Print bookPrint book

§ 37. Аммиак

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 37. Аммиак
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 18 May 2024, 3:05 AM

Водородное соединение азота аммиак — вещество молекулярного строения. Его структурная формула img. В молекуле аммиака, как указано в § 13, имеются три одинарные ковалентные полярные связи, образованные по обменному механизму. Электронная плотность смещена к атому азота, у которого имеется неподелённая пара s-электронов. Поэтому молекула аммиака полярна и имеет конфигурацию тригональной пирамиды (рис. 89).

img
Рис. 89. Пространственная и структурная формулы, масштабная и шаростержневая модели молекулы аммиака

Взаимное отталкивание атомов водорода приводит к увеличению валентного угла между направлениями ковалентных связей N—H от 90° до 107°.

ul

Строение молекулы аммиака. Форма пирамиды в молекуле аммиака и валентный угол 107° при её вершине объясняются образованием связей между гибридными орбиталями атома азота и s-орбиталями атома водорода.

Согласно концепции гибридизации, в образовании ковалентных связей участвуют не исходные валентные три 2p-орбитали внешнего электронного уровня атома азота, а три из четырёх sp3-гибридных орбиталей, схема образования которых показана на рисунке 89.1(а–г).

img
Рис. 89.1. Схема образования ковалентных связей в молекуле аммиака

Неподелённая электронная пара четвёртой гибридной орбитали обладает незначительной отталкивающей силой, что объясняет уменьшение валентного угла H—N—H со 109,5° до 107. Расположение трёх ковалентных полярных связей под углом приводит к асимметричному распределению электронной плотности, то есть к полярности молекулы:

img
Рис. 90. Водородные связи: а — в жидком аммиаке, б — в водном растворе аммиака

Физические свойства. Аммиак — бесцветный газ (н. у.) с характерным резким запахом (запах нашатырного спирта). Он хорошо растворяется в воде: при 20 °С в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов аммиака (сравним: О2 — 0,03, SO2 — 40, НСl — 400 объёмов). Температура кипения аммиака довольно высокая и составляет –33 °С. При небольшом давлении этот газ легко сжижается. Температура плавления — –78 °С, ниже её аммиак существует в виде бесцветных кристаллов. Высокая температура кипения и растворимость в воде обусловлены наличием значительного межмолекулярного взаимодействия, то есть образованием водородных связей как между самими молекулами аммиака (в твёрдом и жидком состояниях), так и между молекулами воды и аммиака (в водном растворе) (рис. 90).

Получение аммиака. Аммиак является одним из ключевых продуктов химической промышленности. Его мировое производство растёт вместе с глобальным спросом на удобрения и в настоящее время превышает 220 млн тонн в год. В Республике Беларусь его производит ОАО «Гродно Азот» — более 1 млн тонн в год.

В промышленности аммиак синтезируют из азота и водорода. Реакция экзотермическая и обратимая, катализатором служит железо, оптимальная температура синтеза — 420–450°С, давление — 30–100 МПа:

3 straight H subscript 2 space plus space straight N subscript 2 space stack not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow space with t comma space Fe comma space p on top 2 NH subscript 3 space plus space Q.

img
Рис. 91. Получение аммиака в лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории нагревают смесь двух твёрдых веществ — хлорида аммония NH4Cl и гидроксида кальция Са(ОН)2 (рис. 91):

2 NH subscript 4 Cl space plus space Ca left parenthesis OH right parenthesis subscript 2 stack space equals space with t on top 2 NH subscript 3 not stretchy upwards arrow space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space plus space CaCl subscript 2.

Химические свойства. Для аммиака характерны реакции, протекающие как без изменения степени окисления азота, так и окислительно-восстановительные. В первом случае основную роль играет неподелённая электронная пара атома азота. За счёт её образуются новые ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. С другой стороны, наличие атома азота в низшей степени окисления ‒3 обусловливает реакции только с повышением степени окисления. Это означает, что аммиак проявляет свойства восстановителя.

I. Реакции без изменения степени окисления протекают, если аммиак взаимодействует с водой и кислотами. При этом аммиак проявляет основные свойства.

Растворение аммиака в воде приводит к образованию гидрата аммиака NH3 · H2O — слабого основания (рис. 92).

NH subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space NH subscript 3 space bold times bold space straight H subscript 2 straight O semicolon space
NH subscript 3 space bold times space straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space NH subscript 4 superscript plus space plus space ОН to the power of ‒.

img
Рис. 92. Растворение аммиака в воде: а — через капилляр — «фонтан», б — в пробирке

Водные растворы аммиака имеют щелочную среду (рН > 7) и окрашиваются фенолфталеином в малиновый цвет.

