H 3 ) 6 ] 3 + {\displaystyle \mathrm {[Cr(NH_{3})} _{6}]^{3+}} sind auch Komplexe mit der allgemeinen Struktur

[ C r ( N H 3 ) 6 n L n ] ( 3 n ) + {\displaystyle \mathrm {[Cr(NH_{3})} _{6-n}\mathrm {L} _{n}]^{(3-n)+}} mit n gleich 0 bis 6 und mit dem Ligand L, wie z. B. F, Cl, CN

bekannt. Die Komplexe können durch die Ladungskompensation durch die ionischen Liganden daher auch Anionen oder eine molekulare (ungeladene) Struktur aufweisen. Ein Beispiel dafür ist Cisplatin, [Pt(Cl)2(NH3)2], ein quadratisch-planarer Platin(II)-Komplex mit zwei Amminliganden und zwei Chlorid-Ionen, der ein wichtiges Zytostatikum darstellt.

An Ammoniak-Chlor-Komplexen des Cobalts wurde 1893 von Alfred Werner erstmals eine Theorie zur Beschreibung von Komplexen aufgestellt.

Ammoniumhaltiger Dünger (Kalkammonsalpeter – Calciumammoniumnitrat)

Grundstoff für die Herstellung aller anderen industriell hergestellten stickstoffhaltigen Verbindungen

Mit einem Anteil von 40 % im Jahr 1995 ist dabei Harnstoff die wichtigste aus Ammoniak hergestellte Verbindung, die vorwiegend als Düngemittel und für die Produktion von Harnstoffharzen eingesetzt wird; Harnstoff wird durch Reaktion von Ammoniak mit Kohlenstoffdioxid gewonnen.

Neben Harnstoff werden auch weitere Stickstoffdünger aus Ammoniak hergestellt. Zu den wichtigsten zählen die Ammoniumsalze Ammoniumnitrat, -phosphat und -sulfat. Insgesamt lag der Anteil von Düngemitteln am Gesamtammoniakverbrauch im Jahr 2003 bei 83 %.

Ein weiterer wichtiger aus Ammoniak hergestellter Stoff ist die Salpetersäure, die wiederum Ausgangsmaterial für eine Vielzahl weiterer Verbindungen ist. Im Ostwald-Verfahren reagiert Ammoniak an Platinnetzen mit Sauerstoff und bildet so Stickoxide, die mit Wasser weiter zu Salpetersäure reagieren. Zu den aus Salpetersäure hergestellten Verbindungen zählen unter anderem Sprengstoffe wie Nitroglycerin oder TNT. Weitere aus Ammoniak synthetisierte Stoffe sind Amine, Amide, Cyanide, Nitrate und Hydrazin.

Rolle in verschiedenen organischen Synthesen

Primäre Carbonsäureamide können aus Ammoniak und geeigneten Carbonsäurederivaten wie Carbonsäurechloriden oder -estern gewonnen werden. Die direkte Reaktion von Carbonsäure und Ammoniak zum entsprechenden Amid erfolgt dagegen nur bei erhöhten Temperaturen, wenn sich das zuvor gebildete Ammoniumsalz zersetzt. Eine technisch wichtige Reaktion ist die von Adipinsäure und Ammoniak zu Adipinsäuredinitril. Dieses wird weiter zu Hexamethylendiamin hydriert und ist damit ein Zwischenprodukt für die Herstellung von Nylon.

Es ist möglich, Anilin durch die Reaktion von Phenol und Ammoniak an einem Aluminium-Silikat-Katalysator herzustellen. Diese Syntheseroute erfordert jedoch mehr Energie und ergibt eine geringere Ausbeute als die Synthese und Reduktion von Nitrobenzol und wird daher nur in geringem Maß angewendet, wenn Phenol preiswert zur Verfügung steht.

Besondere Anwendungen

Rauchgasreinigung

Die Reaktion von Ammoniak als Base mit Säuren zu Ammoniumsalzen wird in der Rauchgasreinigung ausgenutzt. Dabei reagiert Ammoniak mit Schwefel- und Salpetersäure zu den entsprechenden Ammoniumsalzen und kann deshalb in Anwesenheit von Wasserdampf die eventuell in Rauchgasen enthaltenen unerwünschten und umweltschädlichen Schwefel- und Stickoxide als Ammoniumsalze aus den Rauchgasen entfernen.

Kältemittel

Aufgrund seiner großen spezifischen Verdampfungsenthalpie von 1368 kJ/kg wird Ammoniak auch als Kältemittel eingesetzt. Vorteile sind eine geringe Entflammbarkeit, der nicht vorhandene Beitrag zum Treibhauseffekt oder zur Zerstörung der Ozonschicht sowie der Verwendungsbereich von −60 bis +100 °C. Nachteilig ist die potentielle Toxizität von Ammoniak.

Geruchs-Reizstoff

Ammoniaklösung wird auch in Riechampullen verwendet. Der extreme Geruchsreiz dient als antidissoziative Strategie, etwa im Rahmen einer Dialektisch-Behavioralen Therapie.

Färbungen

Ammoniak reagiert mit der in Hölzern vorkommenden Gerbsäure und färbt das Holz je nach Konzentration der Gerbsäure dunkelbraun. So wird beispielsweise Eichenholz mit Ammoniak oder Salmiak zu der dunkelbraun erscheinenden Räuchereiche verwandelt. Auch bei der Herstellung von Lichtpausen (Diazotypien) wird Ammoniak zur Färbung verwendet.

Gewinnung von elektrischer Energie

Hauptartikel: Ammoniak-Brennstoffzelle

Speicher- und Transportmittel für Wasserstoff

Es gibt die experimentelle Entwicklung von Brennstoffzellensystemen, für die der benötigte Wasserstoff zum Zeitpunkt des Bedarfs dadurch gewonnen wird, dass die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff durch chemische Verfahren rückgängig gemacht wird.

Ein weiterer in der Erforschung befindlicher Ansatz besteht darin, Ammoniak als leicht handhabbare, saubere und sichere, langfristig und im industriellen Maßstab nutzbare Speichersubstanz für solchen Wasserstoff einzusetzen, der z. B. mit Hilfe von Überschussstrom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien (Wind- und Solarenergie) hergestellt wurde. Damit könnten zeitlich Versorgungslücken dieser Energien geschlossen und erneuerbare Energien für den Fahrzeugantrieb und besonders auch bei Schiffsmotoren eingesetzt werden. Um diese geplante industrielle Entwicklung allgemeinverständlich vorzustellen, wird kurz und bündig formuliert "Grünes Ammoniak verbrennt zu Stickstoff und Wasser." Wegen der Wirkungsgrade von jeweils ca. 55–60 % bei der Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie des Ammoniaks und zurück in Großdieseln oder in GuD-Kraftwerken (zusammen etwa 2/3 Energieverluste) ist dieser Weg jedoch energetisch deutlich ungünstiger als der unmittelbare Einsatz erneuerbarer Energien für die Deckung des Strombedarfs.

Cyanobakterien können Ammoniak aus Stickstoff gewinnen

Nur wenige Mikroorganismen sind in der Lage, Ammoniak in der sogenannten Stickstofffixierung direkt aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen. Beispiele hierfür sind Cyanobakterien oder Proteobacterien wie Azotobacter. Aus diesem über das Enzym Nitrogenase gewonnenen Ammoniak werden von den Bakterien Aminosäuren synthetisiert, die von allen Lebewesen benötigt werden. Die meisten Hülsenfrüchtler, wie Bohnen, Klee und Lupinen sind für eine bessere Versorgung mit Aminosäuren auch Symbiosen mit bestimmten Bakterienarten eingegangen.

Im Stoffwechsel beim Auf- und Abbau von Aminosäuren spielt Ammoniak, das unter biochemischen Bedingungen als Ammonium vorliegt, eine wichtige Rolle. Aus Ammonium und α-Ketoglutarat entsteht durch reduktive Aminierung Glutamat, aus dem wiederum durch Transaminierung weitere Aminosäuren synthetisiert werden können. Während Mikroorganismen und Pflanzen auf diese Art alle Aminosäuren synthetisieren, beschränkt sich dies bei Mensch und Tieren auf die nicht-essentiellen Aminosäuren.

Ebenso erfolgt der Abbau von Aminosäuren zunächst über eine Transaminierung zu Glutamat, das durch das Enzym Glutamatdehydrogenase wieder in α-Ketoglutarat und Ammoniak gespalten wird. Da größere Mengen Ammoniak toxisch wirken und auch nicht vollständig für den Aufbau neuer Aminosäuren verwendet werden können, muss es eine Abbaumöglichkeit geben. Der Weg, das überschüssige Ammoniak aus dem Körper zu entfernen, entscheidet sich je nach Tierart und Lebensraum. Wasserbewohnende Lebewesen können Ammonium direkt an das umgebende Wasser abgeben und benötigen keinen ungiftigen Zwischenspeicher. Lebewesen, die auf dem Land leben, müssen das Ammoniak hingegen vor dem Ausscheiden in ungiftige Zwischenprodukte umwandeln. Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Stoffe, die genutzt werden. Insekten, Reptilien und Vögel verwenden die wasserunlösliche Harnsäure, die als Feststoff ausgeschieden wird (Uricotelie). Dies ist in wasserarmen Gebieten und bei der Einsparung von Gewicht bei Vögeln vorteilhaft. Säugetiere sind dagegen in der Lage, Ammonium in der Leber über den Harnstoffzyklus in ungiftigen und wasserlöslichen Harnstoff umzuwandeln (Ureotelie). Dieser kann dann über den Urin ausgeschieden werden.

