آمونیاک: یک "گاز دو رو" از بوی تند تا معضل صنعتی

۱. آمونیاک چیست؟

آمونیاک (فرمول شیمیایی NH₃) گازی بی‌رنگ با بویی قوی و تند است. وزن مولکولی آن ۱۷.۰۳ است و از هوا سبک‌تر است (چگالی هوا ۱ است، در حالی که چگالی نسبی آمونیاک حدود ۰.۵۹ است)، بنابراین پس از نشتی به بالا می‌رود.

خواص فیزیکی کلیدی :

طبیعت	مقادیر عددی
نقطه جوش	-33.5℃
نقطه ذوب	-77.7℃
حلالیت در آب	تقریباً ۷۰۰ حجم آمونیاک را می‌توان در ۱ حجم آب (در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد) حل کرد.
حد انفجار	۱۶٪ - ۲۵٪ (کسر حجمی در هوا)

آمونیاک در آب بسیار محلول است که یکی از قابل توجه‌ترین خواص آن است. در دما و فشار اتاق، یک حجم آب می‌تواند تقریباً ۷۰۰ حجم گاز آمونیاک را در خود حل کند، که باعث می‌شود حلالیت آمونیاک در آب بسیار بیشتر از سایر گازهای رایج باشد. محلول آبی آمونیاک، آب آمونیاک نامیده می‌شود و خاصیت قلیایی ضعیفی دارد، به همین دلیل است که کاغذ تورنسل قرمز مرطوب در تماس با گاز آمونیاک به رنگ آبی در می‌آید.

دوم. آمونیاک از کجا می‌آید؟ — منابع طبیعی و انقلاب صنعتی

۲.۱ آمونیاک در طبیعت

آمونیاک یکی از رایج‌ترین گازها در طبیعت است که در هوا، آب و خاک یافت می‌شود. منابع طبیعی اصلی آن عبارتند از:

تجزیه گیاهان و جانوران : پس از تجزیه پروتئین‌ها، مواد آلی حاوی نیتروژن مانند اسیدهای آمینه و اوره تولید می‌شوند که با تجزیه بیشتر، آمونیاک تولید می‌کنند.

مدفوع حیوانات اوره موجود در ادرار تحت تأثیر اوره آز تجزیه شده و آمونیاک تولید می‌کند.

رعد و برق، آتشفشان، آتش سوزی این پدیده‌های طبیعی همچنین می‌توانند مقادیر کمی آمونیاک تولید کنند.

تثبیت نیتروژن برخی از حبوبات رابطه همزیستی با ریزوبیا دارند که به آنها اجازه می‌دهد نیتروژن جوی را به آمونیاک تبدیل کنند.

۲.۲ آمونیاک در بدن انسان

آمونیاک در بدن انسان نیز تولید می‌شود. آمونیاک موجود در بدن عمدتاً از سه مسیر زیر حاصل می‌شود:

کاتابولیسم اسیدهای آمینه در بافت‌ها

تجزیه اسیدهای آمینه در سلول‌های کلیه

هیدرولیز اوره و گندیدگی آن در روده

آمونیاک برای بدن انسان سمی است، بنابراین کبد آن را به اوره تبدیل می‌کند که سپس از طریق ادرار دفع می‌شود. هنگامی که عملکرد کبد به شدت مختل می‌شود، افزایش سطح آمونیاک خون می‌تواند منجر به انسفالوپاتی کبدی شود، یک وضعیت بحرانی که نیاز به نظارت دقیق در عمل بالینی دارد.

۲.۳ انقلاب صنعتی: تولد هابرفورس

اگرچه آمونیاک در طبیعت وجود دارد، اما منابع طبیعی آن به هیچ وجه پاسخگوی نیازهای انسان نیستند. در اواخر قرن نوزدهم، کشاورزی اروپا به شدت به نیترات شیلی (نیترات سدیم) به عنوان منبع کود نیتروژن وابسته بود، منبعی که اکنون در معرض خطر نابودی قرار دارد. جامعه علمی با یک چالش بزرگ روبرو بود: چگونه می‌توان آمونیاک را از نیتروژن (N₂) پایان‌ناپذیر موجود در جو تولید کرد؟

یک مولکول نیتروژن از دو اتم نیتروژن تشکیل شده است که توسط ... به هم متصل شده‌اند. یک پیوند سه‌گانه قوی N≡N که آن را از نظر شیمیایی بسیار پایدار و تقریباً در شرایط عادی غیرفعال می‌کند. دقیقاً به همین دلیل است که گیاهان نمی‌توانند مستقیماً از نیتروژن جوی استفاده کنند.

