Ammoniumion (NH4 +): Formel, Eigenschaften und Verwendung

Das Ammoniumion ist ein positiv geladenes mehratomiges Kation mit der chemischen Formel NH 4 +. Das Molekül ist nicht flach, sondern hat die Form eines Tetraeders. Die vier Wasserstoffatome bilden die vier Ecken.

Der Stickstoff des Ammoniaks hat ein Paar nicht gemeinsam genutzter Elektronen, die ein Proton (Lewis-Base) aufnehmen können. Daher wird das Ammoniumion durch Protonierung des Ammoniaks gemäß der Reaktion gebildet: NH 3 + H + → NH 4 +

Ammonium ist auch substituierte substituierte Amine oder substituierte Ammoniumkationen. Beispielsweise ist Methylammoniumchlorid ein ionisches Salz der Formel CH 3 NH 4 Cl, wobei das Chloridion an ein Methylamin gebunden ist.

Das Ammoniumion hat ähnliche Eigenschaften wie die schwereren Alkalimetalle und wird oft als enger Verwandter angesehen. Von Ammonium wird erwartet, dass es sich bei sehr hohen Drücken wie ein Metall verhält, beispielsweise in riesigen Gasplaneten wie Uranus und Neptun.

Das Ammoniumion spielt eine wichtige Rolle bei der Synthese von Proteinen im menschlichen Körper. Kurz gesagt, alle Lebewesen brauchen Proteine, die aus etwa 20 verschiedenen Aminosäuren bestehen. Während Pflanzen und Mikroorganismen die meisten Aminosäuren aus Stickstoff in der Atmosphäre synthetisieren können, können Tiere dies nicht.

Für den Menschen können einige Aminosäuren überhaupt nicht synthetisiert werden und müssen als essentielle Aminosäuren konsumiert werden.

Andere Aminosäuren können jedoch von Mikroorganismen im Magen-Darm-Trakt mit Hilfe von Ammoniakionen synthetisiert werden. Somit ist dieses Molekül eine Schlüsselfigur im Stickstoffkreislauf und bei der Synthese von Proteinen.

Eigenschaften

Löslichkeit und Molekulargewicht

Das Ammoniumion hat ein Molekulargewicht von 18.039 g / mol und eine Löslichkeit von 10, 2 mg / ml Wasser (National Center for Biotechnology Information, 2017). Beim Lösen von Ammoniak in Wasser entsteht das Ammoniumion gemäß der Reaktion:

NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH-

Dies erhöht die Hydroxylkonzentration im Medium und erhöht den pH-Wert der Lösung (Royal Society of Chemistry, 2015).

Säure-Base-Eigenschaften

Das Ammoniumion hat einen pKb von 9, 25. Dies bedeutet, dass bei einem pH-Wert über diesem Wert ein saures Verhalten und bei einem niedrigeren pH-Wert ein basisches Verhalten auftritt.

Wenn beispielsweise Ammoniak in Essigsäure gelöst wird (pKa = 4, 76), nimmt das freie Elektronenpaar Stickstoff ein Proton aus dem Medium auf, wodurch die Konzentration der Hydroxidionen gemäß der folgenden Gleichung erhöht wird:

NH 3 + CH 3 COOH ⇌ NH 4 + + CH 3 COO-

In Gegenwart einer starken Base wie Natriumhydroxid (pKa = 14, 93) liefert das Ammoniumion dem Medium jedoch ein Proton gemäß der Reaktion:

NH 4 + + NaOH = NH 3 + Na + + H 2 O

Abschließend wird Stickstoff bei einem pH-Wert von weniger als 9, 25 protoniert, während er bei einem pH-Wert von mehr als diesem Wert deprotoniert wird. Dies ist sehr wichtig, um die Titrationskurven und das Verhalten von Substanzen wie Aminosäuren zu verstehen.