Harnstoff kann durch das Enzym Urease, das in manchen Pflanzen wie der Sojabohne oder der Schwertbohne, in bestimmten Bakterien und wirbellosen Tieren vorkommt, in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid gespalten werden. Diese Bakterien finden sich unter anderem im Pansen von Wiederkäuern und bewirken, dass auch Jauche und Mist dieser Tiere ammoniakhaltig ist. Dies stellt auch die größte anthropogene Ammoniak-Quelle in der Umwelt dar.

Eine besondere Bedeutung hat Ammoniak in der Ökologie der Gewässer. Abhängig von pH-Wert verschiebt sich hier das Verhältnis der gelösten Ammonium-Ionen und dem ungelösten Ammoniak im Wasser, wobei die Konzentration des Ammoniaks bei zunehmenden pH-Werten zunimmt, während die der Ammonium-Ionen entsprechend abnimmt. Bei Werten bis etwa pH 8 liegen fast ausschließlich Ammonium-Ionen vor, bei einer Überschreitung eines pH-Wertes von 10,5 fast ausschließlich Ammoniak. Eine Steigerung des pH-Werts kann vor allem durch starke Steigerung der Photosyntheseaktivität, etwa bei Algenblüten, in schwach abgepufferten und abwasserbelasteten Gewässern auftreten. Da Ammoniak für die meisten Organismen der Gewässer toxisch ist, kann bei einer Überschreitung des kritischen pH-Wertes plötzliches Fischsterben auftreten.

Symptome einer Ammoniakvergiftung

Durch den unangenehmen Geruch, der schon bei niedrigen Konzentrationen wahrnehmbar ist, existiert eine Warnung, so dass Vergiftungsfälle mit Ammoniak selten sind. Gasförmiges Ammoniak kann vor allem über die Lungen aufgenommen werden. Dabei wirkt es durch Reaktion mit Feuchtigkeit stark ätzend auf die Schleimhäute. Auch die Augen werden durch die Einwirkung von Ammoniak stark geschädigt. Beim Einatmen hoher Konzentrationen ab etwa 1700 ppm besteht Lebensgefahr durch Schäden in den Atemwegen (Kehlkopfödem, Stimmritzenkrampf, Lungenödeme, Pneumonitis) und Atemstillstand. Beim Übergang substantieller Ammoniakmengen ins Blut steigt der Blutspiegel von NH4+ über 35 µmol/l, was zentralnervöse Erscheinungen wie Tremor der Hände, Sprach- und Sehstörungen und Verwirrung bis hin zum Koma und Tod verursachen kann. Die pathophysiologischen Mechanismen sind noch nicht eindeutig geklärt, Ammoniak scheint vor allem die Astrozyten im Gehirn zu schädigen. Akute Ammoniakvergiftungen können außer durch Einatmung auch infolge von Leberversagen (→ Hepatische Enzephalopathie) oder bei Enzymdefekten auftreten, da dann im Stoffwechsel anfallende N-Verbindungen nicht zu Harnstoff umgebaut und ausgeschieden werden können („endogene Ammoniakvergiftung“). Eine mögliche Erklärung für die nerventoxische Wirkung von Ammoniak ist die Ähnlichkeit von Ammonium mit Kalium. Durch den Austausch von Kalium durch Ammonium kommt es zu Störungen der Aktivität des NMDA-Rezeptors und in Folge davon zu einem erhöhten Calcium-Zufluss in die Nervenzellen, was deren Zelltod bewirkt. Das Zellgift Ammoniak wirkt vorwiegend auf Nerven- und Muskelzellen. Nahezu alle biologischen Membranen sind aufgrund der geringen Größe des Moleküls sowie seiner Lipidlöslichkeit für Ammoniak durchlässig. Die Cytotoxizität beruht dabei auch auf der Störung des Citratzyklus, indem der wichtige Metabolit α-Ketoglutarsäure zu Glutaminsäure aminiert wird, sowie auf der Störung des pH-Werts der Zellen. Die encephalotoxische Wirkung wird auch mit einem erhöhten Glutaminspiegel im Gehirn sowie der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies in Verbindung gebracht.

Trend Ammoniak-Emissionen in Deutschland seit 1990

Auch chronische Auswirkungen bei längerer Einwirkung von Ammoniak sind vorhanden. Durch Schädigung der Atemwege kann es zu Bronchialasthma, Husten oder Atemnot kommen. Wässrige Ammoniaklösungen können auch über Haut und Magen aufgenommen werden und diese verätzen. Ammoniak kommt durch Düngung und Massentierhaltung in die Atemluft. Dort wandelt er sich in Ammoniumsulfat und -nitrat um, was maßgeblich dazu beiträgt, dass Feinstaubpartikel entstehen. Zudem fördert Ammoniak zusammen mit Stickstoffoxiden die Bildung von gesundheitsschädlichem, bodennahem Ozon. Es wird geschätzt, dass die Landwirtschaft dadurch im Jahr 2010 Ursache für etwa 45 % aller Todesfälle durch Luftverschmutzung in Deutschland war. Ammoniak ist dabei der einzige Luftschadstoff bei dem es seit 1990 zu keiner nennenswerten Reduktion gekommen ist. Mit einer Reduzierung der Ammoniakemissionen um 50 % könnten daher weltweit etwa 250.000 Todesfälle durch Luftverschmutzung vermieden werden, bei einer kompletten Abschaffung dieser Emissionen sogar 800.000 Todesfälle.

Bei Hausrindern kommen akute Ammoniakvergiftungen vor allem bei Fütterung von Nicht-Protein-Stickstoffverbindungen (NPN) vor. Bei einem Harnstoffanteil von über 1,5 % im Futter treten zentralnervöse Vergiftungserscheinungen auf, da der Harnstoff nicht mehr vollständig von der Pansenflora zur Proteinsynthese verarbeitet werden kann. Die chronische Exposition mit Ammoniak in der Stallhaltung bei Nutz- und Labortieren, vor allem bei strohlosen Haltungsformen und höheren Temperaturen bei unzureichender Belüftung, führt zu Schädigungen der Atemwege und damit zu vermehrtem Auftreten von Atemwegsinfektionen, zu verminderter Futteraufnahme und Leistungseinbußen.

Von der Gefahr einer Vergiftung durch Ammoniak sind wegen der guten Wasserlöslichkeit des Ammoniaks insbesondere Fische und andere Wasserlebewesen betroffen. Während viele Fischarten nur geringe Ammoniakkonzentrationen vertragen, haben einige Arten spezielle Strategien entwickelt, auch höhere Konzentrationen zu tolerieren. Dazu zählt die Umwandlung des Ammoniak in ungiftigere Verbindungen wie Harnstoff, oder sogar Pumpen, um Ammoniak aus dem Körper aktiv zu entfernen, die bei Schlammspringern beobachtet wurden. Ammoniakvergiftungen kommen in der Teichwirtschaft und Aquaristik vor. Ursachen können die Verunreinigung des Wassers mit Gülle oder Düngemitteln sowie der Anstieg des pH-Wertes mit Verschiebung des Dissoziationsgleichgewichts in Richtung Ammoniak sein. Betroffene Fische zeigen eine vermehrte Blutfülle (Hyperämie) und Blutungen in den Kiemen und inneren Organen sowie eine vermehrte Schleimproduktion der Haut. Bei höheren Konzentrationen kann es zum Absterben von Flossenteilen, Hautarealen oder Kiemen, zu zentralnervösen Erscheinungen oder zum Tod kommen.

Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl: Untersuchung einer Gülleprobe.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Ammoniak nachzuweisen. Einfache Nachweise, die aber häufig nicht eindeutig sind, sind der typische Geruch, die Verfärbung von Indikatoren durch das basische Ammoniak oder der typische weiße Rauch von Ammoniumchlorid, der bei der Reaktion mit Salzsäure entsteht. Charakteristisch ist auch die Reaktion von Ammoniaklösungen mit Kupfersalzlösungen, bei denen der dunkelblaue Kupfertetramminkomplex [Cu(NH3)4]2+ entsteht.

Eine genaue – in der Spurenanalytik durch die Störung mit Schwefelwasserstoff jedoch häufig nicht einsetzbare – Reaktion zur Ammoniak-Bestimmung ist die Neßler-Reaktion, bei der Kaliumtetraiodomercurat(II) mit Ammoniak zu einem typischen braunen Niederschlag von (Hg2N)I reagiert. Ein weiterer Nachteil ist auch die Verwendung des giftigen Quecksilbers.

N H 3 + 2 K 2 [ H g I 4 ] + 3 N a O H [ H g 2 N ] I + 4 K I + 3 N a I + 3 H 2 O {\displaystyle \mathrm {NH_{3}+2\ K_{2}[HgI_{4}]+3\ NaOH\longrightarrow [Hg_{2}N]I\downarrow +4\ KI+3\ NaI+3\ H_{2}O} }
Ammoniak, Kaliumtetraiodomercurat(II) und Natronlauge reagieren zum Iodidsalz der Millonschen Base, die in wässriger Lösung ausflockt, Kaliumiodid, Natriumiodid und Wasser.

Stattdessen wird die Berthelot-Reaktion genutzt, bei der Ammoniak mit Hypochlorit Chloramine bildet. Diese sind in der Lage mit Phenolen zu Indophenolen zu reagieren, die an ihrer tiefblauen Farbe erkannt werden können. Für geringe Mengen kann auch die Kjeldahlsche Stickstoffbestimmung genutzt werden. Mit dieser Methode sind auch quantitative Bestimmungen möglich.

Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ist eine optische Erfassung von Ammoniak in der Luft problematisch. Es werden fast ausschließlich nasschemische Verfahren eingesetzt, um eine gleichzeitige Erfassung von Ammonium in Feinstäuben zu verhindern.

Belastungen der Außenluft mit Ammoniak können mit beschichteten Diffusionsabscheidern, sogenannten Denudern, quantitativ erfasst werden. Als sorbierende Beschichtung dient eine Säure (z. B. Oxalsäure), die nach Abschluss der Probenahme analysiert wird.

Alternativ können Passivsammler eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den aktiv sammelnden Denudern wird bei diesen Geräten auf eine gezielte Strömungsführung verzichtet. Das zu detektierende Ammoniak gelangt ausschließlich durch Diffusion zum Sorbens.

Weitere Verfahren sind das Indophenol-Verfahren und das Neßler-Verfahren. Beim Indophenol-Verfahren wird die Luft durch eine mit verdünnter Schwefelsäure befüllten Waschflasche geleitet und als Ammoniumsulfat gebunden. Nach Umsetzung zu Indophenol wird dessen Konzentration photometrisch bestimmt. Beim Nessler-Verfahren wird das gewonnene Ammoniumsulfat mit Neßlers Reagenz umgesetzt und die Färbungsintensität des gewonnenen Kolloids photometrisch bestimmt. Beiden Verfahren ist gemein, dass sie nicht selektiv gegenüber Ammoniak sind.

