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碳酸氢铵
氨的碳酸盐
碳酸氢铵(Ammonium Bicarbonate)是一种氨的碳酸盐，为无机物，又名重碳酸铵、酸式碳酸铵、食臭粉，化学式为NH₄HCO₃。碳酸氢铵外观呈白色或无色固体粉末，有氨的气味，易溶于水，溶于甘油，不溶于苯、乙醇和丙酮等，其分子量为79.06，密度为1.586 g/cm³。碳酸氢铵受热或与水接触时易挥发，受热分解为氨气、二氧化碳和水，水解生成氨水和碳酸。还可与酸、盐等反应。
基本信息
中文名
碳酸氢铵
英文名
Ammonium Bicarbonate
别名
重碳酸铵、酸式碳酸铵、食臭粉
CAS号
1066-33-7
性质
化学式
NH₄HCO₃
结构式
摩尔质量
79.06 g/mol
外观
白色或无色固体粉末
气味
氨气味
密度
1.586 g/cm³
熔点
107.5 ℃
溶解性
易溶于水，溶于甘油，不溶于苯、乙醇及丙酮
pKa
1.45
蒸气压
7.85 kPa
碳酸氢铵常用碳化法制得，该法最初由中国化学家侯德榜提出。碳酸氢铵应用丰富，可在食品工业中作酸度调节剂、稳定剂和膨松剂等；在轻工业中用于生产皮革、泡沫钛和胶粘剂等；在农业中用作肥料、农药等；在水处理中用于改善水质、淡化海水等；在化工生产中用作化工原料、尾气吸收剂和稀土沉淀剂等；在环境治理中用于修复含重金属的土壤。
碳酸氢铵的分解产物二氧化碳和氨均为人体代谢产物，所以适量摄入对人体健康无害。吸入碳酸氢铵粉末可能会导致咳嗽、咽喉疼痛，眼睛接触可能会导致发红，疼痛。碳酸氢铵较稳定，不可燃，受热分解可能会释放出有毒气体。
分子结构
碳酸氢铵晶体为斜方晶系，属于mmm晶类，其结晶习性有三种：柱状、板状和粒状，如下图所示。柱状和板状的晶体柱面发育，锥面完好，晶形简单，颗粒较大，透明度较好，呈无色。粒状的晶体晶面丰富，颗粒较小，透明度较差，呈乳白或浅灰色。除此之外，碳酸氢铵还有针状或斜方双锥体，晶体的连生现象普遍。
碳酸氢铵的三种不同结晶
在碳酸氢铵晶体中，CO₃²⁻离子形成平面三角形配位，C原子位于中心，O原子位于角顶。C—O之间平均键长为1.290 Å，O—C—O键角平均为120°。CO₃²⁻离子之间由氢原子以氢键O—H┉O联结成无限延长的链状氢键体系。NH₄⁺离子形成以N原子为中心的四面体配位，N—H的平均键长为0.960 Å，H—N—H键角平均为109.5°。NH₄⁺离子位于HCO₃⁻链状体系的中间，以N—H┉O氢键与上下左右四条链中的O原子相联结，从而形成复杂的三维氢键网络结构。碳酸氢铵晶体结构如下图所示。
碳酸氢铵晶体结构投影图
碳酸氢铵晶体结构透视图
碳酸氢铵晶体中，N—H┉O氢键键长为2.900 Å，属于弱氢键，导致结构内部不脆弱且松弛，在随着含水量增加和温度升高的情况下，其破坏与消失就更加显著，促使碳酸氢铵分子分解为氨气、二氧化碳和水。O—H┉O氢键键长为2.540 Å，极性强，在结构中形成牢固的HCO₃⁻分子链，使HCO₃⁻分解受到抑制。在溶液状态下，HCO₃⁻通过O—H┉O氢键缔合成较稳定的双聚离子，如下图所示，降低了碳酸氢铵的溶解度。此外，O—H┉O氢键具有强亲水性，在晶体表面易吸附水分子形成氢桥键，使晶粒相结合形成不规则的大结块，所以随着含水量增加，碳酸氢铵极易结块。
双聚离子
物理性质