Ammoniumsalze

Eine der charakteristischsten Eigenschaften von Ammoniak ist seine Fähigkeit, sich direkt mit Säuren zu verbinden, um gemäß der Reaktion Salze zu bilden:

NH 3 + HX → NH 4 X

So bildet es mit Salzsäure Ammoniumchlorid (NH 4 Cl); Mit Salpetersäure bildet Ammoniumnitrat (NH 4 NO 3 ) mit Kohlensäure Ammoniumcarbonat ((NH 4 ) 2 CO 3 ) usw.

Es wurde gezeigt, dass perfekt trockenes Ammoniak nicht mit perfekt trockener Salzsäure kombiniert wird, da die Feuchtigkeit für die Reaktion erforderlich ist (VIAS Encyclopedia, 2004).

Die meisten einfachen Ammoniumsalze sind in Wasser sehr gut löslich. Eine Ausnahme bildet Ammoniumhexachloroplatinat, dessen Bildung als Test für Ammonium herangezogen wird. Die Salze von Ammoniumnitrat und insbesondere Perchlorat sind hochexplosiv, in diesen Fällen ist Ammonium das Reduktionsmittel.

In einem ungewöhnlichen Prozess bilden Ammoniumionen ein Amalgam. Solche Spezies werden durch Elektrolyse einer Ammoniumlösung unter Verwendung einer Quecksilberkathode hergestellt. Dieses Amalgam zersetzt sich schließlich und setzt Ammoniak und Wasserstoff frei (Johnston, 2014).

Eines der gebräuchlichsten Ammoniumsalze ist Ammoniumhydroxid, bei dem es sich einfach um in Wasser gelöstes Ammoniak handelt. Diese Verbindung ist sehr verbreitet und kommt auf natürliche Weise in der Umwelt (in Luft, Wasser und Boden) sowie in allen Pflanzen und Tieren, einschließlich des Menschen, vor.

Verwendet

Ammonium ist eine wichtige Stickstoffquelle für viele Pflanzenarten, insbesondere für Pflanzen, die auf hypoxischen Böden wachsen. Es ist jedoch auch für die meisten Kulturpflanzenarten toxisch und wird selten als einzige Stickstoffquelle verwendet (Database, Human Metabolome, 2017).

Stickstoff (N), der in toter Biomasse an Proteine ​​gebunden ist, wird von Mikroorganismen verbraucht und in Ammoniumionen (NH4 +) umgewandelt, die von den Wurzeln von Pflanzen (z. B. Reis) direkt absorbiert werden können.

Ammoniumionen werden normalerweise von den Nitrosomonas-Bakterien in Nitritionen (NO2-) umgewandelt, gefolgt von einer zweiten Umwandlung von Nitrobacter-Bakterien in Nitrat (NO3-).

Die drei wichtigsten Stickstoffquellen in der Landwirtschaft sind Harnstoff, Ammonium und Nitrat. Die biologische Oxidation von Ammonium zu Nitrat wird als Nitrifikation bezeichnet. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte und wird durch autotrophe, obligate aerobe Bakterien vermittelt.

In überfluteten Böden ist die Oxidation von NH4 + eingeschränkt. Harnstoff wird durch das Ureaseenzym zersetzt oder chemisch zu Ammoniak und CO2 hydrolysiert.

Im Ammonifizierungsschritt wird das Ammoniak mittels ammoniierender Bakterien in das Ammoniumion (NH4 +) umgewandelt. Im nächsten Schritt wird das Ammonium durch nitrifizierende Bakterien in Nitrat umgewandelt (Nitrifikation).

Diese Form, sehr mobiler Stickstoff, wird am häufigsten von den Wurzeln der Pflanzen sowie von Mikroorganismen im Boden absorbiert.

Um den Stickstoffkreislauf zu schließen, wird gasförmiger Stickstoff in der Atmosphäre von Rhizobium-Bakterien, die im Wurzelgewebe von Hülsenfrüchten (z. B. Luzerne, Erbsen und Bohnen) und Hülsenfrüchten (z. B. Erle) leben, in Biomassestickstoff umgewandelt. und durch die Cyanobakterien und Azotobacter (Sposito, 2011).

Durch Ammonium (NH4 +) können Wasserpflanzen Stickstoff in Proteine, Aminosäuren und andere Moleküle aufnehmen und einbauen. Hohe Ammoniumkonzentrationen können das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen fördern.