Wiktionary: Ammoniak – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Ammoniak – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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  89. VDI 3869 Blatt 3:2010-10 Messen von Ammoniak in der Außenluft; Probenahme mit beschichteten Diffusionsabscheidern (Denudern); Fotometrische oder ionenchromatografische Analyse (Measurement of ammonia in ambient air; Sampling with diffusion separators (denuders); Photometric or ion chromatographic analysis). Beuth Verlag, Berlin, S. 17.
  90. VDI 3869 Blatt 4:2012-03 Messen von Ammoniak in der Außenluft; Probenahme mit Passivsammlern; Fotometrische oder ionenchromatografische Analyse (Measurement of ammonia in ambient air; Sampling with diffusive samplers; Photometric or ion chromatographic analysis). Beuth Verlag, Berlin, S. 9.
  91. Franz Joseph Dreyhaupt (Hrsg.): VDI-Lexikon Umwelttechnik. VDI-Verlag Düsseldorf 1994, ISBN 3-18-400891-6, S. 637–638.
  92. VDI 2461 Blatt 2:1976-05 Messung gasförmiger Immissionen; Messen der Ammoniak-Konzentration; NESSLER-Verfahren. VDI-Verlag, Düsseldorf, S. 2.
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Ammoniak
ammoniak, gasförmige, chemische, verbindung, summenformel, sprache, beobachten, bearbeiten, aussprache, betonung, hochdeutsch, letzten, silbe, amoni, ˈak, südlichen, teil, deutschen, sprachraums, jedoch, meist, ersten, ˈamoni, eine, chemische, verbindung, stic. Ammoniak gasformige chemische Verbindung mit der Summenformel NH3 Sprache Beobachten Bearbeiten Ammoniak Aussprache Betonung auf Hochdeutsch auf der letzten Silbe amoni ˈak im sudlichen Teil des deutschen Sprachraums jedoch meist auf der ersten ˈamoni ak ist eine chemische Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff mit der Summenformel NH3 Es ist ein stark stechend riechendes farbloses wasserlosliches und giftiges Gas das zu Tranen reizt und erstickend wirkt Ammoniak ist ein amphoterer Stoff Unter wassrigen Bedingungen wirkt es als Base Es bildet mehrere Reihen von Salzen die kationischen Ammoniumsalze sowie die anionischen Amide Imide und Nitride bei denen ein Amide zwei Imide oder alle Nitride Protonen Wasserstoffionen durch Metallionen ersetzt sind StrukturformelAllgemeinesName AmmoniakAndere Namen Azan IUPAC 1 Alkali volatile alkalische Luft Ammonia fluchtiges Laugensalz tierisches Laugensalz R717 AMMONIA INCI 2 Summenformel NH3Kurzbeschreibung farbloses stechend riechendes Gas 3 Externe Identifikatoren DatenbankenCAS Nummer 7664 41 7EG Nummer 231 635 3ECHA InfoCard 100 028 760PubChem 222DrugBank DB11118Wikidata Q4087EigenschaftenMolare Masse 17 03 g mol 1Aggregatzustand gasformigDichte 0 7714 kg m 3 0 C 1013 mbar 3 Schmelzpunkt 77 7 C 3 Siedepunkt 33 C 3 Dampfdruck 8573 hPa 20 C 3 pKS Wert 9 24 NH3 NH4 in Wasser 4 23 NH2 NH3 in Wasser 5 41 in DMSO 6 Loslichkeit leicht in Wasser 531 g l 1 bei 20 C 3 gut loslich in Ethanol Aceton Chloroform 7 Dipolmoment 1 4718 2 D 8 4 91 10 30 C m Brechungsindex 1 325 16 85 C 9 SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung EG Nr 1272 2008 CLP 10 ggf erweitert 3 GefahrH und P Satze H 221 280 331 314 410EUH 071P 210 260 273 280 303 361 353 315 304 340 315 305 351 338 315 377 381 405 403 3 MAK DFG Schweiz 20 ml m 3 bzw 14 mg m 3 3 11 Toxikologische Daten 20 ppm TCLo Mensch inh 12 0 015 ml kg 1 TDLo Mensch oral 13 5000 ppm 5 min LCLo Mensch inh 14 4230 ppm 1 h LC50 Maus inh 15 2000 ppm 4 h LC50 Ratte inh 16 Thermodynamische EigenschaftenDHf0 45 9 kJ mol 1 g 17 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Brechungsindex Na D Linie 20 C Ammoniak ist eine der meistproduzierten Chemikalien und Grundstoff fur die Produktion aller weiteren Stickstoffverbindungen Der grosste Teil des Ammoniaks wird zu Dungemitteln insbesondere Harnstoff und Ammoniumsalzen weiterverarbeitet Die Herstellung erfolgt bislang 2020 fast ausschliesslich uber das Haber Bosch Verfahren aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff Biologisch hat Ammoniak eine wichtige Funktion als Zwischenprodukt beim Auf und Abbau von Aminosauren Aufgrund der Giftigkeit grosserer Ammoniakmengen wird es zur Ausscheidung im Korper in den ungiftigen Harnstoff oder beispielsweise bei Vogeln in Harnsaure umgewandelt Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 3 Gewinnung und Darstellung 4 Eigenschaften 4 1 Physikalische Eigenschaften 4 1 1 Dichteanomalie und nicht isobarer Ausdehnungskoeffizient von flussigem Ammoniak 4 2 Molekulare Eigenschaften 4 3 Chemische Eigenschaften 4 3 1 Flussiges Ammoniak 4 3 2 Wassrige Losungen 4 3 3 Redoxreaktionen 4 3 4 Amminkomplexe 5 Verwendung 5 1 Grundstoff fur die Herstellung aller anderen industriell hergestellten stickstoffhaltigen Verbindungen 5 2 Rolle in verschiedenen organischen Synthesen 5 3 Besondere Anwendungen 5 3 1 Rauchgasreinigung 5 3 2 Kaltemittel 5 3 3 Geruchs Reizstoff 5 3 4 Farbungen 5 3 5 Gewinnung von elektrischer Energie 5 3 6 Speicher und Transportmittel fur Wasserstoff 6 Biologische Bedeutung 7 Toxikologie 8 Nachweise 9 Messen von Ammoniak in der Luft 10 Literatur 11 Weblinks 12 EinzelnachweiseGeschichte Bearbeiten Fritz Haber Naturlich vorkommende Ammoniumverbindungen sind schon seit langer Zeit bekannt So wurde Ammoniumchlorid Salmiak schon in der Antike in Agypten durch Erhitzen von Kamelmist gewonnen Beim Erhitzen bildet sich Ammoniak das durch Reaktion mit Chlorwasserstoff Ammoniumchlorid als weissen Rauch bildet Sowohl Salmiak als auch Ammoniak leiten sich vom lateinischen sal ammoniacum ab das wiederum auf den antiken Namen der Oase Siwa Oase des Ammon oder Amun zuruckgeht In der Nahe der Oase befanden sich grosse Salzvorkommen allerdings handelte es sich dabei wohl um Natriumchlorid und nicht um naturlich vorkommendes Ammoniumchlorid 18 19 Gasformiges Ammoniak wurde erstmals 1716 von Johannes Kunckel erwahnt der Garvorgange beobachtete Isoliert wurde das Gas erstmals 1774 von Joseph Priestley Weitere Forschungen erfolgten durch Carl Wilhelm Scheele und Claude Louis Berthollet die die Zusammensetzung des Ammoniaks aus Stickstoff und Wasserstoff erkannten sowie William Henry der das exakte Verhaltnis der beiden Elemente von 1 3 und damit die chemische Formel NH3 bestimmte 20 Erste jedoch erfolglose Versuche zur Synthese des Ammoniaks aus den Elementen fuhrte Georg Friedrich Hildebrandt um 1795 durch indem er Stickstoff und Wasserstoff in verschiedenen Mischungsverhaltnissen uber Wasser stehen liess 21 In grosserer Menge wurde Ammoniak ab 1840 benotigt nachdem Justus von Liebig die Stickstoffdungung zur Verbesserung der Ertrage in der Landwirtschaft entwickelt hatte Zunachst wurde Ammoniak als Nebenprodukt bei der Destillation von Kohle gewonnen dies war jedoch nach kurzer Zeit nicht mehr ausreichend um die Nachfrage nach Dungemittel zu decken Ein erstes technisches Verfahren um grossere Mengen Ammoniak zu gewinnen war 1898 das Frank Caro Verfahren bei dem Calciumcarbid und Stickstoff zu Calciumcyanamid und dieses anschliessend mit Wasser zu Ammoniak umgesetzt wurden 22 Ab etwa 1900 begann Fritz Haber aber auch Walther Nernst mit der Erforschung der direkten Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak Sie erkannten bald dass diese Reaktion bei Normalbedingungen nur in sehr geringem Umfang stattfindet und dass fur hohe Ausbeuten hohe Temperaturen ein hoher Druck sowie ein geeigneter Katalysator notig sind 1909 gelang es Haber erstmals mit Hilfe eines Osmiumkatalysators Ammoniak im Labormassstab durch Direktsynthese herzustellen Daraufhin versuchte er mit Hilfe von Carl Bosch dieses Verfahren das spatere Haber Bosch Verfahren auch im industriellen Mass anzuwenden Dies gelang nach Uberwindung der durch das Arbeiten unter hohem Druck verursachten technischen Probleme 1910 im Versuchsbetrieb 1913 wurde bei der BASF in Ludwigshafen die erste kommerzielle Fabrik zur Ammoniaksynthese in Betrieb genommen Dabei wurde ein inzwischen von Alwin Mittasch entwickelter Eisen Mischkatalysator anstatt des teuren Osmiums genutzt 23 Dieses Verfahren wurde schon nach kurzer Zeit in grossem Massstab angewendet und wird bis heute zur Ammoniakproduktion genutzt 1918 erhielt Fritz Haber fur die Entwicklung der Ammoniaksynthese den Chemie Nobelpreis 1931 zusammen mit Friedrich Bergius auch Carl Bosch fur die Entwicklung von Hochdruckverfahren in der Chemie Uber die genauen Ablaufe der Reaktion am Katalysator war dagegen lange Zeit nichts Genaues bekannt Da es sich hierbei um Oberflachenreaktionen handelt konnten sie erst nach der Entwicklung geeigneter Techniken wie dem Ultrahochvakuum oder dem Rastertunnelmikroskop untersucht werden Die einzelnen Teilreaktionen der Ammoniaksynthese wurden dabei von Gerhard Ertl entdeckt der hierfur auch den Nobelpreis fur Chemie 2007 erhielt 24 Die Reaktion von Ammoniak zu Salpetersaure wurde erstmals ab 1825 von Frederic Kuhlmann untersucht 25 Ein technisch anwendbares Verfahren fur die Salpetersauresynthese aus Ammoniak wurde mit dem heutigen Ostwald Verfahren Anfang des 20 Jahrhunderts von Wilhelm Ostwald entwickelt Dieses wurde nach Entwicklung des Haber Bosch Verfahrens auch technisch wichtig und loste bald weitgehend das bisherige Produktionsverfahren aus teurem Chilesalpeter ab 26 Vorkommen BearbeitenDa Ammoniak