در سال ۱۹۰۹، شیمیدان آلمانی فریتز هابر در آزمایشگاه به موفقیت بزرگی دست یافت - با موفقیت آمونیاک را از نیتروژن و هیدروژن در شرایط دما و فشار بالا تقریباً 200 اتمسفر و 500 درجه سانتیگراد، با استفاده از اسمیوم به عنوان کاتالیزور، سنتز کرد. متعاقباً، مهندس آلمانی کارل بوش این فرآیند را در مقیاس بزرگ توسعه داده و کاتالیزورهای مبتنی بر آهن و جریان‌های فرآیندی مناسب برای تولید صنعتی را توسعه داده‌اند. این همان چیزی است که جهان را متحول می‌کند. فرآیند هابر-بوش .

معادله واکنش عبارت است از:
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

در سال ۱۹۱۳، اولین کارخانه آمونیاک مصنوعی آلمان با تولید سالانه ۷۰۰۰ تن ساخته و به بهره برداری رسید. هابر و بوش به ترتیب در سال های ۱۹۱۸ و ۱۹۳۱ جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند.

امروزه، جهان سالانه تقریباً ۱۸۷ میلیون تن آمونیاک تولید می‌کند که رتبه نهم را در تولید مواد شیمیایی دارد. حدود ۸۵٪ از این مقدار در تولید کودهای کشاورزی استفاده می‌شود و از تأمین غذای تقریباً نیمی از جمعیت جهان پشتیبانی می‌کند. از این نظر، فرآیند هابر یکی از بزرگترین اختراعات تاریخ بشر است.

III. طیف گسترده ای از کاربردهای آمونیاک

آمونیاک یک ماده اولیه شیمیایی بسیار مهم با طیف وسیعی از کاربردها است:

کشاورزی تولید کودهای نیتروژنی (اوره، نیترات آمونیوم، فسفات آمونیوم و غیره) که تقریباً ۸۵٪ آمونیاک در این زمینه استفاده می‌شود.

تبرید آمونیاک مایع یک مبرد بسیار کارآمد و سازگار با محیط زیست است که به طور گسترده در سردخانه‌های بزرگ و فرآوری مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مواد اولیه شیمیایی : در ساخت اسید نیتریک، هیدرازین، سیانید، اسیدهای آمینه، آمین‌ها و غیره استفاده می‌شود.

نظافت منزل محصولاتی مانند شیشه پاک کن حاوی آمونیاک هستند.

داروسازی و رنگ‌ها : به عنوان واسطه

تولید مواد منفجره نیترات آمونیوم هم کود شیمیایی و هم ماده اولیه مواد منفجره است.

تصفیه آب تنظیم pH:

سوخت دریایی آمونیاک سبز به عنوان سوخت دریایی کم کربن در حال مطالعه است.

IV. خطرات آمونیاک

آمونیاک یک شمشیر دولبه است. کاربردهای وسیعی دارد، اما خطرات آن را نباید نادیده گرفت.

۴.۱ سمیت - آسیب به بدن انسان

آمونیاک یک ماده سمی است که مکانیسم‌های متعددی برای آسیب رساندن به بدن انسان دارد:

تحریک : این ماده دارای اثر تحریک کننده و خورنده قوی بر روی پوست، چشم ها و غشاهای مخاطی تنفسی است.

آسیب بافتی : آب را از بافت پوست جذب می‌کند، پروتئین‌های بافت را دناتوره می‌کند و ساختار غشای سلولی را مختل می‌کند.

آسیب دستگاه تنفسی : مژک های تنفسی را فلج می کند، به بافت اپیتلیال مخاطی آسیب می رساند و مقاومت در برابر بیماری را کاهش می دهد.

سمیت خون : پس از ورود به جریان خون، به هموگلوبین متصل می‌شود و عملکرد حمل اکسیژن را مختل می‌کند.

خطر مرگ استنشاق غلظت‌های بالا می‌تواند منجر به ادم ریوی و حتی ایست قلبی از طریق رفلکس عصب سه قلو شود.

علائم مسمومیت حاد شامل اشک‌ریزش، گلودرد، گرفتگی قفسه سینه، مشکل در تنفس، سرگیجه، حالت تهوع، استفراغ و خستگی است. موارد شدید ممکن است منجر به ادم ریوی و سندرم دیسترس تنفسی حاد شود.

مقایسه خطر سمیت آمونیاک بسیار کمتر از خطر انفجار آن است - حد مجاز مواجهه شغلی (TWA) تنها 20 میلی‌گرم بر متر مکعب (تقریباً 28 ppm) است، در حالی که حد پایین انفجار تا 15٪ (تقریباً 150،000 ppm) است. این تفاوت بیش از 5000 برابر است. بنابراین، در نظارت صنعتی، آمونیاک معمولاً برای نظارت در اولویت قرار می‌گیرد. یک گاز سمی به جای یک گاز قابل اشتعال.

