Sciences · Chimie
Ammoniac (NH₃)
L’ammoniac est un composé d’azote et d’hydrogène de formule NH₃, gaz incolore à l’odeur piquante. Synthétisé par le procédé Haber-Bosch, il est la base des engrais azotés qui nourrissent une grande partie de l’humanité.
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L’ammoniac est l’un des produits chimiques fabriqués en plus grande quantité dans le monde, de l’ordre de 150 à 190 millions de tonnes par an selon les années. Plus des deux tiers servent à fabriquer des engrais. Sa synthèse industrielle, mise au point au début du XXᵉ siècle, est considérée comme l’une des inventions les plus importantes de l’histoire : sans elle, les rendements agricoles actuels seraient impossibles.
Structure et propriétés
L’atome d’azote est lié à trois atomes d’hydrogène et porte un doublet non liant. Les quatre doublets se repoussent : la molécule est pyramidale, avec des angles H–N–H d’environ 107°. Ce doublet libre est la clé de sa chimie : il peut capter un ion H⁺, ce qui fait de l’ammoniac une base.
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Formule | NH₃ |
| Masse molaire | 17,0 g/mol |
| Ébullition | −33 °C |
| Fusion | −78 °C |
| Densité du gaz par rapport à l’air | ≈ 0,6 (plus léger que l’air) |
| Solubilité dans l’eau | très élevée : environ 30 % en masse à 25 °C sous 1 atm |
| Odeur | piquante, détectable dès quelques ppm |
Grâce aux liaisons hydrogène qu’il forme, l’ammoniac bout beaucoup plus haut que le méthane (−161 °C) et se dissout massivement dans l’eau.
Une base faible
En solution aqueuse, l’ammoniac capte un proton de l’eau :
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + HO⁻
Il forme l’ion ammonium NH₄⁺ et libère des ions hydroxyde : la solution est basique. La réaction est très partielle ; l’ammoniac est une base faible (pKa du couple NH₄⁺/NH₃ : 9,25). Une ammoniaque ménagère a un pH d’environ 11 à 12. Voir acides, bases et pH.
Avec un acide, il forme des sels d’ammonium : NH₃ + HCl → NH₄Cl. L’expérience des deux flacons ouverts côte à côte, l’un d’acide chlorhydrique, l’autre d’ammoniaque, fait apparaître une fumée blanche de chlorure d’ammonium là où les vapeurs se rencontrent.
Le procédé Haber-Bosch
La réaction
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ (exothermique, environ −92 kJ par mole de N₂)
Le diazote de l’air est extrêmement stable : sa triple liaison, de 945 kJ/mol, est l’une des plus fortes de la chimie. Le casser exige des conditions sévères.
Les conditions industrielles
| Paramètre | Valeur typique | Raison |
|---|---|---|
| Température | 400 à 500 °C | compromis : à basse température l’équilibre est favorable mais la réaction trop lente |
| Pression | 150 à 300 bar | la réaction diminue le nombre de molécules de gaz (4 → 2) : la pression favorise l’ammoniac |
| Catalyseur | fer, activé par des oxydes de potassium et d’aluminium | accélère la rupture de la liaison N≡N |
| Recyclage | l’ammoniac est liquéfié et retiré, les gaz non réagis renvoyés dans le réacteur | chaque passage ne convertit qu’environ 15 % des gaz |
Ce compromis illustre parfaitement le principe de Le Chatelier et le rôle d’un catalyseur ; il est détaillé dans la fiche équilibre chimique.
Histoire
Le chimiste allemand Fritz Haber réalise la synthèse en laboratoire en 1909 ; Carl Bosch, ingénieur chez BASF, la transpose à l’échelle industrielle, et la première usine démarre en 1913 à Oppau. Haber reçoit le prix Nobel de chimie 1918, Bosch celui de 1931. Pendant la Première Guerre mondiale, l’ammoniac synthétique permet à l’Allemagne, privée du salpêtre du Chili, de produire ses explosifs ; Haber dirige par ailleurs le programme allemand d’armes chimiques, ce qui rend sa mémoire très controversée.
L’empreinte énergétique
L’hydrogène nécessaire est surtout tiré du gaz naturel, par vaporeformage. La production d’ammoniac consomme ainsi environ 1 à 2 % de l’énergie mondiale et émet une part notable des émissions de CO₂ de l’industrie chimique. Des projets d'ammoniac vert, utilisant de l’hydrogène produit par électrolyse avec de l’électricité renouvelable, sont en développement.
Les usages
| Usage | Exemples |
|---|---|
| Engrais | urée, nitrate d’ammonium, sulfate d’ammonium, ammoniac injecté directement dans le sol |
| Acide nitrique | procédé Ostwald : oxydation catalytique de l’ammoniac sur platine, puis nitrates et explosifs |
| Matériaux | nylon, polyuréthanes, acrylonitrile, mélamine |
| Froid industriel | fluide frigorigène (R717) des entrepôts frigorifiques et patinoires, sans effet sur la couche d’ozone |
| Ménage | ammoniaque diluée pour dégraisser les vitres et les fours |
| Dépollution | réduction des oxydes d’azote des moteurs diesel (AdBlue, à base d’urée) |
| Énergie | vecteur envisagé pour stocker et transporter l’hydrogène, carburant maritime |
Dans la nature et le vivant
L’ammoniac est produit par la décomposition des matières organiques (fumier, déjections) ; c’est l’odeur piquante des litières et des étables. Certaines bactéries du sol, notamment celles des nodules des légumineuses, savent fixer l’azote de l’air et le convertir en ammoniac grâce à une enzyme, la nitrogénase. Dans l’organisme humain, l’ammoniac issu de la dégradation des protéines est toxique ; le foie le transforme en urée, éliminée par les reins.
Dangers
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre ammoniac et ammoniaque ?
L’ammoniac est le gaz NH₃. L’ammoniaque est sa solution dans l’eau, contenant NH₃ dissous et un peu d’ions NH₄⁺ et HO⁻. Le produit ménager est donc de l’ammoniaque.
Pourquoi l’ammoniac sent-il si fort ?
Notre odorat y est très sensible : on le détecte dès quelques parties par million dans l’air. C’est un signal d’alarme utile, car il est irritant à plus forte concentration.
Pourquoi le procédé Haber-Bosch est-il si important ?
Parce qu’il transforme l’azote de l’air, inutilisable par les plantes, en composés assimilables. On estime qu’une part considérable de la population mondiale, souvent évaluée à près de la moitié, est nourrie grâce aux engrais azotés de synthèse.