leicht mit sauren Verbindungen reagiert kommt freies Ammoniakgas nur in geringen Mengen auf der Erde vor Es entsteht z B bei der Zersetzung von abgestorbenen Pflanzen und tierischen Exkrementen Bei der sogenannten Humifizierung werden stickstoffhaltige Bestandteile der Biomasse durch Mikroorganismen so abgebaut dass unter anderem Ammoniak entsteht Dieses gelangt als Gas in die Luft reagiert dort jedoch mit Sauren wie Schwefel oder Salpetersaure und bildet die entsprechenden Salze Diese konnen auch uber grossere Strecken transportiert werden und gelangen leicht in den Boden Fast die komplette Emission von Ammoniak fallt dabei auf die Nutztierhaltung 27 28 29 In geringerem Umfang konnen auch vulkanische Gase einen Beitrag zur Umweltbelastung leisten ebenso wie der Strassenverkehr Ammoniumsalze sind dagegen auf der Erde weit verbreitet Das haufigste Ammoniumsalz ist Salmiak Ammoniumchlorid aber auch Diammoniumhydrogenphosphat Phosphammit Ammoniumsulfat Mascagnin und eine Anzahl komplizierter aufgebauter Ammoniumsalze mit weiteren Kationen sind aus der Natur bekannt Diese findet man vor allem in der Umgebung von Vulkanen oder brennenden Kohleflozen in denen organische Substanzen unter anderem zu Ammoniak zersetzt werden 30 So wird Salmiak vorwiegend als Sublimationsprodukt um Fumarolen gefunden wo sich die im heissen Dampf enthaltenen Chlorwasserstoff und Ammoniak Gase als Ammoniumchlorid niederschlagen 31 Auch viele Gesteine und Sedimente vor allem Muskovit Biotit und Feldspat Minerale enthalten Ammonium Dagegen enthalten Quarzgesteine nur geringe Mengen Ammonium Fur die Verteilung spielt neben dem Ursprung des Ammoniums auch das Entweichen von Ammoniak bei der Metamorphose eine Rolle 30 Ammoniak kommt auch im Weltall vor Es war 1968 das erste Molekul das durch sein Mikrowellenspektrum im interstellaren Raum gefunden wurde 32 Auch auf den Gasplaneten des Sonnensystems kommt Ammoniak vor 33 Gewinnung und Darstellung Bearbeiten Ammoniakproduktion 1946 2007 Ammoniak ist eine Grundchemikalie und wird in grossem Massstab produziert Im Jahr 2017 wurden weltweit 150 Millionen Tonnen hergestellt Die Hauptproduzenten sind die Volksrepublik China Indien Russland und die Vereinigten Staaten 34 Fur die Ammoniakproduktion werden zurzeit noch grosse Mengen fossiler Energietrager benotigt Der Anteil der Ammoniakproduktion am weltweiten Verbrauch fossiler Energietrager betragt etwa 1 4 bis 3 22 35 Uber 90 des produzierten Ammoniaks wird in der Direktsynthese uber das Haber Bosch Verfahren produziert Bei dieser Reaktion reagieren die Gase Stickstoff und Wasserstoff in einer heterogen katalysierten Redoxreaktion in grossen Reaktoren miteinander Bei der Reaktion wird formal betrachtet Stickstoff zu Ammoniak reduziert mit Wasserstoff als Reduktionsmittel der dabei oxidiert wird und seine Oxidationszahl erhoht N 2 3 H 2 2 N H 3 46 k J m o l displaystyle mathrm N 2 3 H 2 longrightarrow 2 NH 3 46 mathrm tfrac kJ mol Reaktionsgleichung der Direktsynthese aus Stickstoff und Wasserstoff Der 1921 gebaute Ammoniak Reaktor der Badischen Anilin und Sodafabrik befindet sich heute auf dem Gelande des Karlsruher Instituts fur Technologie Die Reaktion ist exotherm hat aber eine hohe Aktivierungsenergie weshalb man einen Katalysator braucht um eine nennenswerte Umsetzungsrate zu erreichen 36 Vor der eigentlichen Reaktion mussen zunachst die Ausgangsstoffe gewonnen werden Wahrend Stickstoff als Luftbestandteil in grossen Mengen zu Verfugung steht und durch Luftverflussigung gewonnen wird muss Wasserstoff zunachst aus geeigneten Quellen hergestellt werden Das zurzeit noch 2020 wichtigste Verfahren stellt dabei die Dampfreformierung dar bei dem vor allem Erdgas aber auch Kohle und Naphtha in zwei Schritten mit Wasser und Sauerstoff zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden Nach Abtrennung des Kohlenstoffdioxides wird der Wasserstoff im richtigen Verhaltnis mit Stickstoff gemischt und je nach Verfahren auf 80 400 bar typischerweise auf 150 250 bar 22 verdichtet In Zukunft ist zu erwarten dass der Wasserstoff mehr und mehr auf elektrolytischem Weg aus Wasser unter Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom erzeugt wird Das Gasgemisch wird in den Reaktionskreislauf eingespeist Dort wird es zunachst zur Entfernung von Wasserspuren gekuhlt und anschliessend an Warmetauschern auf 400 500 C erhitzt Das heisse Gasgemisch kann nun im eigentlichen Reaktor an Eisenkatalysatoren die mit verschiedenen Promotoren wie Aluminiumoxid oder Calciumoxid vermischt sind zu Ammoniak reagieren Aus wirtschaftlichen Grunden werden die Gase im technischen Betrieb nur eine kurze Zeit den Katalysatoren ausgesetzt so dass sich das Gleichgewicht nicht einstellen kann und die Reaktion nur unvollstandig ablauft Das Gasgemisch das nun einen Ammoniakgehalt von etwa 16 4 22 hat wird in mehreren Stufen abgekuhlt so dass das Ammoniak flussig wird und abgetrennt werden kann Das verbleibende Gemisch aus Stickstoff Wasserstoff und einem kleinen Restanteil Ammoniak wird zusammen mit frischem Gas wieder in den Kreislauf eingespeist Eine mogliche Katalysator Alternative ware Ruthenium das eine deutlich hohere Katalysatoraktivitat besitzt und damit hohere Ausbeuten bei niedrigen Drucken ermoglicht Aufgrund des hohen Preises fur das seltene Edelmetall Ruthenium findet die industrielle Anwendung eines solchen Katalysators aber bislang nur in geringem Umfang statt 22 Mehrere Arbeitsgruppen arbeiten an einer CO2 neutralen Ammoniakproduktion auf der Basis von elektrochemischen Verfahren elektrochemische Ammoniaksynthese 37 Der durch Elektrolyse von Wasser erzeugte Wasserstoff soll dabei in Gegenwart bestimmter Katalysatoren und Membranen direkt mit Stickstoff zu Ammoniak reagieren Der Strom soll dabei kunftig im Wesentlichen aus regenerativen Quellen stammen 38 39 Eigenschaften BearbeitenPhysikalische Eigenschaften Bearbeiten Ammoniak ist bei Raumtemperatur ein farbloses diamagnetisches stechend riechendes Gas Unterhalb von 33 C wird es flussig Die Flussigkeit ist farblos und stark lichtbrechend und hat am Siedepunkt eine Dichte von 0 6819 kg l 3 Auch durch Druckerhohung lasst sich das Gas leicht verflussigen bei 20 C ist schon ein Druck von 900 kPa ausreichend 7 Die kritische Temperatur ist 132 4 C der kritische Druck betragt 113 bar die kritische Dichte ist 0 236 g cm3 40 Innerhalb des Bereichs von 15 4 bis 33 6 Vol 108 336 g m3 ist Ammoniak explosionsgefahrlich Seine Zundtemperatur liegt bei 630 C In der flussigen Phase bildet Ammoniak Wasserstoffbruckenbindungen aus was den verhaltnismassig hohen Siedepunkt und eine hohe Verdampfungsenthalpie von 23 35 kJ mol 40 begrundet Um diese Bindungen beim Verdampfen aufzubrechen wird viel Energie gebraucht die aus der Umgebung zugefuhrt werden muss Deshalb eignet sich flussiges Ammoniak zur Kuhlung Vor der Verwendung der Halogenkohlenwasserstoffe war Ammoniak ein haufig benutztes Kaltemittel in Kuhlschranken Unterhalb von 77 7 C erstarrt Ammoniak in Form von farblosen Kristallen Es kristallisiert dabei im kubischen Kristallsystem mit einem Gitterparameter a 508 4 pm 196 C Bei 102 C betragt der Gitterparameter a 513 8 pm Die Struktur lasst sich von einem kubisch flachenzentrierten Gitter ableiten wobei sechs der zwolf Nachbarmolekule naher zum Zentralmolekul gelegen sind als die ubrigen sechs Jedes freie Elektronenpaar ist dabei mit jeweils drei Wasserstoffatomen koordiniert 41 Dichteanomalie und nicht isobarer Ausdehnungskoeffizient von flussigem Ammoniak Bearbeiten Bei jeder Temperatur hat das Flussiggas einen anderen Dampfdruck entsprechend seiner Dampfdruckfunktion Daher erfolgt hier die temperaturbedingte Ausdehnung oder Kontraktion des Volumens nicht isobar Substanz flussiges Ammoniak siedend bei eigenem Dampfdruck 42 T 0 displaystyle T 0 T 2 displaystyle T 2 in C r 0 displaystyle rho 0 r 2 displaystyle rho 2 in g cm D T displaystyle Delta T in K mittlere Temperatur T mittl displaystyle T text mittl in C g mittl displaystyle gamma text mittl in 1 K 70 68 0 72527 0 72036 2 69 0 003408 68 66 0 72036 0 72067 2 67 0 000215 66 64 0 72067 0 71839 2 65 0 001587 64 62 0 71839 0 71608 2 63 0 001613 50 48 0 70200 0 69964 2 49 0 001687 30 28 0 67764 0 67517 2 29 0 001829 28 26 0 67517 0 67263 2 27 0 001888 26 24 0 67263 0 67463 2 25 0 001482 24 22 0 67463 0 68587 2 23 0 008194 22 20 0 68587 0 66503 2 21 0 015668 2 0 0 64127 0 63857 2 1 0 002114 2 2 0 64127 0 63585 4 0 0 0021310 2 0 63857 0 63585 2 1 0 00213918 20 0 61320 0 61028 2 19 0 00239218 22 0 61320 0 60731 4 20 0 00242520 22 0 61028 0 60731 2 21 0 00244524 26 0 60438 0 60132 2 25 0 00254448 50 0 56628 0 56306 2 49 0 002859 Hinweis Dichtewerte und Ausdehnungskoeffizienten des flussigen Ammoniaks weisen im betrachteten Temperaturbereich zwei Dichteanomalien auf Die mittleren Ausdehnungskoeffizienten g mittl displaystyle gamma text mittl wurden aus den Dichtewerten berechnet g mittl g D V V 0 D T V 2 V 0 1 D T v 2 v 0 1 D T r 0 r 2 1 D T displaystyle gamma text mittl bar gamma frac Delta V V 0 cdot Delta T frac frac V 2 V 0 1 Delta T frac frac v 2 v 0 1 Delta T frac frac rho 0 rho 2 1 Delta T Die Dichtequotienten sind den Volumenquotienten oder den Quotienten der spezifischen Volumina v displaystyle