"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Аммиак — соединение азота и водорода с формулой NH₃. Это бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде и проявляющий основные свойства. В лаборатории его получают из аммонийных солей, а промышленно — из азота и водорода. Аммиак нужен для производства азотной кислоты, удобрений и других веществ; знание его реакций помогает распознавать аммонийные соли и выполнять расчёты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аммиак — соединение азота с водородом, формула его молекулы NH₃. В этой молекуле один атом азота связан с тремя атомами водорода; аммиак относится к водородным соединениям азота. Формула помогает отличать его от других веществ, содержащих те же элементы.
Ион аммония — частица NH₄⁺, состоящая из атома азота и четырёх атомов водорода и имеющая заряд +1. Он образуется, когда молекула аммиака присоединяет протон H⁺: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. Это понятие нужно, чтобы понимать состав солей аммония и записывать их формулы.
Аммонийные соли — сложные вещества, в состав которых входит ион NH₄⁺, например хлорид аммония NH₄Cl. Это соли, а не отдельные молекулы аммиака: в воде они распадаются на ионы. Такое различие важно при записи реакций и распознавании состава вещества.
Каталитическое окисление аммиака — его реакция с кислородом при нагревании в присутствии катализатора, вещества, ускоряющего реакцию. При этом аммиак превращается в оксид азота(II) и воду: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O. Реакция важна, в частности, для промышленного получения азотной кислоты.
В молекуле NH₃ атом азота образует три связи с атомами водорода, а ещё одна пара его электронов не участвует в связях и называется неподелённой. Электронная плотность распределена неравномерно, поэтому молекула полярна: у азота возникает частичный отрицательный заряд, у атомов водорода — частичный положительный. Неподелённая пара помогает аммиаку присоединять протон, а полярность позволяет ему взаимодействовать с водой и кислотами.
При обычных условиях аммиак — бесцветный газ с резким характерным запахом. Между его молекулами нет столь сильного притяжения, чтобы вещество оставалось жидкостью при комнатной температуре, поэтому оно газообразно. Молярная масса NH₃ равна 17 г/моль, а средняя молярная масса воздуха — около 29 г/моль, значит, аммиак легче воздуха. Он хорошо растворяется в воде благодаря полярности молекул и взаимодействию с водой.
В лаборатории аммиак получают нагреванием аммонийной соли со щёлочью: при реакции образуются аммиак, вода и другая соль. Например, при нагревании хлорида аммония с гидроксидом кальция выделяется NH₃. Газ собирают вытеснением воздуха, поскольку он легче воздуха, а не над водой: в воде аммиак растворяется очень хорошо. Полученный газ также нельзя собирать обычным способом в перевёрнутый сосуд, как газ тяжелее воздуха: сосуд располагают так, чтобы лёгкий аммиак вытеснял воздух вверх.
В промышленности азот реагирует с водородом с образованием аммиака: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Знак обратимости означает, что продукты могут снова превращаться в исходные вещества, и в системе устанавливается равновесие. Повышенное давление способствует образованию аммиака, поскольку число молекул газа уменьшается с четырёх до двух; температура нужна для достаточно быстрой реакции, а железный катализатор ускоряет её. Условия выбирают так, чтобы получить приемлемые скорость и выход продукта.
С водой аммиак взаимодействует обратимо: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Ионы OH⁻ обусловливают основные свойства раствора. С кислотами аммиак принимает протон и образует аммонийные соли, например NH₃ + HCl → NH₄Cl; такие реакции используют для получения солей и распознавания аммиака. При горении без катализатора аммиак образует азот и воду, а при каталитическом окислении — оксид азота(II) и воду. Аммиак также реагирует с некоторыми окислителями, например с хлором: 2NH₃ + 3Cl₂ → N₂ + 6HCl; каталитическое окисление применяют при производстве азотной кислоты.
