Ammoniak (von ; Aussprache: Betonung in den nördlichen Varianten des Standarddeutschen auf der letzten Silbe: []; in den südlichen Varianten hingegen meist auf der ersten: [], in Österreich allerdings auf der zweiten: [], auch [], [] und []) ist eine chemische Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff mit der Summenformel NH3. Ammoniak ist ein stechend riechendes, in Wasser gut lösliches, farbloses, giftiges Gas, das zu tränenden Augen führt und beim Einatmen die Atemwege reizt und erstickend wirkt. Ammoniak kann als amphotere Verbindung sowohl als Base wie auch als Säure reagieren: In wässrigen Lösungen reagiert Ammoniak als Base, kann von zugesetzten Säuren Protonen aufnehmen und bildet mit den Anionen der Säuren die kationischen Ammoniumsalze. Diese Ammoniumsalze sind in Wasser löslich.
Ammoniak kann aber auch als Gas oder, stark abgekühlt, als Flüssigkeit unter jeweils speziellen Reaktionsbedingungen und in Abwesenheit von Wasser die gebundenen Protonen an zugesetzte Substanzen abgeben und damit – rein formal gesehen – als Säure reagieren. Bei diesen speziellen Reaktionen entstehen die anionischen Amide, Imide oder Nitride, bei denen ein Proton (Amide), zwei Protonen (Imide) oder alle Protonen (Nitride) durch Metallionen ersetzt wurden.
Ammoniak ist eine der meistproduzierten Chemikalien und Grundstoff für die Produktion aller weiteren Stickstoffverbindungen. Der größte Teil des Ammoniaks wird zu Düngemitteln, insbesondere Harnstoff und Ammoniumsalzen, weiterverarbeitet. Die Herstellung erfolgt bislang (2022) fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff.
Biologisch hat Ammoniak eine wichtige Funktion als Zwischenprodukt beim Auf- und Abbau von Aminosäuren. Aufgrund der Giftigkeit größerer Ammoniakmengen wird es zur Ausscheidung im Körper in den ungiftigen Harnstoff oder, zum Beispiel bei Vögeln, in Harnsäure umgewandelt. Bei Hyperammonämie ist der Gehalt von Ammoniak im Blut stark erhöht, da es nicht mehr im ausreichenden Maß zu Harnstoff verstoffwechselt werden kann. Ursache dafür ist oft ein Enzymdefekt im Harnstoffzyklus oder eine Beeinträchtigung der Leber. Dies kann von vorübergehenden Enzephalopathie-Schüben (kurzzeitiger „Rausch-Zustand“ des Gehirns) bis hin zu bleibenden körperlichen Schäden führen.
Ammoniak kann laut Forschung des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik zukünftig eine Schlüsselrolle als grüner Treibstoff zukommen, da niedrigere Herstellungs- und Transportkosten als bei Flüssig-Wasserstoff, Methanol und anderen Energieträgern erwartet werden.
Geschichte mini|links|Fritz Haber
Natürlich vorkommende Ammoniumverbindungen sind schon seit langer Zeit bekannt. So wurde Ammoniumchlorid (Salmiak) schon in der Antike in Ägypten durch Erhitzen von Kamelmist gewonnen. Beim Erhitzen bildet sich Ammoniak, das durch Reaktion mit Chlorwasserstoff Ammoniumchlorid als weißen Rauch bildet. Sowohl Salmiak als auch Ammoniak leiten sich vom lateinischen sal ammoniacumVgl. auch Otto Zekert (Hrsg.): Dispensatorium pro pharmacopoeis Viennensibus in Austria 1570. Hrsg. vom österreichischen Apothekerverein und der Gesellschaft für Geschichte der Pharmazie. Deutscher Apotheker-Verlag Hans Hösel, Berlin 1938, S. 154 (Sal ammoniacum: Unreines ägyptisches Natronsalz, Salmiak). ab, das wiederum auf den antiken Namen der Oase Siwa (Oase des Ammon oder Amun) zurückgeht. In der Nähe der Oase befanden sich große Salzvorkommen, allerdings handelte es sich dabei wohl um Natriumchlorid und nicht um natürlich vorkommendes Ammoniumchlorid.Julius Ruska: Sal ammoniacus, nušādir und Salmiak. In: Sitzungsberichte der Heidelberger Akademie der Wissenschaften: philosophisch-historische Klasse. 14, 1923, Nr. 5, S. 3–23.