Взаимодействие аммиака с кислотами:

NH subscript 3 space plus stack space HCl space equals space NH subscript 4 Cl semicolon with space хлорид space аммония below
NH subscript 3 space plus stack space straight H subscript 2 SO subscript 4 space equals space NH subscript 4 HSO subscript 4 semicolon with гидросульфат space аммония space space space space space space space space space space space space space below
2 NH subscript 3 space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 stack space equals space left parenthesis NH subscript 4 right parenthesis subscript 2 SO subscript 4. with space сульфат space аммония below

II. Реакции с изменением степени окисления атома азота. Это реакции аммиака как восстановителя. Восстановительные свойства аммиак проявляет в реакциях с кислородом. Состав продуктов зависит от условий проведения реакции. В чистом кислороде и на воздухе он сгорает при нагревании (в смесях — взрывается) с образованием азота и воды, а в присутствии катализаторов (платины, оксидов железа(III) и хрома(III)) образуются оксид азота(II) и вода:

stack 4 straight N with negative 3 on top straight H subscript 3 space plus space 3 straight O subscript 2 stack space equals space with t on top 2 straight N with 0 on top subscript 2 space end subscript plus space 6 straight H subscript 2 straight O semicolon
stack 4 straight N with negative 3 on top straight H subscript 3 space plus space 5 straight O subscript 2 stack space equals space space with t comma space Pt on top stack 4 straight N with plus 2 on top straight О space plus space 6 straight H subscript 2 straight O.

Реакция каталитического окисления аммиака важна как этап его переработки в азотную кислоту.

Соли аммония

Реакции аммиака с кислотами позволяют получить разнообразные соли аммония.

Соли аммония представляют собой твёрдые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Их растворы являются сильными электролитами, диссоциирующими с образованием катиона аммония и аниона кислотного остатка:

left parenthesis NH subscript 4 right parenthesis subscript 2 SO subscript 4 space rightwards arrow space 2 NH subscript 4 superscript plus space plus space SO subscript 4 superscript 2 minus end superscript semicolon
NH subscript 4 Cl space rightwards arrow space NH subscript 4 superscript plus space end superscript plus space Cl to the power of ‒.

Важнейшей особенностью солей аммония является взаимодействие со щелочами с выделением аммиака:

NH subscript 4 Cl space plus space NaOH space equals with t on top space NaCl space plus space NH subscript 3 not stretchy upwards arrow plus space straight H subscript 2 straight O semicolon
NH subscript 4 superscript plus space plus space OH to the power of – space equals with t on top space NH subscript 3 not stretchy upwards arrow space plus space straight H subscript 2 straight O.

img
Рис. 93. Определение иона аммония

Взаимодействие солей аммония со щелочами при нагревании используют для обнаружения ионов аммония (качественная реакция на ион NH subscript 4 superscript minus). Для этого к нагреваемой смеси подносят влажную индикаторную бумажку. В присутствии аммиака фенолфталеиновая бумага становится малиновой, лакмусовая — синей (рис. 93, Приложение 3).

ul

Второй особенностью солей аммония является их термическая неустойчивость. Разложение каждой из солей аммония специфично. Так, широко используемые в качестве разрыхлителей для теста карбонат и гидрокарбонат аммония (пищевая добавка Е503) разлагаются уже при небольшом нагревании с образованием аммиака, углекислого газа и воды:

(NH4)2СO3 equals with t on top 2NH3 + СО2 + Н2О;

NH4НСO3 equals with t on top NH3 + СО2 + Н2О.

Хлорид аммония разлагается на аммиак и хлороводород:

NH4Cl equals with t on top NH3 + HCl.

Применение аммиака и солей аммония. Основная часть производимого аммиака идёт на производство удобрений (аммиачная селитра NH4NO3, сульфат аммония (NH4)2SO4, мочевина (NH2)2СO и др.) и азотной кислоты. Аммиак востребован в производстве соды, красителей, полимеров. Его используют в животноводстве для повышения содержания азота в кормах. Аммиачную воду (18–25%-ный водный раствор) применяют как жидкое удобрение. Нашатырный спирт (водный раствор аммиака с массовой долей 3–10 %) используют в медицине. В быту нашатырный спирт применяют для выведения пятен с одежды, при чистке посуды, сантехники, ювелирных украшений, для мытья стёкол и хрусталя.

img

Не следует путать нашатырный спирт (NH3 H2O) с нашатырём — солью и минералом состава NH4Cl.

