"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Аммиак NH₃ — водородное соединение азота и важное сырьё для производства удобрений, азотной кислоты и других веществ. Его молекула полярная и имеет неподелённую электронную пару, поэтому аммиак присоединяет протон и реагирует с кислотами. В воде он обратимо образует ионы аммония и гидроксид-ионы, из-за которых раствор имеет щелочную среду. Чтобы понять свойства аммиака, полезно связать строение молекулы с её реакциями и способами получения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аммиак — водородное соединение азота с формулой NH₃: в каждой его молекуле один атом азота и три атома водорода. Это одно из простейших соединений азота с водородом; его относительная молекулярная масса равна 17. Формула нужна, чтобы точно описывать состав вещества и рассчитывать количества реагентов.
Ион аммония — частица NH₄⁺, состоящая из атома азота и четырёх атомов водорода и имеющая заряд +1. Она образуется, когда молекула аммиака присоединяет протон H⁺. Это различие помогает понимать реакции аммиака и записывать состав солей.
Аммонийные соли — вещества, содержащие катион NH₄⁺ и отрицательно заряженный ион кислотного остатка. Примеры: NH₄Cl — хлорид аммония, NH₄NO₃ — нитрат аммония, (NH₄)₂SO₄ — сульфат аммония. В формуле такой соли ищут группу NH₄; индекс показывает, сколько катионов нужно для уравновешивания зарядов.
Аммиачная вода — водный раствор аммиака. Его среда щелочная, потому что при взаимодействии NH₃ с водой возникают гидроксид-ионы OH⁻. Раствор не следует представлять как воду с растворённой щёлочью: OH⁻ образуются в обратимой реакции аммиака с водой.
У атома азота в молекуле NH₃ три неспаренных электрона, которыми он образует три ковалентные связи с атомами водорода; ещё одна электронная пара остаётся неподелённой. Она отталкивает связывающие пары, поэтому молекула имеет форму треугольной пирамиды, а не плоского треугольника. Азот притягивает общие электронные пары сильнее водорода, поэтому связи полярны. Неподелённая пара помогает объяснить, почему аммиак способен присоединять протон.
При обычных условиях аммиак — бесцветный газ с резким характерным запахом. Его молекула имеет меньшую молярную массу, чем молекула воздуха в среднем, поэтому газ легче воздуха. Полярность молекул NH₃ и способность взаимодействовать с водой объясняют высокую растворимость аммиака в воде. Запах нельзя проверять непосредственным вдыханием: даже небольшое количество газа раздражает дыхательные пути.
При растворении часть молекул аммиака передаёт неподелённую электронную пару протону, который отщепился от молекулы воды. Образуются ионы аммония и гидроксид-ионы: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. Двойная стрелка показывает, что реакция обратима и в растворе одновременно идут прямой и обратный процессы. Наличие OH⁻ объясняет основные свойства аммиачной воды, хотя отдельного гидроксида натрия в ней нет.
Кислоты содержат ионы водорода H⁺, а молекула NH₃ может присоединить такой протон благодаря неподелённой паре азота. Так образуется катион NH₄⁺, который соединяется с анионом кислоты и даёт аммонийную соль. Например, NH₃ + HCl → NH₄Cl; продукт — хлорид аммония. В реакции с серной кислотой при полном замещении двух атомов водорода получается (NH₄)₂SO₄: 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄.
В лаборатории аммиак получают нагреванием соли аммония со щёлочью; например, NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. Щёлочь отнимает протон у иона аммония, а нагревание помогает выделить газ. В промышленности азот реагирует с водородом: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Повышенное давление смещает равновесие к аммиаку, поскольку из четырёх объёмов газообразных реагентов образуются два объёма продукта; понижение температуры выгодно выходу, но замедляет реакцию, поэтому применяют компромиссную температуру и катализатор.
Таблица собирает основные сведения в одном месте: от строения частицы до способов получения вещества. Сначала сопоставляйте характеристику с формулой или уравнением, а затем связывайте её с объяснением выше. При проверке реакций следите за коэффициентами и знаком обратимости.
| Характеристика | Сведения об аммиаке |
|---|---|
| Формула и строение молекулы | NH₃; пирамидальная молекула, полярные связи, у азота есть неподелённая электронная пара. |
| Физические свойства | Бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха. |
| Растворение в воде и свойства раствора | Хорошо растворяется; NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻, раствор имеет щелочную среду. |
| Реакция с кислотами | Образуются аммонийные соли: NH₃ + HCl → NH₄Cl. |
| Получение в лаборатории | Нагревание соли аммония со щёлочью: NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O. |
| Получение в промышленности | N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃; повышенное давление, подходящая температура, катализатор. |
Задача 1. Запишите формулу аммиака и рассчитайте относительную молекулярную массу NH₃. Сначала определим число атомов каждого элемента по формуле: один атом азота и три атома водорода. Затем сложим относительные атомные массы, учитывая, что масса всей молекулы равна сумме масс её атомов. Для расчёта используем Ar(N) = 14 и Ar(H) = 1.