Gasförmiges Ammoniak wurde erstmals 1716 von Johannes Kunckel erwähnt, der Gärvorgänge beobachtete. Isoliert wurde das Gas erstmals 1774 von Joseph Priestley. Weitere Forschungen erfolgten durch Carl Wilhelm Scheele und Claude-Louis Berthollet, die die Zusammensetzung des Ammoniaks aus Stickstoff und Wasserstoff erkannten, sowie William Henry, der das exakte Verhältnis der beiden Elemente von 1:3 und damit die chemische Formel NH3 bestimmte.Leopold Gmelin: Handbuch der theoretischen Chemie. Band 1, Franz Varrentramp, Frankfurt 1827, S. 421 (). Erste, jedoch erfolglose Versuche zur Synthese des Ammoniaks aus den Elementen führte Georg Friedrich Hildebrandt um 1795 durch, indem er Stickstoff und Wasserstoff in verschiedenen Mischungsverhältnissen über Wasser stehen ließ.Alwin Mittasch: Bemerkungen zur Katalyse. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 59, 1926, S. 13–36, doi:10.1002/cber.19260590103.
In größerer Menge wurde Ammoniak ab 1840 benötigt, nachdem Justus von Liebig die Stickstoffdüngung zur Verbesserung der Erträge in der Landwirtschaft entwickelt hatte. Zunächst wurde Ammoniak als Nebenprodukt bei der Destillation von Kohle gewonnen, dies war jedoch nach kurzer Zeit nicht mehr ausreichend, um die Nachfrage nach Düngemittel zu decken. Ein erstes technisches Verfahren, um größere Mengen Ammoniak zu gewinnen, war 1898 das Frank-Caro-Verfahren, bei dem Calciumcarbid und Stickstoff zu Calciumcyanamid und dieses anschließend mit Wasser zu Ammoniak umgesetzt wurden.Max Appl: Ammonia. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2006. ().
Ab etwa 1900 begannen Fritz Haber und Walther Nernst mit der Erforschung der direkten Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Sie erkannten bald, dass diese Reaktion bei Normalbedingungen nur in sehr geringem Umfang stattfindet und dass für hohe Ausbeuten hohe Temperaturen, ein hoher Druck sowie ein geeigneter Katalysator nötig sind. 1909 gelang es Haber erstmals, mit Hilfe eines Osmiumkatalysators Ammoniak im Labormaßstab durch Direktsynthese herzustellen. Bei BASF wurden damals von Carl Bosch andere mögliche Synthesewege bearbeitet. Die Ergebnisse Habers führten zur Entscheidung, sein Verfahrenskonzept, das spätere Haber-Bosch-Verfahren, für die Produktion im industriellen Maß auszuarbeiten. Dies gelang nach Überwindung der durch das Arbeiten unter hohem Druck verursachten technischen Probleme 1910 im Versuchsbetrieb. 1913 wurde bei BASF in Ludwigshafen die erste kommerzielle Fabrik zur Ammoniaksynthese in Betrieb genommen. Dabei wurde ein inzwischen von Alwin Mittasch entwickelter Eisen-Mischkatalysator anstatt des teuren Osmiums genutzt.Bernhard Timm: 50 Jahre Ammoniak-Synthese. In: Chemie Ingenieur Technik – CIT. Band 35, Nr. 12, 1963, S. 817–880 (doi:10.1002/cite.330351202). Produktionsanlagen nach diesem Verfahren wurden nach kurzer Zeit in großem Maßstab gebaut (Oppau, Leuna). Die Ammoniakproduktion beruht auch heute noch auf den Prinzipien diese Verfahrens. 1918 erhielt Fritz Haber für die Entwicklung der Ammoniaksynthese den Chemie-Nobelpreis, 1931 zusammen mit Friedrich Bergius auch Carl Bosch für die Entwicklung von Hochdruckverfahren in der Chemie.
Über die genauen Abläufe der Reaktion am Katalysator war dagegen lange Zeit nichts Genaues bekannt. Da es sich hierbei um Oberflächenreaktionen handelt, konnten sie erst nach der Entwicklung geeigneter Techniken wie dem Ultrahochvakuum oder dem Rastertunnelmikroskop untersucht werden. Die einzelnen Teilreaktionen der Ammoniaksynthese wurden dabei von Gerhard Ertl identifiziert, der hierfür auch den Nobelpreis für Chemie 2007 erhielt.Gerhard Ertl: Reaktionen an Oberflächen: vom Atomaren zum Komplexen (Nobel-Vortrag). In: Angewandte Chemie. Band 120, 2008, S. 3578–3590 (doi:10.1002/ange.200800480).