v massenspezifisch oder molares Volumen jeweils indirekt proportional Molekulare Eigenschaften Bearbeiten Molekulgeometrie von Ammoniak Ammoniak besteht aus einem Stickstoff und drei Wasserstoffatomen Diese sind dabei nicht in einer Ebene sondern in Form einer dreiseitigen Pyramide trigonal pyramidal angeordnet Das Stickstoffatom bildet die Spitze die Wasserstoffatome die Grundflache der Pyramide Fur diese Form verantwortlich ist ein freies Elektronenpaar des Stickstoffs Wird dieses berucksichtigt entspricht die Struktur der eines verzerrten Tetraeders Gemass dem VSEPR Modell ergibt sich durch das freie Elektronenpaar eine Abweichung vom idealen Tetraederwinkel 109 5 zu einem Wasserstoff Stickstoff Wasserstoff Winkel von 107 3 40 Dieser liegt damit zwischen den Bindungswinkeln im Methan idealer Tetraederwinkel von 109 5 und Wasser grossere Verzerrung durch zwei freie Elektronenpaare Winkel 104 5 43 Die Bindungslange der Stickstoff Wasserstoff Bindung im Ammoniak liegt bei 101 4 pm 40 was wiederum zwischen den Bindungslangen im Methan von 108 7 pm und Wasser 95 7 pm 43 liegt Dies lasst sich durch die zunehmende Elektronegativitatsdifferenz von Kohlenstoff uber Stickstoff zu Sauerstoff und damit einer starkeren polaren Bindung erklaren Das Ammoniakmolekul ist nicht starr die Wasserstoffatome konnen uber einen planaren Ubergangszustand auf die andere Seite der Pyramide klappen Die Energiebarriere fur die pyramidale Inversion ist mit 24 2 kJ mol 44 so klein dass sich bei Raumtemperatur von Ammoniak und davon ableitbaren Aminen NR3 R organische Reste keine Enantiomere isolieren lassen Ammoniakmolekule besitzen eine sehr exakte und konstante Schwingungsfrequenz von 23 786 GHz 45 die zur Zeitmessung verwendet werden kann Unter anderem wurde die erste Atomuhr mit Hilfe der Ammoniak Schwingungsfrequenz konstruiert 46 Chemische Eigenschaften Bearbeiten Flussiges Ammoniak Bearbeiten Wasserfreies Ammoniak in einem Druckbehalter Flussiges Ammoniak ist ein gutes Losungsmittel und zeigt ahnliche Eigenschaften wie Wasser Es lost viele organische Verbindungen wie Alkohole Phenole Aldehyde und Ester 47 und viele Salze unter Solvatisierung der sich bildenden Ionen In Analogie zu Wasser unterliegt flussiges Ammoniak auch der Autoprotolyse mit dem Ionenprodukt von nur 10 29 mol2 l2 und einem Neutralpunkt von 14 5 48 2 N H 3 N H 4 N H 2 displaystyle mathrm 2 NH 3 rightleftharpoons NH 4 NH 2 2 H 2 O H 3 O O H displaystyle mathrm 2 H 2 O rightleftharpoons H 3 O OH Flussiges Ammoniak ist auch ein Losungsmittel fur elementare Alkalimetalle und fur die Erdalkalimetalle Calcium Strontium und Barium Es bilden sich tiefblaue Losungen 49 in denen solvatisierte Metallionen und solvatisierte Elektronen vorliegen Die Farbe wird durch solvatisierte Elektronen verursacht die ohne Bindung zu einem bestimmten Atom in der Losung vorhanden sind und auch eine gute elektrische Leitfahigkeit der Losungen verursachen x 4 N H 3 N a N a N H 3 4 e N H 3 x displaystyle mathrm x 4 NH 3 Na longrightarrow lbrack Na NH 3 4 rbrack lbrack e NH 3 x rbrack Solche Losungen werden zur Reduktion von Aromaten verwendet siehe Birch Reduktion Die Losung ist uber langere Zeit stabil in einer Redoxreaktion bildet sich unter Freisetzung von elementarem Wasserstoff langsam ein Metallamid M NH2 in Gegenwart eines Katalysators wie Eisen II chlorid rasch 50 2 N a 2 N H 3 2 N a N H 2 H 2 displaystyle mathrm 2 Na 2 NH 3 longrightarrow 2 NaNH 2 H 2 Wassrige Losungen Bearbeiten Hauptartikel Ammoniakwasser In Wasser ist Ammoniak sehr gut loslich Bei 0 C losen sich 1176 Liter Ammoniak in einem Liter Wasser 40 Die Losungen werden Ammoniumhydroxid Salmiakgeist oder Ammoniakwasser genannt und reagieren basisch Als Base mit einer Basenkonstante pKb von 4 76 reagiert Ammoniak mit Wasser unter Bildung von Hydroxidionen OH N H 3 H 2 O N H 4 O H displaystyle mathrm NH 3 H 2 O rightleftharpoons NH 4 OH Das Gleichgewicht der Reaktion liegt jedoch weitgehend auf der Seite von Ammoniak und Wasser Ammoniak liegt daher weitgehend als molekular geloste Verbindung vor In wassrigen Losungen bilden sich keine Amid Ionen NH2 da diese in Wasser eine sehr starke Base mit pKb 9 waren und Ammoniak somit hier nicht als Saure Protonendonator reagiert Mit einer starken Saure setzt sich Ammoniak zu Ammoniumionen NH4 um N H 3 H 3 O N H 4 H 2 O displaystyle mathrm NH 3 H 3 O longrightarrow NH 4 H 2 O Im klassischen Sinne einer Neutralisation von Ammoniak bildet sich eine Losung von Ammoniumsalz Mit Salzsaure bildet sich Ammoniumchlorid N H 3 H 3 O C l N H 4 C l H 2 O displaystyle mathrm NH 3 H 3 O Cl longrightarrow NH 4 Cl H 2 O Redoxreaktionen Bearbeiten Ammoniak kann mit Sauerstoff reagieren und zu Stickstoff und Wasser verbrennen 51 An der Luft lasst sich Ammoniak zwar entzunden die freiwerdende Energie reicht aber nicht fur eine kontinuierliche Verbrennung aus die Flamme erlischt In reinem Sauerstoff verbrennt Ammoniak dagegen gut bei hoherem Druck kann diese Reaktion auch explosionsartig erfolgen Eine entsprechende Reaktion erfolgt auch mit starken Oxidationsmitteln wie Halogenen Wasserstoffperoxid oder Kaliumpermanganat 51 Ammoniak hat nach DIN 51850 einen Brennwert von 17 177 MJ kg 4 N H 3 3 O 2 2 N 2 6 H 2 O displaystyle mathrm 4 NH 3 3 O 2 longrightarrow 2 N 2 6 H 2 O In Gegenwart von Platin oder Rhodium Katalysatoren reagiert Ammoniak und Sauerstoff nicht zu Stickstoff und Wasser sondern zu Stickoxiden wie etwa Stickstoffmonoxid Diese Reaktion wird bei der Produktion von Salpetersaure im Ostwald Verfahren genutzt 4 N H 3 5 O 2 K a t a l y s a t o r 4 N O 6 H 2 O displaystyle mathrm 4 NH 3 5 O 2 xrightarrow Katalysator 4 NO 6 H 2 O Mit besonders reaktionsfahigen Metallen wie Alkali oder Erdalkalimetallen und in Abwesenheit von Wasser bilden sich in einer Redoxreaktion Amide der allgemeinen Form MINH2 MI einwertiges Metallatom 52 wie z B Natriumamid 2 N H 3 2 M 2 M I N H 2 H 2 displaystyle mathrm 2 NH 3 2 M longrightarrow 2 M I NH 2 H 2 Verbindungen der Form M2NH bei denen zwei der drei Wasserstoffatome ersetzt sind heissen Imide und sind keine Wasserstoffatome vorhanden spricht man von Nitriden Sie lassen sich durch Erhitzen von Amiden gewinnen 50 Imide M I I N H 2 2 D T M I I N H N H 3 displaystyle mathrm M II NH 2 2 xrightarrow Delta T M II NH NH 3 z B MagnesiumimidNitride 3 M I I N H D T M 3 I I N 2 N H 3 displaystyle mathrm 3 M II NH xrightarrow Delta T M 3 II N 2 NH 3 z B Magnesiumnitrid Die Alkali und Erdalkalisalze setzen sich mit Wasser zu Metallhydroxiden und Ammoniak um Amminkomplexe Bearbeiten Amminkomplexe von Cu II links und Cobalt III ionen Ammoniak neigt zur Komplexbildung mit vielen Ubergangsmetallen Bestandige Komplexe sind besonders von Cr3 Co3 Pd2 Pt4 Ni2 Cu2 bekannt 50 Bei einem reinen Amminkomplex liegt ein Kation vor das die Ladung des Metalls tragt und die Ammoniakmolekule als einzahnige Liganden um ein zentrales Metallatom herum gruppiert sind Der Ligand bindet sich uber sein freies Elektronenpaar an das Zentralatom Die Bildungsreaktionen der Komplexe lassen sich mit dem Lewis Saure Base Konzept beschreiben Die Amminkomplexe haben die allgemeine Struktur M N H 3 m n displaystyle mathrm M NH 3 m n mit Mn als Metall Kation mit n Ladungen und m Liganden Ein bekannter Amminkomplex ist der Kupfertetramminkomplex Cu NH3 4 2 der eine typische blaue Farbe besitzt und als Nachweis fur Kupfer genutzt werden kann Stabile Komplexe lassen sich in Form von Salzen z B als Sulfate gewinnen und werden Ammin Salze oder Ammoniakate genannt 53 Amminkomplexe konnen neben Ammoniak auch andere Liganden tragen Neben dem reinen Chromhexamminkomplex C r N H 3 6 3 displaystyle mathrm Cr NH 3 6 3 sind auch Komplexe mit der allgemeinen Struktur C r N H 3 6 n L n 3 n displaystyle mathrm Cr NH 3 6 n mathrm L n 3 n mit n gleich 0 bis 6 und mit dem Ligand L wie z B F Cl CN bekannt Die Komplexe konnen durch die Ladungskompensation durch die ionischen Liganden daher auch Anionen oder eine molekulare ungeladene Struktur aufweisen Ein Beispiel dafur ist Cisplatin Pt Cl 2 NH3 2 ein quadratisch planarer Platin II Komplex mit zwei Amminliganden und zwei Chlorid Ionen der ein wichtiges Zytostatikum darstellt An Ammoniak Chlor Komplexen des Cobalts wurde 1893 von Alfred Werner erstmals eine Theorie zur Beschreibung von Komplexen aufgestellt 52 Verwendung Bearbeiten Ammoniumhaltiger Dunger Kalkammonsalpeter Calciumammoniumnitrat Grundstoff fur die Herstellung aller anderen industriell hergestellten stickstoffhaltigen Verbindungen Bearbeiten Mit einem Anteil von 40 im Jahr 1995 22 ist dabei Harnstoff die wichtigste aus Ammoniak hergestellte Verbindung die vorwiegend als Dungemittel und fur die Produktion von Harnstoffharzen eingesetzt wird Harnstoff wird durch Reaktion von Ammoniak mit Kohlenstoffdioxid gewonnen Neben Harnstoff werden auch weitere Stickstoffdunger aus Ammoniak hergestellt Zu den wichtigsten zahlen die Ammoniumsalze Ammoniumnitrat phosphat und sulfat Insgesamt lag der Anteil von Dungemitteln am Gesamtammoniakverbrauch im Jahr 2003 bei 83 22 Ein weiterer wichtiger aus Ammoniak hergestellter Stoff ist die Salpetersaure die wiederum Ausgangsmaterial fur eine Vielzahl weiterer Verbindungen ist Im Ostwald Verfahren reagiert Ammoniak