碳酸氢铵外观呈白色固体，有氨的气味，其易溶于水，溶于甘油，不溶于苯、乙醇和丙酮等，在水中的溶解度为21.6 g/100g(20 ℃)。碳酸氢铵摩尔质量为79.06 g/mol，密度为1.586 g/cm³，熔点为107.5 ℃，蒸气压为7.85 kPa(25.4 ℃)，折射率为1.536。碳酸氢铵的拉曼光谱图特征波数为1272.1058。
碳酸氢铵易挥发，影响其挥发分解的基本因素是温度和水分含量，温度上升及水分含量增加都会加速其挥发分解。为了减少碳酸氢铵的分解，可采取增加添加剂或热干燥的方法减少水分，或通过机械造粒、增大结晶等方法改变碳酸氢铵的粒形等措施进行防护。
化学性质
分解反应
碳酸氢铵受热时分解，生成二氧化碳、氨和水，反应方程式如下：
与酸反应
与碱土金属硫酸盐反应
制备方法
碳化法
碳酸氢铵主要由碳化法生产制得，碳化法合成氨工艺为中国独创，由中国化学家侯德榜提出。制备碳酸氢铵的主要原料为氨水和二氧化碳，先用水吸收氨制备浓氨水，然后再吸收二氧化碳进行碳化生成碳酸铵，再进一步反应生成碳酸氢铵。反应方程式如下：
二氧化碳变换气依次进入碳化塔、预碳化塔、副塔和回收清洗塔，浓氨水首先进入预碳化塔，与来自碳化塔的二氧化碳变换气接触，在不析出碳酸氢铵的前提下使浓氨水得到足够的碳化，再导入碳化塔。在此浓氨水与二氧化碳含量最高的新鲜变换气进行逆流接触，生成碳酸氢铵结晶。然后将此悬浮液送离心分离机，经分离的固体碳酸氢铵可直接包装，或经干燥后包装，母液用以制备浓氨水循环使用。
碳化法制备碳酸氢铵工艺流程图
碳化流程分常压碳化和加压碳化两种。常压碳化是将含有二氧化碳的原料气加压到4个大气压后进行碳化，加压碳化一般是将含有二氧化碳的原料气体直接加压至7个大气压以上进行碳化。目前，生产中采用较多的是加压碳化流程。加压碳化流程有串联、并联和两并一串等三种方式。
检测方法
滴定法
碳酸氢铵通常采用滴定法进行检测，向碳酸氢铵水溶液中加入适当的指示剂，用酸标准溶液进行滴定，当到达一定程度的pH值时，指示剂会发生变色作用，因而可以测定出碳酸氢铵的含量。反应原理方程式如下：
应用领域
食品工业领域
碳酸氢铵可用于食品工业领域。其可作酸度调节剂、稳定剂、膨松剂和发酵剂等。碳酸氢铵受热后分解为二氧化碳和氨气，可使食品形成海绵状疏松结构。主要用于饼干、面包、糕点等的生产，通常与碳酸氢钠配合使用。
轻工业领域
碳酸氢铵可用于轻工业领域。在制革工业中，碳酸氢铵可用于中和浸酸裸皮中的过量酸，以利于铬鞣或植鞣的顺利进行；在铬铝结合鞣制时用于提高碱度，使所得成品粒面细微等。碳酸氢铵还可作造孔剂，用于生产高孔隙率的泡沫钛；作发泡剂用于胶粘剂的生产等。
农业、畜牧业领域
碳酸氢铵可用于农业、畜牧业领域。在农业中，碳酸氢铵可用作肥料，将其施入土壤后，可较快溶于水形成铵离子和碳酸氢根离子，反应如下图所示。铵离子既可为作物吸收，也可为土壤胶体吸附，且无任何副成分残留在土壤中，长期施用不会对土壤产生不良影响。碳酸氢铵肥料可用于旱地基肥、旱地追肥、稻田基肥与面肥及稻田追肥等。碳酸氢铵还可作农药用于防治柑橘青霉病、辣椒疫病等。此外，将碳酸氢铵与稀盐酸作用置于蔬菜大棚内，将大棚密封，碳酸氢铵会和盐酸反应生成氯化铵、水和二氧化碳。二氧化碳可促进植物光合作用，增加蔬菜产量，氯化铵也可再次作为肥料使用。在畜牧业中，将碳酸氢铵添加于在青贮玉米饲料中可增大其pH值，提高饲料的品质。
碳酸氢铵入土前后的分解
水处理领域
