Otrzymywanie i skraplanie amoniaku

Tak więc jestem już na czwartym roku studiów i zaczynam przygotowywać się do czekającego mnie pisania pracy magisterskiej. Wybrałem sobie na promotora dr. Wolińską, zajmującą się syntezą asymetryczną (a dokładnie syntezą katalizatorów do tych syntez), w związku z czym możecie się spodziewać w przyszłym roku większej ilości wpisów okołosyntetycznych.
Zanim jednak dojdę do pracy w laboratorium, otrzymuję pobieżne przeszkolenie w co ważniejszych technikach, w formie przedmiotu Techniki pracy laboratoryjnej. Każdy otrzymuje jakiś temat, który następnie ma omówić teoretycznie oraz zaprezentować praktycznie. Tak się akurat trafiło, że mi dostał się temat Praca z cieczami niskowrzącymi - a tą cieczą którą miałem za zadanie pokazać, był ciekły amoniak.

Amoniak, inaczej azan, będący połączeniem azotu i wodoru, stanowi gaz o silnym, nieprzyjemnym zapachu, w mniejszych stężeniach podobnym do moczu (w dużych stężeniach poraża węch). Nic zresztą dziwnego - powstaje w wyniku rozkładu mocznika w moczu, stanowiącego sposób w jaki nasz organizm stara się wydalić nadmiar amoniaku powstającego przy rozkładzie aminokwasów. Zaburzenia tego procesu, w wyniku mutacji genetycznych, wywołują ciężkie choroby. Pod normalnym ciśnieniem w temperaturze pokojowej jest bezbarwnym gazem, dopiero w temperaturze -33 ^o C skrapla się do postaci bezbarwnej cieczy, silnie załamującej światło.
Jego cząsteczka ma postać trójkątnej piramidy, z trzema wodorami skierowanymi w jedną stronę azotu, za sprawą odpychania wolnej pary elektronowej. Powoduje to, że cząsteczka ma mocny moment dipolowy, podobny jak cząsteczka wody. Podobnie jak woda ulega autodysocjacji wedle równania:

 2NH3 ↔ NH4 ⁺ + NH2 ^-

 W efekcie ciekły amoniak może stanowić rozpuszczalnik zastępujący wodę w sytuacji, gdy rozpuszczane substancje reagują z nią. Takie też jest jego zastosowanie w laboratorium.
Inną cenną cechą jest jego skłonność do roztwarzania metali. Może się to odbywać na dwa sposoby. Gdy metal alkaliczny, na przykład sód, zostanie wrzucony do ciekłego amoniaku wraz z dodatkiem katalizatora (azotan żelaza III), reaguje z nim tworząc amidek, będący bardzo silnym reduktorem. Jego roztwór lub zawiesina w tymże samym rozpuszczalniku stanowi właściwe medium reakcyjne.
Znacznie ciekawiej przebiega reakcja gdy nie dodamy katalizatora - rozpuszczanie przebiega wówczas bardzo powoli, a roztwór przybiera intensywny, błękitny kolor. Podczas rozpuszczania następuje dysproporcjonacja - atomy metalu dzielą się na kationy, kompleksowane przez amoniak, i swobodne elektrony, natychmiast otaczane przez cząsteczki amoniaku. Takie zsolwatowane elektrony stanowią najlżejsze możliwe aniony a w odpowiednich sytuacjach mogą nawet tworzyć sole.

Trzecią korzystną właściwością amoniaku jest lotność - wystarczy lekko podnieść temperaturę aby odparował, pozostawiając suche produkty reakcji, a że wrze w bardzo niskich temperaturach, można w ten sposób uzyskać związki wrażliwe na ogrzewanie.

I to w zasadzie tyle, od strony teoretycznej. Teraz czas na praktyczną stronę ćwiczenia.
Ciekły amoniak do zastosowań laboratoryjnych można uzyskać z butli, tak przechylając ją, aby zlać ciekłą frakcję sprężonego gazu. Niestety tak się złożyło, że akurat pracownia nie miała butli na składzie, w związku z czym amoniak należało wywiązać. Najprostszym sposobem jest podziałanie stężoną zasadą na dowolną sól amonową - w moim przypadku był to chlorek amonu, nazywany salmiakiem:

NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O

Powstający gazowy amoniak należało skroplić w bardzo niskiej temperaturze, więc zaraz na początku dnia udałem się do pomieszczenia z butlami gazowymi, i w sposób już tu szerzej opisywany, uzyskałem skrzynkę suchego lodu:

Wsypałem do naczynia Dewara aby tak szybko nie sublimował i odważyłem 3 gramy chlorku amonu:

Które wsypałem do dwuszyjnej kolbki kształtem przypominającej serduszko. Odważyłem następnie wodorotlenek potasu w płatkach i rozpuściłem w minimalnej ilości wody aby uzyskać 50% roztwór. Gdy wreszcie zebrała się grupa, wlałem stężony ług do kolbki podłączonej do aparatury o następującym wyglądzie:

Od lewej: Kolbka reakcyjna, płuczka ze środkiem suszącym, kolbka zanurzona w łaźni z suchym lodem, chłodnica wypełniona mieszaniną suchego lodu z acetonem. Chłodnica miała formę pustego płaszcza, jak w naczyniu Dewara, w który wprowadzało się pary, i wgłębionego "palucha" do którego dodawało się mieszaniny chłodzącej. Suchy lód dodany do acetonu, mającego za zadanie  przewodzić ciepło, pozwala osiągnąć temperaturę - 78 stopni C.

Aby przyspieszyć wydzielanie gazu ogrzewałem łagodnie kolbkę dmuchawą przypominającą suszarkę, ale ogrzewającą strumień powietrza powyżej stu stopni. Zawartość kolby burzyła się:

Zaś amoniak nie chciał się skraplać. Po kwadransie zaczęliśmy sądzić, że coś mogło się nie udać, że na przykład płuczka susząca ma za dużą objętość, albo chłodnica za słabo chłodzi. Aż wreszcie po starciu gromadzącego się na kolbce szronu zauważyłem że u wylotu rurki tworzą się bąbelki - jest zatem jakaś ciecz. Potem pozostawało tylko przerwać ogrzewanie i podnieść kolbkę, aby pokazać obecnym kilka centymetrów bezbarwnej cieczy, silnie załamującej światło:

I to było to.
Dodać sodu dla pokazania wyglądu roztworu zapomnieliśmy.