§ 17. Аммиак. Соли аммония

Определения и обозначения

Аммиак NH₃ — вещество, состоящее из одного атома азота и трёх атомов водорода. При обычных условиях это бесцветный газ с резким характерным запахом. Формула нужна, чтобы понимать состав вещества и правильно составлять уравнения его реакций.

Ион аммония NH₄⁺ образуется, когда молекула аммиака присоединяет протон H⁺. В результате в частице становится на один атом водорода больше, а её заряд равен +1. Это обозначение помогает отличать аммоний от нейтрального аммиака и составлять формулы солей.

Соли аммония — ионные соединения, в состав которых входят катион NH₄⁺ и анион кислотного остатка. Например, NH₄Cl состоит из ионов NH₄⁺ и Cl⁻, а (NH₄)₂SO₄ — из ионов NH₄⁺ и SO₄²⁻. По составу и свойствам такие вещества относят к солям.

Аммонийные удобрения — удобрения, содержащие азот в составе солей аммония. Азот необходим растениям для образования белков и других важных веществ. Поэтому соли аммония используют как источник доступного для растений азота.

Как это устроено

В молекуле NH₃ атом азота образует три ковалентные связи с водородом, а одна пара его внешних электронов остаётся неподелённой. Эта пара может участвовать в образовании новой связи с протоном H⁺. Поэтому аммиак является акцептором протона: присоединяя H⁺, он превращается в NH₄⁺.

Аммиак хорошо растворяется в воде по двум причинам. Его молекулы полярны и притягиваются к полярным молекулам воды, а часть NH₃ вступает с водой в обратимую реакцию. Устанавливается равновесие NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻, поэтому раствор содержит все четыре частицы: NH₃, H₂O, NH₄⁺ и OH⁻.

Наличие ионов OH⁻ объясняет основные свойства водного раствора аммиака. Раствор изменяет окраску индикаторов: красный лакмус становится синим, а фенолфталеин приобретает малиновую окраску. Основные свойства выражены слабее, чем у сильных щелочей, потому что реакция аммиака с водой обратима и проходит не полностью.

С кислотами аммиак реагирует как основание, присоединяя протон. Соляная кислота даёт хлорид аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. С серной кислотой образуется сульфат аммония: 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄; два катиона NH₄⁺ нужны для уравнивания заряда сульфат-иона SO₄²⁻.

Соли аммония похожи на другие соли: они состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов и могут вступать в реакции обмена. Общая качественная реакция связана с ионом NH₄⁺: при добавлении щёлочи и нагревании выделяется аммиак. Сокращённое ионное уравнение имеет вид NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O.

Аммиак и соли аммония: состав и характерные свойства

Сначала по таблице определите, идёт ли речь о молекулярном аммиаке или о соли с ионом NH₄⁺. Затем сопоставьте признак с нужным свойством: для аммиака важны растворение и основные свойства, а для солей — состав и реакция со щёлочью. Формулы солей проверяйте по электронейтральности: сумма положительных и отрицательных зарядов должна быть равна нулю.

Разбор задач

1. Реакции аммиака с кислотами

Условие: составьте уравнения реакций аммиака с соляной и серной кислотами. Нужно определить, сколько частиц NH₄⁺ образуется и какой кислотный остаток входит в соль.

1. Соляная кислота содержит один протон и однозарядный остаток Cl⁻. Одна молекула NH₃ присоединяет один H⁺, поэтому уравнение: NH₃ + HCl → NH₄Cl.
2. Серная кислота даёт остаток SO₄²⁻. Для нейтрализации его заряда нужны два иона NH₄⁺, поэтому две молекулы аммиака реагируют с одной молекулой H₂SO₄: 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄.

Ответ: NH₃ + HCl → NH₄Cl; 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄.

2. Определение иона аммония

Условие: к раствору соли добавили щёлочь и нагрели. Выделился газ с резким запахом, который синеет влажную красную лакмусовую бумагу. Требуется определить ион и записать сокращённое ионное уравнение.

1. Посинение красного лакмуса и резкий запах указывают на аммиак NH₃.
2. Аммиак выделяется при действии OH⁻ на ион аммония, значит, неизвестная соль содержала NH₄⁺.
3. Записываем процесс без ионов-наблюдателей: NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O.

Ответ: обнаружен ион NH₄⁺; сокращённое ионное уравнение — NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O.

3. Расчёт объёма аммиака

Условие: какой объём NH₃ при нормальных условиях нужен для получения 10,7 г NH₄Cl при избытке HCl? Используем реакцию NH₃ + HCl → NH₄Cl и молярный объём газа 22,4 л/моль.

1. Молярная масса NH₄Cl равна 14 + 4 · 1 + 35,5 = 53,5 г/моль.
2. Количество вещества соли: n(NH₄Cl) = 10,7 / 53,5 = 0,2 моль.
3. По уравнению реакции NH₃ и NH₄Cl соотносятся как 1:1, поэтому n(NH₃) = 0,2 моль.
4. Объём аммиака: V = n · Vₘ = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.

Ответ: потребуется 4,48 л аммиака.

Типичные ошибки

Считать раствор аммиака сильной щёлочью. Так ошибаются, потому что раствор аммиака меняет цвет индикаторов, как щёлочи. Проверьте себя по уравнению равновесия: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻, реакция идёт не полностью.

Путать NH₃ и NH₄⁺. У аммиака три атома водорода и нет заряда, а у иона аммония четыре атома водорода и заряд +1. При проверке пересчитайте атомы и обязательно посмотрите на верхний индекс заряда.

Записывать качественную реакцию без щёлочи или нагревания. Один нагрев не превращает соль аммония в аммиак, а без OH⁻ ион NH₄⁺ не отдаёт его в нужной реакции. Проверьте наличие обоих условий: щёлочь и нагревание.

Неверно составлять формулы солей аммония. Ошибка возникает, если не учитывать заряд кислотного остатка: например, для SO₄²⁻ нужны два иона NH₄⁺. Сложите заряды всех ионов и убедитесь, что итог равен нулю.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, ковалентной связи, ионах, валентности и формулах солей. Неподелённая электронная пара азота объясняет способность NH₃ присоединять протон. Заряды ионов помогают правильно составлять формулы веществ.

Аммиак связан с темами кислот и оснований, обменных реакций и качественного анализа. Его реакция с водой показывает образование OH⁻, а взаимодействие солей аммония со щёлочами служит примером ионной реакции. Эти знания позволяют распознавать вещества в растворах.

Соли аммония применяют в азотных удобрениях, поэтому тема продолжает изучение соединений азота. Она также связана с круговоротом азота в природе и промышленным получением веществ. Понимание свойств NH₃ помогает объяснить практическое использование аммиака.

Что запомнить

• Формула аммиака — NH₃.
• Молекула аммиака способна присоединять протон и образовывать ион NH₄⁺.
• В воде аммиак проявляет слабые основные свойства.
• При реакции аммиака с кислотами образуются соли аммония.
• Для обнаружения NH₄⁺ к веществу добавляют щёлочь и нагревают.
• При качественной реакции выделяется аммиак, который распознают по характерным свойствам.