Die Reaktion von Ammoniak zu Salpetersäure wurde erstmals ab 1825 von Frédéric Kuhlmann untersucht.Frédéric Kuhlmann: Abhandlung über die Salpeterbildung. Neue Erzeugung von Salpetersäure u. Ammoniak. In: Annalen der Pharmacie. Band 29, Nr. 3, 1839, S. 272–291 (doi:10.1002/jlac.18390290305). Ein technisch anwendbares Verfahren für die Salpetersäuresynthese aus Ammoniak wurde mit dem heutigen Ostwald-Verfahren Anfang des 20. Jahrhunderts von Wilhelm Ostwald entwickelt. Dieses wurde nach Einführung des Haber-Bosch-Verfahrens technisch wichtig und konnte die Herstellung aus dem natürlich vorkommenden Chilesalpeter (Natriumnitrat) ablösen, was die Versorgung der Rüstungsindustrie Deutschlands im Ersten Weltkrieg sicherstellte.Lothar Dunsch: Das Portrait: Wilhelm Ostwald (1853–1932). In: Chemie in unserer Zeit. Band 16, Nr. 6, 1982, S. 186–196 (doi:10.1002/ciuz.19820160604).
Vorkommen Da Ammoniak leicht mit sauren Verbindungen reagiert, kommt freies Ammoniakgas nur in geringen Mengen auf der Erde vor. Es entsteht z. B. bei der Zersetzung von abgestorbenen Pflanzen und tierischen Exkrementen. Bei der sogenannten Humifizierung werden stickstoffhaltige Bestandteile der Biomasse durch Mikroorganismen so abgebaut, dass unter anderem Ammoniak entsteht. Dieses gelangt als Gas in die Luft, reagiert dort jedoch mit Säuren wie Schwefel- oder Salpetersäure und bildet die entsprechenden Salze. Diese können auch über größere Strecken transportiert werden und gelangen leicht in den Boden. Fast die komplette Emission von Ammoniak fällt dabei auf die Nutztierhaltung.: Ammoniak. Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Stand April 2008. In geringerem Umfang können auch vulkanische Gase einen Beitrag zur Umweltbelastung leisten, ebenso wie der Straßenverkehr.
Ammoniumsalze sind dagegen auf der Erde weit verbreitet. Das häufigste Ammoniumsalz ist Salmiak (Ammoniumchlorid), aber auch Diammoniumhydrogenphosphat (Phosphammit), Ammoniumsulfat (Mascagnin) und eine Anzahl komplizierter aufgebauter Ammoniumsalze mit weiteren Kationen sind aus der Natur bekannt. Diese findet man vor allem in der Umgebung von Vulkanen oder brennenden Kohleflözen, in denen organische Substanzen unter anderem zu Ammoniak zersetzt werden.Frank Wlotzka: Untersuchungen zur Geochemie des Stickstoffs. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 24, 1961, S. 106–154 (doi:10.1016/0016-7037(61)90010-2). So wird Salmiak vorwiegend als Sublimationsprodukt um Fumarolen gefunden, wo sich die im heißen Dampf enthaltenen Chlorwasserstoff- und Ammoniak-Gase als Ammoniumchlorid niederschlagen.Salmiak. In: Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols, John W. Anthony: Handbook of Mineralogy. Band 1. 1990, S. 101 (PDF)
Auch viele Gesteine und Sedimente, vor allem Muskovit, Biotit und Feldspat-Minerale, enthalten Ammonium. Dagegen enthalten Quarzgesteine nur geringe Mengen Ammonium. Für die Verteilung spielt neben dem Ursprung des Ammoniums auch das Entweichen von Ammoniak bei der Metamorphose eine Rolle.
Ammoniak kommt auch im Weltall vor. Es war 1968 das erste Molekül, das durch sein Mikrowellenspektrum im interstellaren Raum gefunden wurde.Paul P. T. Ho, Charles H. Townes: Interstellar Ammonia. In: Annual review of astronomy and astrophysics. Band 21, 1983, S. 239–270 (doi:10.1146/annurev.aa.21.090183.001323). Auch auf den Gasplaneten des Sonnensystems kommt Ammoniak vor.Phil Davies, Kirk Munsell: . NASA: abgerufen am 8. August 2009.
Globale Produktion Ammoniak ist eine Grundchemikalie und wird in großem Maßstab produziert. Im Jahr 2020 wurden weltweit 147 Millionen Tonnen hergestellt. Die Hauptproduzenten sind die Volksrepublik China, Indien, Russland und die Vereinigten Staaten.Nitrogen (fixed) – Ammonia (PDF; 23 kB). In: United States Geological Survey Mineral Commodity Summaries. 2022 Für die Ammoniakproduktion werden zurzeit noch große Mengen fossiler Energieträger benötigt. Der Anteil der Ammoniakproduktion am weltweiten Verbrauch fossiler Energieträger beträgt etwa 1,4 %.
Einen Überblick über die globale Verteilung der Produktionsmengen und die historische Entwicklung der globalen Ammoniakproduktion geben folgende Tabelle und Grafik, basierend auf den Zahlen des US Geological SurveysUSGS.gov, Bureau of Mines Minerals Yearbook (1932–1993):