۴.۲ خطرات زیست‌محیطی

اسیدی شدن خاک : رسوب آمونیاک منجر به کاهش pH خاک می شود.

یوتریفیکاسیون ترکیبات نیتروژن وارد آب‌ها می‌شوند و منجر به رشد بیش از حد جلبک‌ها می‌شوند.

از دست رفتن تنوع زیستی گونه‌هایی که با سطوح بالای مواد مغذی سازگار شده‌اند، گونه‌های دیگر را از بین می‌برند؛ گلسنگ‌ها و خزه‌های تالابی به آمونیاک بسیار حساس هستند.

آموزش PM2.5 آمونیاک با اسید سولفوریک و اسید نیتریک واکنش می‌دهد و نمک‌های آمونیوم را تشکیل می‌دهد که پیش‌سازهای مهم PM2.5 هستند. در برخی از مناطق ایالات متحده، آمونیاک تولید شده توسط دامداری می‌تواند 5 تا 20 درصد از PM2.5 اتمسفر را تشکیل دهد.

۴.۳ خطرات آتش‌سوزی و انفجار

آمونیاک خالص به راحتی قابل اشتعال نیست، اما در صورت مخلوط شدن با هوا قابلیت انفجار دارد، به طوری که حد انفجار آن ۱۶٪ تا ۲۵٪ (کسر حجمی) است و غلظتی که به راحتی قابل اشتعال است ۱۷٪ می‌باشد.

۴.۴ جنبه‌ی تاریک هابرفا

نیتروژن نه تنها یک ماده مغذی برای گیاهان است، بلکه ... یک جزء مهم مواد منفجره نیترات آمونیوم هم یک کود نیتروژنی بسیار کارآمد و هم ماده اولیه برای مواد منفجره است.

سلاح‌های شیمیایی در جنگ جهانی اول : هابر خود به طور فعال استفاده از گازهای سمی مانند کلر را در جنگ ترویج می‌کرد. در نبرد دوم ایپر در سال ۱۹۱۵، ارتش آلمان برای اولین بار از گاز کلر استفاده کرد و تلفات جدی به متفقین وارد کرد.

انفجار بیروت این واقعیت تاریخی که تقریباً ۲۷۵۰ تن نیترات آمونیوم ذخیره شده در بندر بیروت، لبنان، در اوت ۲۰۲۰ منفجر شد و بیش از ۲۰۰ نفر را کشت و هزاران نفر را زخمی کرد، به ما یادآوری می‌کند که فناوری به خودی خود خنثی است؛ اینکه آیا فایده‌ای دارد یا ضرری، بستگی به نحوه استفاده بشریت از آن دارد.

V. منابع آلودگی آمونیاک در فضای داخلی

علاوه بر مواجهه با آلاینده‌های صنعتی، آلودگی آمونیاک می‌تواند در هوای داخل ساختمان نیز وجود داشته باشد، عمدتاً از طریق:

ساخت و ساز : افزودنی‌های بتن حاوی مقدار زیادی ترکیبات آمونیاک هستند که با تغییر دما و رطوبت، به آرامی در دیوار آزاد می‌شوند.

دکوراسیون داخلی برخی از مواد تزئینی تجزیه شده و آمونیاک آزاد می‌کنند.

محصولات تمیز کننده استفاده از پاک‌کننده‌های حاوی آمونیاک

متابولیسم انسان : بدن انسان نیز مقدار کمی آمونیاک تولید می کند.

نتیجه‌گیری

آمونیاک، ترکیبی به ظاهر ساده، منعکس کننده ماهیت پیچیده توسعه فناوری است.

این است قهرمانی که جهان را تغذیه می‌کند — بدون هابرفا، نیمی از جمعیت جهان غذای کافی نخواهند داشت؛ همچنین تهدیدی برای محیط زیست و سلامت — غلظت بالای آمونیاک می‌تواند کشنده باشد، و انتشار آمونیاک از منابع کشاورزی به اکوسیستم‌ها آسیب می‌رساند؛ و پشت آن نهفته است سایه جنگ و ویرانی از گاز سمی گرفته تا انفجار، آمونیاک با تاریخ خشونت انسانی در هم تنیده شده است.

وقتی آن بوی تند را استشمام می‌کنیم، شاید باید متوجه شویم که این فقط بوی یک ماده شیمیایی نیست، بلکه نمونه کوچکی از تمدن صنعتی مدرن، انقلاب کشاورزی و معضلات وجودی بشریت است. درک آمونیاک، درک یکی از جنبه‌های دنیای پیچیده‌ای است که برای بقا به آن وابسته‌ایم.