碳酸氢铵可用于水处理领域。将其用于池塘能改良水质、清除池中杂草，对三毛金藻也具有防治作用。碳酸氢钠还可在海水淡化中作汲取液，因其具有高溶解度、高渗透压及易回收等优点，可通过正渗透技术以达到淡化海水的目的。正渗透即以选择性半透膜两侧溶液的渗透压差为驱动力，使溶液中的水从低渗透压侧向高渗透压侧传递的过程。其作为一种新型的海水淡化技术，具有低能耗、低膜污染以及高回收率等优点。
冶金领域
碳酸氢铵可用于冶金领域。在氯化冶金过程中，原料中的铅会生成氯化铅。由于氯化铅熔点低、挥发性高、易潮解，在后续火法熔炼时会大量挥发进入烟气，导致铅的直收率降低，还会造成后续收尘工序布袋粘结、设备腐蚀等问题。因此，在入炉前应对含氯化铅物料进行脱氯转化处理。而在碳酸氢铵溶液中，氯化铅可以转化为碳酸铅，从而达到脱氯的目的。
环境治理领域
碳酸氢铵可用于环境治理领域，如用于改善被重金属污染的土壤。当利用植物提取修复土壤时，所用超积累植物通常生长缓慢、植株矮小、地上部分生物量小，修复重金属污染土地所需时间太久。而碳酸氢铵有增强重金属活性的能力，施用碳酸氢铵可不同程度地增加植物对重金属的吸收，提高了植物对污染土壤的净化率。利用碳酸氢铵修复污染土壤，修复成本较低且实用性强。
化工领域
化工原料
尾气吸收剂
还可将碳酸氢铵分解为氨，用于还原有害气体一氧化氮，将其转化为无污染的氮气和水，反应方程式与工艺流程图如下。
碳酸氢铵吸收二氧化硫工艺流程图
碳酸氢铵吸收一氧化氮工艺流程图
稀土沉淀剂
碳酸氢铵可用作稀土沉淀剂。碳酸氢铵具有稀土沉淀率高，成本低，不污染环境等优点。向氯化镧溶液中加入碳酸氢铵，首先与稀土溶液中的剩余游离酸发生中和反应，放出二氧化碳气体。当游离酸中和完后，碳酸氢铵就开始与稀土镧离子发生沉淀反应，快速形成碳酸镧沉淀，反应方程式如下。碳酸氢铵还可沉淀钇，用于氧化钇的制备，工艺流程图如下。
碳酸氢铵作沉淀剂制备氧化钇工艺流程图
其他领域
除以上应用外，碳酸氢铵还可用于热交换器管的除垢，在医学中用于制备祛痰剂，用于织物脱脂及用作分析试剂、灭火剂等。
安全事宜
毒理学数据
LD₅₀ 小鼠 皮下 245 mk/kg
危害
碳酸氢铵的分解产物二氧化碳和氨均为人体代谢产物，适量摄入对人体健康无害。吸入碳酸氢铵粉末可能会导致咳嗽、咽喉疼痛，眼睛接触可能会导致发红，疼痛。碳酸氢铵较稳定，不可燃，受热分解可能会释放出有毒气体。
应对措施
急救
皮肤接触 | 脱去污染的衣着，用流动清水冲洗，及时就医 |
眼睛接触 | 提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，及时就医 |
吸入 | 脱离现场至空气新鲜处，如呼吸困难可进行输氧，及时就医 |
摄入 | 饮足量温水，催吐，及时就医 |
泄露与火灾
泄露 | 将溢漏物扫入有盖容器中，并湿润现场防止扬尘。用大量水冲净残余物。[15]大量泄露需将泄露物收集回收或运至废物处理场所处置 |
火灾 | 灭火时尽可能将容器从火场移至空旷处，可使用各种灭火器 |
预防措施
工程控制 | 提供良好的自然通风条件 |
呼吸系统防护 | 高浓度粉尘环境中，应该佩戴自吸过滤式防尘口罩 |
眼睛防护 | 戴化学安全防护眼镜 |
身体防护 | 穿防毒物渗透工作服 |
手防护 | 戴橡胶手套 |
其他防护 | 工作时不得进食、饮漱口水或吸烟，及时换洗工作服，注意个人清洁卫生 |
储存与贮运
碳酸氢铵应在密闭状态下贮存于干燥阴凉处。不可受热和曝晒，以免分解，防止受潮。并与强氧化剂、强碱和酸等分开存放。
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作者
