Print this chapterPrint this chapter

§ 37. Аммиак

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.