Ответ: формула аммиака — NH₃, относительная молекулярная масса — 17.
Задача 2. Запишите уравнение реакции аммиака с хлороводородом и назовите продукт. Аммиак принимает протон H⁺ от HCl, образуя NH₄⁺. Оставшийся ион Cl⁻ соединяется с ним, поэтому получается нейтральная соль. Проверим, что по обе стороны уравнения одинаковое число атомов азота, водорода и хлора.
Ответ: NH₃ + HCl → NH₄Cl, образуется хлорид аммония.
Задача 3. Вычислите объём аммиака при н. у., необходимый для получения 10,7 г NH₄Cl при реакции с избытком HCl. Избыток кислоты означает, что весь аммиак может прореагировать, а количество продукта задаёт требуемое количество газа. Сначала найдём количество соли по её молярной массе, затем воспользуемся соотношением коэффициентов реакции. При н. у. один моль газа занимает 22,4 л.
Ответ: для получения 10,7 г хлорида аммония потребуется 4,48 л аммиака при н. у.
Нельзя считать NH₃ и NH₄⁺ одной частицей: первая — нейтральная молекула, вторая — положительный ион с дополнительным атомом водорода. Путаница возникает из-за похожих обозначений, но верхний знак «+» и число атомов сразу показывают различие. Проверьте и суммарный заряд: у NH₃ он нулевой, у NH₄⁺ равен +1.
Растворение аммиака в воде иногда записывают как полное превращение всех молекул в ионы. Это неверно: реакция обратима, поэтому используют знак равновесия ⇌, а в растворе присутствуют разные частицы. Проверьте запись по смыслу: обратная стрелка означает, что процесс может идти в обоих направлениях.
Щелочную среду аммиачной воды можно ошибочно объяснять присутствием растворённого гидроксида натрия. Но раствор получают из аммиака и воды, а OH⁻ возникают в реакции NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. Для самопроверки проследите, откуда взялись ионы и какие вещества были исходными.
В промышленном уравнении синтеза иногда забывают коэффициенты или знак обратимости: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Без коэффициентов не сохраняется число атомов азота и водорода; без обратной стрелки теряется смысл химического равновесия. Проверьте баланс атомов и помните, что азот реагирует с водородом обратимо.
Для понимания аммиака нужны знания о строении атома азота, ковалентной связи и валентности: они позволяют объяснить формулу NH₃ и устройство молекулы. Навыки составления формул пригодятся при записи солей аммония, а знания о кислотах, основаниях и ионах — при разборе их реакций. Ион NH₄⁺ также важен для качественных реакций, с помощью которых распознают вещества. Синтез аммиака связывает тему с химическим равновесием, скоростью реакций и промышленным производством.
Почему аммиак хорошо растворяется в воде?
Молекула NH₃ полярная, поэтому она притягивается к полярным молекулам воды. Кроме того, аммиак взаимодействует с водой с образованием ионов NH₄⁺ и OH⁻, что способствует растворению.
Почему раствор аммиака имеет щелочную среду?
При взаимодействии аммиака с водой часть молекул принимает протоны и образует ионы NH₄⁺ и OH⁻. Именно гидроксид-ионы сообщают раствору щелочные свойства.
Чем молекула аммиака отличается от иона аммония?
NH₃ — нейтральная молекула из одного атома азота и трёх атомов водорода. NH₄⁺ — положительно заряженный ион, в котором к азоту присоединены четыре атома водорода.
Как распознать аммонийную соль по формуле?
В формуле аммонийной соли есть катион NH₄⁺ и анион кислотного остатка. Например, NH₄Cl — хлорид аммония, а (NH₄)₂SO₄ — сульфат аммония.
Почему для промышленного синтеза аммиака важны давление и температура?
Синтез обратим, а из четырёх объёмов газов-реагентов получается два объёма аммиака, поэтому высокое давление смещает равновесие к продукту. Понижение температуры также выгодно равновесию, но замедляет реакцию, поэтому используют компромиссную температуру и катализатор.
§ 29. Аммиак
