Ammoniakki

Sidokset

Ammoniakin typpiatomi muodostaa neljä sp³-hybridiorbitaalia samaan tapaan kuin hiiliatomi metaanissa. Typellä on viisi ulkoelektronia, ja vapaa elektronipari muodostaa yhden orbitaalin.
Typpiatomiin on vapaan elektroniparin vuoksi liittyneenä vain kolme vetyatomia eikä neljä, kuten metaanin hiiliatomiin, jossa on ulkoelektroneja yksi vähemmän. Vapaan elektroniparin muodostama sp³-hybridiorbitaali vie typpiatomin ympäriltä hieman enemmän tilaa kuin yksi N-H -sidos.

Teollinen valmistus

Teollisesti ammoniakkia valmistetaan Haber–Bosch-menetelmällä ammoniakkiuunissa. Menetelmässä typpi ja vety (suhteessa 1:3) puristetaan katalyyttien (rautaoksidi- tai metallikarbidijauheet) yli 200 baarin paineeseen ammoniakkiuuniin, jonka lämpötila on noin 500 °C. Lämpötila ei saa olla liian korkea, muutoin syntyvä ammoniakki hajoaisi takaisin alkuaineikseen. Katalyyttina käytetään hienojakoista rautaa tai metallikarbideja.
Prosessissa käytettävät typpi ja vety on ensin puhdistettu niin tarkasti, että katalyytit eivät juuri syövy, ja kestävät parhaimmillaan jopa 20 vuotta.
Ammoniakkiuuni on neliosainen, ja jokaisen osan jälkeen kaasu jäähdytetään jotta saavutetaan tasapainovakio. Jokaisessa neljässä osassa vain 15 % kaasuseoksesta muuttuu ammoniakiksi, mutta uunien katalyysin jälkeen jäljelle jääneet kaasut kierrätetään takaisin prosessiin, jolloin kokonaisuudessaan 98 % kaasuista muuttuu ammoniakiksi.
Kauppaan ammoniakki toimitetaan painesäiliöissä ja -tankeissa tai 25 %:n vesiliuoksena, jota sanotaan myös väkeväksi ammoniakiksi.
Vuonna 2004 maailmassa valmistettiin kaikkiaan 109 miljoonaa tonnia ammoniakkia. Eniten sitä valmistettiin Kiinassa, 28,4 % maailman tuotannosta. Muita suuria tuottajamaita ovat Intia, Venäjä ja Yhdysvallat, joista kussakin sitä valmistettiin noin 8–9 %. Ammoniakki on yksi maailmassa eniten synteettisesti valmistetuista kemikaaleista. Yli 80 % tuotannosta käytetään lannoitteiden valmistukseen.

Käyttö

Suurin osa teollisesti tuotetusta ammoniakista käytetään typpilannoitteiden valmistukseen. Kemiallisessa teollisuudessa sitä käytetään myös muiden typpiyhdisteiden kuten typpioksidien ja typpihapon sekä räjähdysaineiden valmistukseen sekä neutralointiin.
Ammoniakkia käytetään myös jäähdytyslaitteissa, rakettien polttoaineena ja metallurgiassa. Sen vesiliuosta käytetään pesu- ja puhdistusaineissa.
Ammoniakkia on harkittu myös mäntämoottorin hiilettömäksi polttoaineeksi. Ammoniakki muistuttaa palamisominaisuuksiltaan metanolia.

Biosynteesi ja metabolia

Typpeä sitovat bakteerit tuottavat ammoniakkia ilman typestä.
Eläinten elimistössä ammoniakkia syntyy aminohappojen normaalin hajoamisen tuloksena. Se on myrkyllistä ja poistuu virtsan kautta. Nisäkkäillä se muuntuu ureaksi, mutta matelijoilla ja linnuilla virtsahapoksi.
Ammoniakkia esiintyy myös kukkien kuten vehkasvien tuoksuissa ja semiokemikaalina eliöiden viestinnässä.

Myrkyllisyys

Ammoniakin liian suurta pitoisuutta veressä kutsutaan hyperammonemiaksi ja 5–10 normaalipitoisuutta suurempi veren pitoisuus aiheuttaa useimmissa eläimissä myrkytyksen oireita. Näihin oireisiin voi kuulua hermostollisia oireita jotka johtuvat ammoniakin neurotoksisuudesta. Tarkkaa hermomyrkyllisyyden mekanismia ei toistaiseksi tunneta. Hyperammonemiaan liittyvät esimerkiksi jotkin oireet ureakierron geneettisissä puutoksissa, hepaattisessa enkefalopatiassa ja Reyen oireyhtymässä. Hyperammonemiaan liittyviä kroonisia ja/tai akuutteja oireita ovat muun muassa pysyvä älykkyyden heikkeneminen, ataksia, toistuva oksentelu, kooma ja kuolema.

Ammoniakki sisäilmassa

Sisäilman korkea ammoniakkipitoisuus voi aiheuttaa sekä esteettisiä ongelmia että terveysoireita. Vaikka sisäilman ammoniakkipitoisuudelle ei ole määritetty terveysperusteista ohjearvoa, voidaan Asumisterveysoppaan mukaan ammoniakin sisäilmapitoisuudet luokitella tavanomaisiksi (10–20 μg/m³) tai tavanomaisista poikkeaviksi (yli 40 μg/m³). Ammoniakki aiheuttaa ärsytysoireita pitoisuuksien kohotessa yli 160–410 μg/m³. Kohonneiden arvojen syy tulisi selvittää, koska kemikaalin lähteenä voivat toimia esimerkiksi kosteusvaurioiset rakenteet tai vaurioituneet viemärit. Tämänkaltaiset vauriot voivat olla itsessään merkittäviä terveyshaittoja. Sisäilman ammoniakkipitoisuus tulee määrittää esimerkiksi silloin, kun sisäilmassa tuntuu pistävä tai mädän haju. Haju voi vaihdella lämpötilan ja kosteuden mukaan. Ammoniakin hajukynnys vaihtelee suuresti (100–37 000 μg/m³).
Sisäilman ammoniakkilähteenä voivat toimia esimerkiksi rakennusmateriaalit, maalit, lakat, puhdistus- ja pesuaineet sekä ihmisen tai eläinten eritteet. Kohonnut ammoniakkipitoisuus voi myös viitata kostuneissa rakennusmateriaaleissa tapahtuvaan orgaanisten aineiden hajoamiseen. Tällaisissa reaktioissa syntyy usein myös muita kemiallisia yhdisteitä (VOC), kuten amiineja, aldehydejä ja orgaanisia rikkiyhdisteitä. Nämä yhdisteet ovat ammoniakin tavoin ärsyttäviä yhdisteitä.
Myös tupakointi lisää sisäilman ammoniakkipitoisuutta, koska ammoniakkia on lisätty tupakkaan valmistusvaiheessa.
Sisäilman ammoniakkipitoisuutta voidaan mitata usealla tavalla. Näyte voidaan kerätä sisäilmasta pumpulla esimerkiksi laimeaan rikkihappoliuokseen tai rikkihapolla käsiteltyä aktiivihiiltä tai silikageeliä sisältävään adsorbenttiputkeen. Näyte analysoidaan ioniselektiivisellä tai spektrofotometrisellä menetelmällä.