§ 29. Аммиак

Определения и обозначения

Аммиак — вещество с формулой NH₃. Его молекула состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода; при обычных условиях это бесцветный токсичный газ с резким запахом. Знание формулы помогает составлять уравнения реакций и определять состав продуктов.

Аммонийный ион — катион NH₄⁺, который образуется при присоединении протона H⁺ к молекуле аммиака. В отличие от нейтрального NH₃, он имеет положительный заряд. Этот ион входит в состав солей аммония и появляется при взаимодействии аммиака с водой и кислотами.

Аммонийные соли — соли, содержащие катион NH₄⁺, например хлорид аммония NH₄Cl и сульфат аммония (NH₄)₂SO₄. Они образуются, когда аммиак принимает протон у кислоты, а затем соединяется с её кислотным остатком. Такие соли используют, в частности, как азотные удобрения.

Реакция аммиака с водой — обратимое взаимодействие NH₃ с H₂O, при котором возникают ионы NH₄⁺ и OH⁻: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Стрелка ⇄ показывает, что одновременно идут прямая и обратная реакции. Поэтому аммиак относят к слабым основаниям.

Как это устроено

В молекуле NH₃ атом азота образует три ковалентные связи с атомами водорода. У азота остаётся неподелённая электронная пара, которая отталкивает связывающие электронные пары. Поэтому молекула имеет не плоскую, а пирамидальную форму, а распределение зарядов в ней неравномерно. Полярность и свободная электронная пара объясняют многие свойства аммиака.

Аммиак хорошо растворяется в воде, потому что его полярные молекулы притягиваются к полярным молекулам воды. Между ними возникают взаимодействия, а часть молекул NH₃ принимает протоны от воды. Образуются гидратированные ионы NH₄⁺ и OH⁻, поэтому раствор приобретает щелочную реакцию. Поскольку превращение неполное, в растворе остаются и молекулы аммиака.

В промышленности аммиак получают из азота и водорода: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Азот берут из воздуха, а водород получают разными промышленными способами; реакция идёт на железном катализаторе. Повышенное давление увеличивает выход, потому что число молекул газа уменьшается с четырёх до двух. Температуру выбирают как компромисс: нагрев ускоряет реакцию, но слишком высокая температура уменьшает равновесный выход аммиака.

С кислотами аммиак реагирует как основание: его неподелённая электронная пара связывает протон H⁺. Например, при взаимодействии с хлороводородом образуется хлорид аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. В этой реакции нет воды, но происходит передача протона от кислоты к аммиаку. Так получают разные аммонийные соли, используя соответствующие кислоты.

Аммиак распознают по действию его раствора на влажную красную лакмусовую бумагу: она синеет из-за появления OH⁻. При поднесении к аммиаку палочки, смоченной соляной кислотой, появляется белый дым хлорида аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. Запах вещества нельзя проверять прямым вдыханием, поскольку аммиак токсичен и раздражает дыхательные пути. Его свойства используют для производства азотной кислоты, удобрений, взрывчатых веществ и некоторых синтетических материалов.

Аммиак: физические свойства, получение и химические реакции

Таблица помогает быстро сопоставить свойство аммиака с наблюдаемым признаком или уравнением реакции. При решении задач сначала определяйте, о каком процессе идёт речь, а затем выбирайте нужную строку и проверяйте расстановку коэффициентов.

Разбор задач

Задача 1

Условие: запишите формулу аммиака и уравнение его реакции с хлороводородом. Нужно определить, какую частицу принимает аммиак и какая соль получится. Хлороводород содержит ион H⁺ и хлорид-ион Cl⁻.

1. Формула аммиака — NH₃.
2. Молекула NH₃ принимает протон и превращается в NH₄⁺.
3. Катион NH₄⁺ соединяется с Cl⁻, поэтому образуется NH₄Cl.

Ответ: NH₃; NH₃ + HCl → NH₄Cl.

Задача 2

Условие: составьте уравнение реакции аммиака с водой и укажите ионы. Важно показать, что реакция не идёт до конца. Поэтому вместо стрелки в одну сторону используют знак обратимости.

1. Записываем исходные вещества: NH₃ и H₂O.
2. Аммиак принимает протон у воды и становится NH₄⁺, а вода после отдачи протона превращается в OH⁻.
3. Проверяем атомы и заряд: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻; суммарный заряд справа равен нулю.

Ответ: образуются ионы NH₄⁺ и OH⁻; в растворе также остаются молекулы NH₃ и H₂O.

Задача 3

Условие: из 34 г аммиака при выходе 80% найдите объём азота при н. у. Избыток водорода означает, что расчёт ведём по азоту. Используем M(NH₃) = 17 г/моль и V_m = 22,4 л/моль.

1. 34 г — это фактическая масса, составляющая 80% теоретической, поэтому m_теор(NH₃) = 34 / 0,8 = 42,5 г.
2. n(NH₃) = 42,5 / 17 = 2,5 моль.
3. По уравнению N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ на 2 моль NH₃ приходится 1 моль N₂: n(N₂) = 2,5 / 2 = 1,25 моль.
4. V(N₂) = 1,25 · 22,4 = 28 л.

Ответ: объём азота равен 28 л при нормальных условиях.

Типичные ошибки

Полное превращение аммиака в ионы. Иногда считают, что после растворения остаются только NH₄⁺ и OH⁻. Реакция обратима, поэтому проверяйте знак ⇄ и помните о присутствии молекул NH₃.

Неверная формула аммония. Запись NH₃⁺ ошибочна, потому что при присоединении протона к NH₃ добавляется ещё один атом водорода. Самопроверка проста: правильная формула катиона — NH₄⁺.

Путаница между аммиаком и аммонийным ионом. NH₃ — нейтральная молекула, а NH₄⁺ — частица с положительным зарядом. Перед записью реакции определите, какая из них является исходным веществом, а какая продуктом.

Неправильные коэффициенты в синтезе. Нельзя писать N₂ + H₂ → NH₃ без уравнивания атомов. Проверьте соотношение N₂ : H₂ : NH₃ = 1 : 3 : 2: тогда азота и водорода с обеих сторон поровну.

Связь с другими темами

Перед изучением аммиака нужно знать строение атома азота, ковалентную связь и правила составления формул. Это помогает понять неподелённую электронную пару и объяснить образование NH₄⁺.

Свойства аммиака связаны с темами «Азотсодержащие соединения», «Соли» и «Минеральные удобрения». Формулы аммонийных солей позволяют проследить, как свойства аммиака используются в сельском хозяйстве.

Синтез аммиака — пример обратимой реакции и химического равновесия. При его изучении применяют представления о влиянии температуры, давления и катализатора на скорость и выход продукта.

Что запомнить

• Формула аммиака — NH₃.
• Молекула аммиака имеет полярные ковалентные связи.
• Аммиак хорошо растворяется в воде.
• В водном растворе аммиак проявляет основные свойства.
• При реакции с кислотами аммиак образует соли аммония.
• Промышленный способ получения аммиака — взаимодействие азота с водородом.
• Аммиак токсичен, поэтому его запах нельзя проверять прямым вдыханием.