Нашатырь применяют в качестве удобрения на нейтральных и щелочных почвах, используют как флюс для удаления оксидной плёнки при пайке металлов, в гальванических элементах как компонент электролита (рис. 94), карбонат и гидрокарбонат аммония используют в качестве разрыхлителей для теста при выпечке.

img
Рис. 94. Нашатырь NH4Cl: а — порошок, б — кристаллы

Аммиак NH3 проявляет свойства восстановителя в реакциях с кислородом и другими окислителями. Водный раствор аммиака является слабым основанием.

Аммиак получают в промышленности синтезом из водорода и азота, в лаборатории — из хлорида аммония и гашёной извести.

Важнейшие области применения аммиака — производство удобрений и азотной кислоты.

Соли аммония обнаруживают по выделению аммиака при нагревании их со щёлочью.

Вопросы, задания, задачи

1. Из приведённого ряда выпишите формулы:

  • а) водородных соединений элементов VА-группы;
  • б) нелетучих водородных соединений: NH3, NаH, СН4, LiH, РH3, AsH3, СаН2.

2. Укажите агрегатное состояние аммиака при давлении 101,325 кПа в следующих температурных интервалах:

  • а) от ‒33 °С до –80 °С;
  • б) от ‒5 °С до +80 °С;
  • в) от ‒50 °С до –70 °С;
  • г) от ‒25 °С до +25 °С.

3. Определите относительную плотность аммиака по водороду и воздуху. По отношению к какому из указанных газов аммиак легче?

4. Нарисуйте схемы образования водородных связей:

  • а) в жидком аммиаке;
  • б) между молекулами воды;
  • в) в растворе аммиака в воде.

Почему аммиак нельзя собирать методом вытеснения воды?

5. Перечислите условия синтеза аммиака в промышленности. Запишите уравнение этой реакции. Почему синтез ведут при высоком давлении?

6. Рассчитайте объём (н. у.) аммиака, выделившегося в реакции хлорида аммония массой 5,35 г с достаточным количеством гидроксида кальция.

7. Определите химическую формулу соединения, в котором массовые доли азота, водорода, серы и кислорода соответственно равны 12,17 %, 4,35 %, 27,83 %, 55,65 %.

8. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

  • а) begin mathsize 14px style straight N subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 1 on top NH subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 2 on top NH subscript 4 NO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with NaOH on top horizontal ellipsis not stretchy rightwards arrow with 4 on top left parenthesis NH subscript 4 right parenthesis subscript 2 SO subscript 4 semicolon end style
  • б) begin mathsize 14px style straight Н subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 1 on top NH subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 2 on top NH subscript 4 Cl not stretchy rightwards arrow with KOH on top space horizontal ellipsis not stretchy rightwards arrow with 4 on top NH subscript 4 HSO subscript 4. end style.

9. В четыре пробирки с растворами солей добавили раствор гидроксида натрия.

В первой пробирке выпал белый осадок, в третьей — голубой. Во второй и четвёртой видимых изменений не наблюдали, поэтому их подогрели и к отверстиям поднесли влажную фенолфталеиновую бумагу. При этом бумага стала малиновой над четвёртой пробиркой. Назовите содержимое каждой пробирки, если для определения были предложены соли:

  • а) нитрат натрия, нитрат аммония, нитрат меди(II), нитрат магния;
  • б) хлорид аммония, хлорид калия, сульфат меди(II), хлорид кальция.

Напишите уравнения соответствующих реакций.

10. Молярная масса газовой смеси, состоящей из аммиака и водорода, равна 14 г/моль. Определите объёмную долю аммиака в смеси.

*Самоконтроль

1. Для аммиака справедливы утверждения:

  • а) газ без запаха;
  • б) хорошо растворяется в воде;
  • в) легче воздуха;
  • г) состоит из полярных молекул.

2. Азот проявляет степень окисления −3 в соединениях:

  • а) N2O3;
  • б) NH3;
  • в) N2;
  • г) NH4Cl.

3. Аммиак образуется в реакциях, схемы которых:

  • а) NH3 + O2 →;
  • б) N2 + H2 →;
  • в) NH4Cl + NaOH →;
  • г) NH4Cl + АgNO3 →.

4. Уравнение качественной реакции на ион аммония:

  • а) Ag+ + Cl = AgCl↓;
  • б) NH3 + H+ = begin mathsize 14px style NH subscript 4 superscript plus end style;
  • в) begin mathsize 14px style NH subscript 4 superscript plus end style + OH equals with t on top NH3↑ + H2O;
  • г) Ag+ + I = AgI↓.

5. Как основание аммиак реагирует с:

  • а) O2;
  • б) HCl;
  • в) H3РO4;
  • г) Сl2.