an Platinnetzen mit Sauerstoff und bildet so Stickoxide die mit Wasser weiter zu Salpetersaure reagieren Zu den aus Salpetersaure hergestellten Verbindungen zahlen unter anderem Sprengstoffe wie Nitroglycerin oder TNT Weitere aus Ammoniak synthetisierte Stoffe sind Amine Amide Cyanide Nitrate und Hydrazin Rolle in verschiedenen organischen Synthesen Bearbeiten Primare Carbonsaureamide konnen aus Ammoniak und geeigneten Carbonsaurederivaten wie Carbonsaurechloriden oder estern gewonnen werden Die direkte Reaktion von Carbonsaure und Ammoniak zum entsprechenden Amid erfolgt dagegen nur bei erhohten Temperaturen wenn sich das zuvor gebildete Ammoniumsalz zersetzt 54 Eine technisch wichtige Reaktion ist die von Adipinsaure und Ammoniak zu Adipinsauredinitril Dieses wird weiter zu Hexamethylendiamin hydriert und ist damit ein Zwischenprodukt fur die Herstellung von Nylon 55 Es ist moglich Anilin durch die Reaktion von Phenol und Ammoniak an einem Aluminium Silikat Katalysator herzustellen Diese Syntheseroute erfordert jedoch mehr Energie und ergibt eine geringere Ausbeute als die Synthese und Reduktion von Nitrobenzol und wird daher nur in geringem Mass angewendet wenn Phenol preiswert zur Verfugung steht 56 Besondere Anwendungen Bearbeiten Rauchgasreinigung Bearbeiten Die Reaktion von Ammoniak als Base mit Sauren zu Ammoniumsalzen wird in der Rauchgasreinigung ausgenutzt Dabei reagiert Ammoniak mit Schwefel und Salpetersaure zu den entsprechenden Ammoniumsalzen und kann deshalb in Anwesenheit von Wasserdampf die eventuell in Rauchgasen enthaltenen unerwunschten und umweltschadlichen Schwefel und Stickoxide als Ammoniumsalze aus den Rauchgasen entfernen Kaltemittel Bearbeiten Aufgrund seiner grossen spezifischen Verdampfungsenthalpie von 1368 kJ kg 57 wird Ammoniak auch als Kaltemittel eingesetzt Vorteile sind eine geringe Entflammbarkeit der nicht vorhandene Beitrag zum Treibhauseffekt oder zur Zerstorung der Ozonschicht sowie der Verwendungsbereich von 60 bis 100 C 57 Nachteilig ist die potentielle Toxizitat von Ammoniak 3 Geruchs Reizstoff Bearbeiten Ammoniaklosung wird auch in Riechampullen verwendet Der extreme Geruchsreiz dient als antidissoziative Strategie etwa im Rahmen einer Dialektisch Behavioralen Therapie 58 Farbungen Bearbeiten Ammoniak reagiert mit der in Holzern vorkommenden Gerbsaure und farbt das Holz je nach Konzentration der Gerbsaure dunkelbraun So wird beispielsweise Eichenholz mit Ammoniak oder Salmiak zu der dunkelbraun erscheinenden Rauchereiche verwandelt Auch bei der Herstellung von Lichtpausen Diazotypien wird Ammoniak zur Farbung verwendet Gewinnung von elektrischer Energie Bearbeiten Hauptartikel Ammoniak Brennstoffzelle Speicher und Transportmittel fur Wasserstoff Bearbeiten Es gibt die experimentelle Entwicklung von Brennstoffzellensystemen fur die der benotigte Wasserstoff zum Zeitpunkt des Bedarfs dadurch gewonnen wird dass die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff durch chemische Verfahren ruckgangig gemacht wird 59 Ein weiterer in der Erforschung befindlicher Ansatz besteht darin Ammoniak als leicht handhabbare saubere und sichere langfristig und im industriellen Massstab nutzbare Speichersubstanz fur solchen Wasserstoff einzusetzen der z B mit Hilfe von Uberschussstrom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien Wind und Solarenergie hergestellt wurde 60 Damit konnten zeitlich Versorgungslucken dieser Energien geschlossen und erneuerbare Energien fur den Fahrzeugantrieb und besonders auch bei Schiffsmotoren 61 eingesetzt werden Um diese geplante industrielle Entwicklung allgemeinverstandlich vorzustellen wird kurz und bundig formuliert Grunes Ammoniak verbrennt zu Stickstoff und Wasser Wegen der Wirkungsgrade von jeweils ca 55 60 bei der Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie des Ammoniaks und zuruck in Grossdieseln oder in GuD Kraftwerken zusammen etwa 2 3 Energieverluste ist dieser Weg jedoch energetisch deutlich ungunstiger als der unmittelbare Einsatz erneuerbarer Energien fur die Deckung des Strombedarfs Biologische Bedeutung Bearbeiten Cyanobakterien konnen Ammoniak aus Stickstoff gewinnen Nur wenige Mikroorganismen sind in der Lage Ammoniak in der sogenannten Stickstofffixierung direkt aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen Beispiele hierfur sind Cyanobakterien oder Proteobacterien wie Azotobacter Aus diesem uber das Enzym Nitrogenase gewonnenen Ammoniak werden von den Bakterien Aminosauren synthetisiert die von allen Lebewesen benotigt werden Die meisten Hulsenfruchtler wie Bohnen Klee und Lupinen sind fur eine bessere Versorgung mit Aminosauren auch Symbiosen mit bestimmten Bakterienarten eingegangen 62 Im Stoffwechsel beim Auf und Abbau von Aminosauren spielt Ammoniak das unter biochemischen Bedingungen als Ammonium vorliegt eine wichtige Rolle Aus Ammonium und a Ketoglutarat entsteht durch reduktive Aminierung Glutamat aus dem wiederum durch Transaminierung weitere Aminosauren synthetisiert werden konnen Wahrend Mikroorganismen und Pflanzen auf diese Art alle Aminosauren synthetisieren beschrankt sich dies bei Mensch und Tieren auf die nicht essentiellen Aminosauren 63 Ebenso erfolgt der Abbau von Aminosauren zunachst uber eine Transaminierung zu Glutamat das durch das Enzym Glutamatdehydrogenase wieder in a Ketoglutarat und Ammoniak gespalten wird Da grossere Mengen Ammoniak toxisch wirken und auch nicht vollstandig fur den Aufbau neuer Aminosauren verwendet werden konnen muss es eine Abbaumoglichkeit geben Der Weg das uberschussige Ammoniak aus dem Korper zu entfernen entscheidet sich je nach Tierart und Lebensraum Wasserbewohnende Lebewesen konnen Ammonium direkt an das umgebende Wasser abgeben und benotigen keinen ungiftigen Zwischenspeicher Lebewesen die auf dem Land leben mussen das Ammoniak hingegen vor dem Ausscheiden in ungiftige Zwischenprodukte umwandeln Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Stoffe die genutzt werden Insekten Reptilien und Vogel verwenden die wasserunlosliche Harnsaure die als Feststoff ausgeschieden wird Uricotelie Dies ist in wasserarmen Gebieten und bei der Einsparung von Gewicht bei Vogeln vorteilhaft 64 Saugetiere sind dagegen in der Lage Ammonium in der Leber uber den Harnstoffzyklus in ungiftigen und wasserloslichen Harnstoff umzuwandeln Ureotelie Dieser kann dann uber den Urin ausgeschieden werden 65 Harnstoff kann durch das Enzym Urease das in manchen Pflanzen wie der Sojabohne oder der Schwertbohne in bestimmten Bakterien und wirbellosen Tieren vorkommt in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid gespalten werden Diese Bakterien finden sich unter anderem im Pansen von Wiederkauern und bewirken dass auch Jauche und Mist dieser Tiere ammoniakhaltig ist Dies stellt auch die grosste anthropogene Ammoniak Quelle in der Umwelt dar 66 Eine besondere Bedeutung hat Ammoniak in der Okologie der Gewasser Abhangig von pH Wert verschiebt sich hier das Verhaltnis der gelosten Ammonium Ionen und dem ungelosten Ammoniak im Wasser wobei die Konzentration des Ammoniaks bei zunehmenden pH Werten zunimmt wahrend die der Ammonium Ionen entsprechend abnimmt Bei Werten bis etwa pH 8 liegen fast ausschliesslich Ammonium Ionen vor bei einer Uberschreitung eines pH Wertes von 10 5 fast ausschliesslich Ammoniak Eine Steigerung des pH Werts kann vor allem durch starke Steigerung der Photosyntheseaktivitat etwa bei Algenbluten in schwach abgepufferten und abwasserbelasteten Gewassern auftreten Da Ammoniak fur die meisten Organismen der Gewasser toxisch ist kann bei einer Uberschreitung des kritischen pH Wertes plotzliches Fischsterben auftreten 67 Toxikologie Bearbeiten Symptome einer Ammoniakvergiftung Durch den unangenehmen Geruch der schon bei niedrigen Konzentrationen wahrnehmbar ist existiert eine Warnung so dass Vergiftungsfalle mit Ammoniak selten sind Gasformiges Ammoniak kann vor allem uber die Lungen aufgenommen werden Dabei wirkt es durch Reaktion mit Feuchtigkeit stark atzend auf die Schleimhaute Auch die Augen werden durch die Einwirkung von Ammoniak stark geschadigt Beim Einatmen hoher Konzentrationen ab etwa 1700 ppm besteht Lebensgefahr durch Schaden in den Atemwegen Kehlkopfodem Stimmritzenkrampf Lungenodeme Pneumonitis und Atemstillstand Beim Ubergang substantieller Ammoniakmengen ins Blut steigt der Blutspiegel von NH4 uber 35 µmol l was zentralnervose Erscheinungen wie Tremor der Hande Sprach und Sehstorungen und Verwirrung bis hin zum Koma und Tod verursachen kann Die pathophysiologischen Mechanismen sind noch nicht eindeutig geklart Ammoniak scheint vor allem die Astrozyten im Gehirn zu schadigen Akute Ammoniakvergiftungen konnen ausser durch Einatmung auch infolge von Leberversagen Hepatische Enzephalopathie oder bei Enzymdefekten auftreten da dann im Stoffwechsel anfallende N Verbindungen nicht zu Harnstoff umgebaut und ausgeschieden werden konnen endogene Ammoniakvergiftung 68 Eine mogliche Erklarung fur die nerventoxische Wirkung von Ammoniak ist die Ahnlichkeit von Ammonium mit Kalium Durch den Austausch von Kalium durch Ammonium kommt es zu Storungen der Aktivitat des NMDA Rezeptors und in Folge davon zu einem erhohten Calcium Zufluss in die Nervenzellen was deren