§ 30. Соли аммония

Определения и обозначения

Ион аммония — сложный катион с формулой NH₄⁺ и зарядом +1. Он состоит из одного атома азота и четырёх атомов водорода и по некоторым свойствам напоминает катионы щелочных металлов. В отличие от атома азота или молекулы аммиака NH₃, это положительно заряженная частица. Знание его формулы помогает распознавать соли аммония и правильно составлять их формулы.

Соли аммония — ионные соединения, содержащие катион NH₄⁺ и анион кислотного остатка. Например, в NH₄Cl катион NH₄⁺ соединён с хлорид-ионом Cl⁻, а в (NH₄)₂SO₄ — с сульфат-ионом SO₄²⁻. Число катионов выбирают так, чтобы суммарный заряд формульной единицы был равен нулю. Это определение помогает отличить соль аммония от других солей.

Качественная реакция на ион аммония — взаимодействие соли аммония со щёлочью, при котором выделяется аммиак. Качественной называют реакцию, позволяющую обнаружить определённое вещество или ион по характерному результату. В данном случае NH₃ выделяется в виде газа и изменяет цвет влажной индикаторной бумаги. Такая проверка нужна для распознавания NH₄⁺ в неизвестном образце.

Аммонийные удобрения — соли аммония, которые применяют в сельском хозяйстве для снабжения растений соединениями азота. К ним относятся, например, сульфат аммония и хлорид аммония. Азот нужен растениям для построения белков и других важных веществ. Название удобрения само по себе не показывает, сколько в нём азота, поэтому учитывают его состав.

Как это устроено

Молекула аммиака NH₃ может присоединить ион водорода H⁺, который отдаёт кислота. Так появляется катион NH₄⁺, а отрицательный ион кислоты становится его партнёром в соли. Например, при взаимодействии аммиака с хлороводородом образуется NH₄Cl. Поскольку аммиак принимает протон, формулы образовавшихся солей содержат именно NH₄⁺, а не NH₃.

В твёрдом состоянии соль аммония состоит из положительных и отрицательных ионов, удерживаемых электрическим притяжением. При растворении в воде её частицы отделяются друг от друга и переходят в раствор. Поэтому, например, NH₄Cl распадается на NH₄⁺ и Cl⁻, а (NH₄)₂SO₄ — на 2NH₄⁺ и SO₄²⁻. Раствор проводит электрический ток благодаря подвижным заряженным частицам и поэтому соль относят к электролитам.

Щёлочь содержит гидроксид-ионы OH⁻, которые реагируют с ионами аммония. В результате атомы водорода из NH₄⁺ вместе с OH⁻ образуют воду, а оставшаяся частица превращается в аммиак: NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O. Аммиак покидает раствор в виде газа, поэтому реакция позволяет обнаружить ион аммония. Для соли и щёлочи также можно записать молекулярное уравнение, например NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O.

Аммиак узнают по резкому запаху и щелочным свойствам, но намеренно вдыхать газ нельзя. Для безопасной проверки к отверстию пробирки подносят влажную красную лакмусовую бумагу: аммиак растворяется в воде на её поверхности и создаёт щелочную среду, поэтому бумага синеет. Запах может служить дополнительным признаком, но не должен быть единственным способом проверки. Газ направляют к бумаге осторожно, не наклоняясь над сосудом.

При нагревании соли аммония могут разлагаться, потому что тепловой энергии становится достаточно для превращения ионов и молекул в новые вещества. Набор продуктов зависит от кислотного остатка: NH₄Cl ⇌ NH₃↑ + HCl↑, а NH₄HCO₃ → NH₃↑ + CO₂↑ + H₂O. В первом случае при охлаждении аммиак и хлороводород могут снова образовать твёрдый хлорид аммония. Поэтому нельзя считать, что все соли аммония при нагревании дают одинаковый газ или одну и ту же смесь продуктов.

В сельском хозяйстве используют, в частности, сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ и хлорид аммония NH₄Cl. Их объединяет наличие азота в составе: после растворения удобрения ионы аммония могут усваиваться растениями. Доля азота в разных солях неодинакова, так как зависит от молярной массы и от того, сколько атомов азота приходится на формулу вещества. Поэтому при выборе и внесении удобрения учитывают его состав, потребность растений и состояние почвы.

Состав, свойства и применение солей аммония

Сначала по формуле проверьте, есть ли в веществе катион NH₄⁺, затем сопоставьте его с кислотным остатком. Строки о реакциях помогают связать уравнение с наблюдаемым признаком, а строка о разложении показывает, почему состав продуктов может меняться. Последняя строка напоминает, что удобрения различаются составом, хотя все перечисленные соли содержат азот.

Разбор задач

1. Как распознать соли аммония по формулам

Условие. Определите, какие из веществ NH₄Cl, Na₂SO₄, (NH₄)₂CO₃ и Ca(NO₃)₂ являются солями аммония, и назовите их ионы. Проверяем не наличие азота вообще, а наличие целой группы NH₄ с зарядом +1. Затем определяем отрицательный ион, который уравновешивает заряд катиона. Такой порядок не позволяет принять за соль аммония любую формулу с атомом азота.