Ammoniumhydroxid und andere Ammoniumsalze sind in der Lebensmittelverarbeitung weit verbreitet. Die Vorschriften der Food and Drug Administration (FDA) legen fest, dass Ammoniumhydroxid als Hefe-, pH-Kontroll- und Appreturmittel sicher ist ("allgemein als sicher anerkannt" oder GRAS). oberflächlich in Essen.

Die Liste der Lebensmittel, in denen Ammoniumhydroxid als direkter Lebensmittelzusatzstoff verwendet wird, ist umfangreich und umfasst Backwaren, Käse, Pralinen, andere Süßwaren (z. B. Süßigkeiten) und Pudding. Ammoniumhydroxid wird auch als antimikrobielles Mittel in Fleischprodukten verwendet.

Ammoniak in anderen Formen (z. B. Ammoniumsulfat, Ammoniumalginat) wird in Gewürzen, Sojaproteinisolaten, Snacks, Konfitüren und Gelees sowie alkoholfreien Getränken verwendet (PNA-Kaliumnitrat-Vereinigung, 2016).

Die Ammoniummessung wird im RAMBO-Test verwendet und ist besonders nützlich bei der Diagnose der Ursache einer Azidose (Test-ID: RAMBO Ammonium, Random, Urin, SF). Die Niere reguliert die Säureausscheidung und den Säure-Basen-Haushalt.

Die Veränderung der Ammoniummenge im Urin ist ein wichtiger Weg für die Nieren, um diese Aufgabe zu erfüllen. Die Messung des Ammoniumspiegels im Urin kann ein Verständnis für die Ursache einer Veränderung des Säure-Basen-Gleichgewichts bei Patienten liefern.

Der Ammoniumspiegel im Urin kann auch viele Informationen über die tägliche Säureproduktion bei einem bestimmten Patienten liefern. Da der größte Teil der Säurebelastung eines Menschen durch aufgenommene Proteine ​​verursacht wird, ist die Ammoniummenge im Urin ein guter Indikator für die Proteinaufnahme in der Nahrung.

Ammoniummessungen im Urin können besonders nützlich für die Diagnose und Behandlung von Patienten mit Nierensteinen sein:

  • Hohe Ammoniumspiegel im Urin und ein niedriger pH-Wert im Urin deuten auf anhaltende gastrointestinale Verluste hin. Bei diesen Patienten besteht ein Risiko für Harnsäure- und Calciumoxalatsteine.
  • Ein wenig Ammonium im Urin und ein hoher pH-Wert des Urins deuten auf eine tubuläre Nierenazidose hin. Bei diesen Patienten besteht ein Risiko für Calciumphosphatsteine.
  • Patienten mit Calciumoxalatsteinen und Calciumphosphat werden häufig mit Citrat behandelt, um Urincitrat (einen natürlichen Inhibitor von Calciumoxalat und das Wachstum von Calciumphosphatkristallen) zu erhöhen.

Da Citrat jedoch zu Bicarbonat (einer Base) metabolisiert wird, kann dieses Medikament auch den pH-Wert des Urins erhöhen. Wenn der pH-Wert des Urins bei der Citratbehandlung zu hoch ist, kann das Risiko von Calciumphosphatsteinen unbeabsichtigt erhöht werden.

Die Überwachung von Ammoniumharn ist eine Möglichkeit, die Citratdosis zu titrieren und dieses Problem zu vermeiden. Eine gute Initialzitratdosis entspricht ungefähr der Hälfte der Ammoniumausscheidung im Urin (jeweils in mÄq).

Sie können die Wirkung dieser Dosis auf die Ammonium-, Citrat- und pH-Werte des Urins überwachen und die Citratdosis basierend auf der Reaktion anpassen. Ein Abfall des Ammoniaks im Urin sollte anzeigen, ob das derzeitige Citrat ausreicht, um der täglichen Säurebelastung des betreffenden Patienten teilweise (aber nicht vollständig) entgegenzuwirken.