Zelltod bewirkt 69 Das Zellgift 70 Ammoniak wirkt vorwiegend auf Nerven und Muskelzellen Nahezu alle biologischen Membranen sind aufgrund der geringen Grosse des Molekuls sowie seiner Lipidloslichkeit fur Ammoniak durchlassig 71 Die Cytotoxizitat beruht dabei auch auf der Storung des Citratzyklus indem der wichtige Metabolit a Ketoglutarsaure zu Glutaminsaure aminiert wird 72 sowie auf der Storung des pH Werts der Zellen Die encephalotoxische Wirkung wird auch mit einem erhohten Glutaminspiegel im Gehirn 73 sowie der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies 74 in Verbindung gebracht Trend Ammoniak Emissionen in Deutschland seit 1990 Auch chronische Auswirkungen bei langerer Einwirkung von Ammoniak sind vorhanden Durch Schadigung der Atemwege kann es zu Bronchialasthma Husten oder Atemnot kommen 3 Wassrige Ammoniaklosungen konnen auch uber Haut und Magen aufgenommen werden und diese veratzen 75 Ammoniak kommt durch Dungung und Massentierhaltung in die Atemluft Dort wandelt er sich in Ammoniumsulfat und nitrat um was massgeblich dazu beitragt dass Feinstaubpartikel entstehen 76 77 Zudem fordert Ammoniak zusammen mit Stickstoffoxiden die Bildung von gesundheitsschadlichem bodennahem Ozon 78 79 Es wird geschatzt dass die Landwirtschaft dadurch im Jahr 2010 Ursache fur etwa 45 aller Todesfalle durch Luftverschmutzung in Deutschland war 80 81 Ammoniak ist dabei der einzige Luftschadstoff bei dem es seit 1990 zu keiner nennenswerten Reduktion gekommen ist 82 Mit einer Reduzierung der Ammoniakemissionen um 50 konnten daher weltweit etwa 250 000 Todesfalle durch Luftverschmutzung vermieden werden bei einer kompletten Abschaffung dieser Emissionen sogar 800 000 Todesfalle 83 Bei Hausrindern kommen akute Ammoniakvergiftungen vor allem bei Futterung von Nicht Protein Stickstoffverbindungen NPN vor Bei einem Harnstoffanteil von uber 1 5 im Futter treten zentralnervose Vergiftungserscheinungen auf da der Harnstoff nicht mehr vollstandig von der Pansenflora zur Proteinsynthese verarbeitet werden kann 84 Die chronische Exposition mit Ammoniak in der Stallhaltung bei Nutz und Labortieren vor allem bei strohlosen Haltungsformen und hoheren Temperaturen bei unzureichender Beluftung fuhrt zu Schadigungen der Atemwege und damit zu vermehrtem Auftreten von Atemwegsinfektionen zu verminderter Futteraufnahme und Leistungseinbussen 85 Von der Gefahr einer Vergiftung durch Ammoniak sind wegen der guten Wasserloslichkeit des Ammoniaks insbesondere Fische und andere Wasserlebewesen betroffen Wahrend viele Fischarten nur geringe Ammoniakkonzentrationen vertragen haben einige Arten spezielle Strategien entwickelt auch hohere Konzentrationen zu tolerieren Dazu zahlt die Umwandlung des Ammoniak in ungiftigere Verbindungen wie Harnstoff oder sogar Pumpen um Ammoniak aus dem Korper aktiv zu entfernen die bei Schlammspringern beobachtet wurden 69 Ammoniakvergiftungen kommen in der Teichwirtschaft und Aquaristik vor Ursachen konnen die Verunreinigung des Wassers mit Gulle oder Dungemitteln sowie der Anstieg des pH Wertes mit Verschiebung des Dissoziationsgleichgewichts in Richtung Ammoniak sein Betroffene Fische zeigen eine vermehrte Blutfulle Hyperamie und Blutungen in den Kiemen und inneren Organen sowie eine vermehrte Schleimproduktion der Haut Bei hoheren Konzentrationen kann es zum Absterben von Flossenteilen Hautarealen oder Kiemen zu zentralnervosen Erscheinungen oder zum Tod kommen 86 Nachweise Bearbeiten Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl Untersuchung einer Gulleprobe Es gibt mehrere Moglichkeiten Ammoniak nachzuweisen Einfache Nachweise die aber haufig nicht eindeutig sind sind der typische Geruch die Verfarbung von Indikatoren durch das basische Ammoniak oder der typische weisse Rauch von Ammoniumchlorid der bei der Reaktion mit Salzsaure entsteht Charakteristisch ist auch die Reaktion von Ammoniaklosungen mit Kupfersalzlosungen bei denen der dunkelblaue Kupfertetramminkomplex Cu NH3 4 2 entsteht 7 Eine genaue in der Spurenanalytik durch die Storung mit Schwefelwasserstoff jedoch haufig nicht einsetzbare Reaktion zur Ammoniak Bestimmung ist die Nessler Reaktion bei der Kaliumtetraiodomercurat II mit Ammoniak zu einem typischen braunen Niederschlag von Hg2N I reagiert Ein weiterer Nachteil ist auch die Verwendung des giftigen Quecksilbers N H 3 2 K 2 H g I 4 3 N a O H H g 2 N I 4 K I 3 N a I 3 H 2 O displaystyle mathrm NH 3 2 K 2 HgI 4 3 NaOH longrightarrow Hg 2 N I downarrow 4 KI 3 NaI 3 H 2 O Ammoniak Kaliumtetraiodomercurat II und Natronlauge reagieren zum Iodidsalz der Millonschen Base die in wassriger Losung ausflockt Kaliumiodid Natriumiodid und Wasser Stattdessen wird die Berthelot Reaktion genutzt bei der Ammoniak mit Hypochlorit Chloramine bildet Diese sind in der Lage mit Phenolen zu Indophenolen zu reagieren die an ihrer tiefblauen Farbe erkannt werden konnen Fur geringe Mengen kann auch die Kjeldahlsche Stickstoffbestimmung genutzt werden Mit dieser Methode sind auch quantitative Bestimmungen moglich 7 Messen von Ammoniak in der Luft BearbeitenAufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ist eine optische Erfassung von Ammoniak in der Luft problematisch Es werden fast ausschliesslich nasschemische Verfahren eingesetzt um eine gleichzeitige Erfassung von Ammonium in Feinstauben zu verhindern 87 Belastungen der Aussenluft mit Ammoniak konnen mit beschichteten Diffusionsabscheidern sogenannten Denudern quantitativ erfasst werden 88 Als sorbierende Beschichtung dient eine Saure z B Oxalsaure die nach Abschluss der Probenahme analysiert wird 89 Alternativ konnen Passivsammler eingesetzt werden Im Gegensatz zu den aktiv sammelnden Denudern wird bei diesen Geraten auf eine gezielte Stromungsfuhrung verzichtet Das zu detektierende Ammoniak gelangt ausschliesslich durch Diffusion zum Sorbens 90 Weitere Verfahren sind das Indophenol Verfahren und das Nessler Verfahren Beim Indophenol Verfahren wird die Luft durch eine mit verdunnter Schwefelsaure befullten Waschflasche geleitet und als Ammoniumsulfat gebunden Nach Umsetzung zu Indophenol wird dessen Konzentration photometrisch bestimmt 91 Beim Nessler Verfahren wird das gewonnene Ammoniumsulfat mit Nesslers Reagenz umgesetzt und die Farbungsintensitat des gewonnenen Kolloids photometrisch bestimmt 92 Beiden Verfahren ist gemein dass sie nicht selektiv gegenuber Ammoniak sind Literatur BearbeitenMax Appl Ammonia In Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley VCH Weinheim 2006 doi 10 1002 14356007 a02 143 pub3 Eintrag zu Ammoniak In Rompp Online Georg 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Planck Gesellschaft Mehr Tote durch Luftverschmutzung 16 September 2015 Trend der Luftschadstoff Emissionen In umweltbundesamt de Abgerufen am 10 Marz 2018 Andrea Pozzer u a Impact of agricultural emission reductions on fine particulate matter and public health In Atmospheric Chemistry and Physics Band 17 2017 S 12813 12826 doi 10 5194 acp 17 12813 2017 Gerrit Dirksen u a Innere Medizin und Chirurgie des Rindes 5 Auflage Georg Thieme Verlag 2006 ISBN 3 8304 4169 X S 1133 1134 Wolfgang Methling Jurgen Unshelm Umwelt und tiergerechte Haltung von Nutz Heim und Begleittieren Georg Thieme Verlag 2002 ISBN 3 8263 3139 7 Jan Wolter Frank Mutschmann Ammoniakvergiftung In K Gabrisch P Zwart Hrsg Krankheiten der Heimtiere 6 Auflage Schlutersche Verlagsgesellschaft Hannover 2005 ISBN 3 89993 010 X S 917 Ulrich Dammgen Lotti Thoni Ralf Lumpp Kerstin Gilke Eva Seitler Marion Bullinger Verfahrenskenngrossen fur die Bestimmung von Ammoniakkonzentrationen in der Umgebungsluft Teil 2 Messungen mit Passivsammlern In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 70 Nr 9 2010 ISSN 0949 8036 S 367 372 Ulrich Dammgen Lotti Thoni Ralf Lumpp Kerstin Gilke Eva Seitler Marion Bullinger Verfahrenskenngrossen fur die Bestimmung von Ammoniakkonzentrationen in der Umgebungsluft Teil 1 Messungen mit Denudern In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 70 Nr 5 2010 ISSN 0949 8036 S 197 201 VDI 3869 Blatt 3 2010 10 Messen von Ammoniak in der Aussenluft Probenahme mit beschichteten Diffusionsabscheidern Denudern Fotometrische oder ionenchromatografische Analyse Measurement of ammonia in ambient air Sampling with diffusion separators denuders Photometric or ion chromatographic analysis Beuth Verlag Berlin S 17 VDI 3869 Blatt 4 2012 03 Messen von Ammoniak in der Aussenluft Probenahme mit Passivsammlern Fotometrische oder ionenchromatografische Analyse Measurement of ammonia in ambient air Sampling with diffusive samplers Photometric or ion chromatographic analysis Beuth Verlag Berlin S 9 Franz Joseph Dreyhaupt Hrsg VDI Lexikon Umwelttechnik VDI Verlag Dusseldorf 1994 ISBN 3 18 400891 6 S 637 638 VDI 2461 Blatt 2 1976 05 Messung gasformiger Immissionen Messen der Ammoniak Konzentration NESSLER Verfahren VDI Verlag Dusseldorf S 2 Dieser Artikel wurde am 3 September 2009 in dieser Version in die Liste der exzellenten Artikel aufgenommen Normdaten Sachbegriff GND 4001735 7 OGND AKS LCCN sh85004538 NDL 00560264Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Ammoniak amp oldid 214614640, wikipedia, wiki, deutsches

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