1. Ищем обозначение NH₄ в каждой формуле: оно есть у NH₄Cl и (NH₄)₂CO₃. Значит, именно эти вещества относятся к солям аммония.
2. Разбираем NH₄Cl: в нём находятся ионы NH₄⁺ и Cl⁻. Их заряды +1 и −1 взаимно компенсируются.
3. В (NH₄)₂CO₃ находятся два иона NH₄⁺ и один карбонат-ион CO₃²⁻. Два положительных заряда уравновешивают заряд −2.

Ответ: соли аммония — NH₄Cl и (NH₄)₂CO₃; их ионы — NH₄⁺, Cl⁻, а также NH₄⁺ и CO₃²⁻ соответственно. Na₂SO₄ и Ca(NO₃)₂ — соли натрия и кальция.

2. Реакция хлорида аммония со щёлочью

Условие. Запишите уравнение реакции NH₄Cl с NaOH в молекулярной и сокращённой ионной формах и укажите, как обнаружить газ. Сначала определяем характерное изменение: катион NH₄⁺ при встрече с OH⁻ образует NH₃ и воду. Ионы Na⁺ и Cl⁻ не меняются и остаются в растворе, поэтому в сокращённом уравнении их не записывают.

1. Записываем молекулярное уравнение: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. Проверяем атомы: коэффициенты перед всеми веществами равны единице.
2. Расписываем растворимые сильные электролиты на ионы и сокращаем одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻ по обе стороны уравнения.
3. Получаем сокращённую ионную форму: NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O. Для обнаружения аммиака подносим к отверстию сосуда влажную красную лакмусовую бумагу — она синеет.

Ответ: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O; NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O. Аммиак не следует проверять прямым вдыханием.

3. Расчёт объёма аммиака

Условие. Пусть требуется определить объём NH₃, который получится из m граммов NH₄Cl при действии избытка NaOH. Числовое значение массы в задаче не задано, поэтому результат удобно записать через m. Уравнение показывает соотношение 1:1: из одного моля NH₄Cl образуется один моль NH₃. Считаем, что газ измеряют при нормальных условиях, где молярный объём равен 22,4 л/моль.

1. Записываем реакцию: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. Проверяем, что щёлочь взята в избытке, а коэффициенты NH₄Cl и NH₃ равны.
2. Находим молярную массу NH₄Cl: M = 14 + 4·1 + 35,5 = 53,5 г/моль. Количество соли n(NH₄Cl) = m/53,5 моль.
3. По коэффициентам n(NH₃) = n(NH₄Cl). Тогда объём V(NH₃) = 22,4·m/53,5 л при нормальных условиях.

Ответ: V(NH₃) = 22,4·m/53,5 л. Если вместо действия щёлочи рассматривают нагревание другой соли аммония, сначала записывают именно её уравнение разложения и заново используют коэффициенты: соотношение количества соли и аммиака может отличаться.

Типичные ошибки

Пишут формулу аммиака вместо иона аммония или забывают заряд: NH₃ — нейтральная молекула, а NH₄⁺ — катион. Путаница возникает из-за похожих обозначений и общего атома азота. Проверьте число атомов водорода и наличие знака «+»; при записи соли заряд катиона должен учитываться.

Неверно составляют формулу соли, не уравнивая заряды частиц, например записывают сульфат аммония как NH₄SO₄. Вероятно, при этом не замечают заряд SO₄²⁻. Самопроверка проста: в (NH₄)₂SO₄ два катиона с суммарным зарядом +2 компенсируют заряд аниона −2.

Считают запах аммиака достаточным доказательством его присутствия или намеренно подносят газ к носу. Резкий запах действительно характерен, но прямое вдыхание опасно и не даёт надёжной проверки. Используйте влажную красную лакмусовую бумагу и соблюдайте осторожность при работе с газом.

Записывают реакцию со щёлочью как обычный обмен, забывая аммиак и воду, либо не указывают, что газ выделяется. Это происходит, если не учитывать, что NH₄⁺ и OH⁻ превращаются в NH₃ и H₂O. Проверьте сокращённое ионное уравнение NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O, а затем восстановите ионы, не участвующие в реакции.

Связь с другими темами

Для понимания солей аммония нужно знать свойства аммиака: именно его молекула присоединяет ион водорода и образует NH₄⁺. При изучении темы также пригодятся электролитическая диссоциация, ионный обмен и правила составления формул солей с учётом зарядов. Эти знания позволяют переходить от состава вещества к уравнению реакции и её наблюдаемым признакам.

Тема связана с азотными удобрениями, потому что многие соли аммония вносят в почву как источники азота. Качественная реакция на NH₄⁺ применяется в распознавании веществ, а уравнения реакций нужны для расчётов по количеству вещества и объёму газа. Значит, изученные приёмы пригодятся и в химическом анализе, и при решении задач.

Что запомнить

• Соли аммония содержат катион NH₄⁺.
• Аммиак с кислотами образует соли аммония.
• В растворах соли аммония диссоциируют на NH₄⁺ и анион кислотного остатка.
• При действии щёлочи на соль аммония выделяется аммиак.
• Выделение аммиака используют как качественную реакцию на ион NH₄⁺.
• При нагревании соли аммония могут разлагаться, а продукты зависят от кислотного остатка.
• Многие соли аммония применяют как азотные удобрения.