Сначала находи в таблице нужное свойство или способ получения, затем сверяй его с формулой реакции и пояснением. Уравнения показывают, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются, а коэффициенты позволяют проводить расчёты. При сравнении горения и каталитического окисления обращай внимание на разные продукты.
| Характеристика | Аммиак | Уравнение или пояснение |
|---|---|---|
| Химическая формула и строение молекулы | NH₃; один атом N и три атома H | Полярная молекула, у атома азота есть неподелённая электронная пара |
| Физические свойства | Бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха | Молярная масса NH₃ — 17 г/моль |
| Растворимость в воде | Очень хорошо растворяется | NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻ |
| Получение в лаборатории | Нагревание аммонийной соли со щёлочью | 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O |
| Получение в промышленности | Синтез из азота и водорода | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃; давление, температура, катализатор |
| Взаимодействие с водой | Раствор проявляет основные свойства | Образуются ионы NH₄⁺ и OH⁻ |
| Взаимодействие с кислотами | Образуются аммонийные соли | NH₃ + HCl → NH₄Cl |
| Горение и каталитическое окисление | Продукты зависят от условий | 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O; 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O |
| Основные области применения | Производство удобрений, азотной кислоты и других веществ | Сырьё химической промышленности |
Задача 1. Составить уравнение получения аммиака из 10,7 г хлорида аммония и избытка гидроксида кальция, указать условия и способ собирания газа.
Ответ: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O; нагревание, собирание вытеснением воздуха.
Задача 2. Какой объём аммиака образуется при взаимодействии 5,35 г NH₄Cl с избытком Ca(OH)₂? Найти объём при нормальных условиях, когда молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Ответ: образуется 2,24 л аммиака.
Задача 3. Через раствор, содержащий 9,8 г серной кислоты, пропустили аммиак до полного взаимодействия. Определить массу образовавшейся соли.
Ответ: масса сульфата аммония равна 13,2 г.
Формулы NH₄ или NH₂ записывают вместо формулы аммиака, путая его с ионом аммония либо неверно считая атомы водорода. Аммиак — нейтральная молекула NH₃, а NH₄⁺ — заряженный ион. Проверь себя: в названии «ион аммония» должен быть указан заряд, а к формуле молекулы нельзя приписывать лишний атом водорода.
Водный раствор аммиака иногда называют гидроксидом аммония так, будто это отдельное устойчивое вещество. На деле в воде устанавливается обратимое равновесие NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻, поэтому формула NH₄OH не описывает отдельную устойчивую молекулу в растворе. Чтобы проверить запись, используй уравнение равновесия и учитывай, что аммиак не полностью превращается в ионы.
Аммиак ошибочно собирают над водой, потому что этот способ часто применяют для газов. Но NH₃ хорошо растворяется в воде и при таком собирании значительная его часть потеряется. Проверь способ по растворимости: аммиак собирают вытеснением воздуха, так как он легче воздуха.
Продукты горения и каталитического окисления нередко переставляют местами. Без катализатора аммиак реагирует с кислородом с образованием азота и воды, а в присутствии катализатора — оксида азота(II) и воды. Сверь условие реакции и уравнение: наличие катализатора должно соответствовать продукту NO.
Для понимания аммиака пригодятся знания о строении атома азота, валентности, степенях окисления, типах реакций, кислотах и щёлочах. Далее эта тема связывается с аммонийными солями, азотной кислотой, круговоротом азота и производством азотных удобрений. Уравнения реакций аммиака помогают рассчитывать количества веществ и распознавать ион NH₄⁺.
Почему аммиак хорошо растворяется в воде?
Молекула NH₃ полярна, а у атома азота есть неподелённая электронная пара. Благодаря этому аммиак взаимодействует с молекулами воды, и часть его молекул присоединяет протон, образуя ионы NH₄⁺ и OH⁻.
Чем аммиак отличается от иона аммония?
Аммиак NH₃ — нейтральная молекула газа, состоящая из одного атома азота и трёх атомов водорода. Ион аммония NH₄⁺ имеет заряд +1 и образуется, когда молекула аммиака присоединяет протон H⁺.
Почему аммиак нельзя собирать над водой?
Аммиак очень хорошо растворяется в воде, поэтому при таком способе значительная часть газа растворится и не попадёт в сосуд. Его собирают вытеснением воздуха, так как он легче воздуха.
Как доказать наличие аммиака?
Влажная красная лакмусовая бумага в присутствии аммиака синеет: это показывает основные свойства газа. Ещё один признак — появление белого дыма хлорида аммония, если поднести к аммиаку стеклянную палочку, смоченную соляной кислотой.
Какие продукты образуются при горении и каталитическом окислении аммиака?
При горении аммиака без катализатора образуются азот и вода: 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O. При каталитическом окислении образуются оксид азота(II) и вода: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O.
§ 29. Аммиак
