§ 36. Азот. Аммиак и соли аммония

Определения и обозначения

Азот — химический элемент с порядковым номером 7; простое вещество азот N₂ состоит из двухатомных молекул. Буква N обозначает атом элемента, а индекс 2 показывает число атомов в молекуле. Это различие помогает правильно записывать уравнения реакций и не путать элемент с простым веществом.

Аммиак — сложное вещество NH₃, состоящее из атома азота и трёх атомов водорода. Индекс 3 относится только к водороду, поэтому в каждой молекуле один атом N и три атома H. Формула нужна, чтобы понимать состав вещества и рассчитывать количества реагентов и продуктов.

Ион аммония — положительно заряженный ион NH₄⁺, образующийся при присоединении иона водорода к молекуле аммиака. В составе NH₄⁺ уже четыре атома водорода, а знак «+» показывает заряд всей частицы. Это обозначение используют при записи формул солей и их реакций.

Соли аммония — сложные вещества, содержащие ион NH₄⁺ и кислотный остаток. Например, NH₄Cl состоит из иона аммония и хлорид-иона, а (NH₄)₂SO₄ — из двух ионов NH₄⁺ и одного сульфат-иона. По зарядам частиц проверяют, правильно ли составлена формула соли.

Как это устроено

В молекуле N₂ атомы азота соединены тремя общими электронными парами — это тройная связь. Чтобы разорвать её и начать реакцию, требуется значительная энергия, поэтому азот при обычных условиях химически малоактивен. Это объясняет, почему газ не реагирует быстро со многими веществами, хотя при подходящих условиях азот вступает в реакции.

Азот составляет около 78% воздуха, но не поддерживает дыхание и горение: для этих процессов нужен кислород, а сам азот при обычных условиях почти не реагирует. Получают его из воздуха, который сначала охлаждают и сжижают, а затем разделяют компоненты по различию температур кипения. Так получают азот как сырьё для химического производства.

Аммиак получают взаимодействием азота с водородом: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Двойная стрелка означает, что реакция обратима: аммиак может и образовываться, и снова разлагаться. Высокое давление способствует образованию NH₃, потому что число молекул газа уменьшается; катализатор ускоряет установление равновесия, а температуру выбирают как компромисс между скоростью реакции и выходом продукта.

В молекуле NH₃ атом азота связан с тремя атомами водорода, а молекула имеет полярное строение. Благодаря взаимодействию с полярными молекулами воды аммиак хорошо в ней растворяется. Часть NH₃ реагирует с водой по уравнению NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻; гидроксид-ионы придают раствору основные свойства, но аммиак не следует считать обычной щёлочью.

Аммиак принимает ион водорода от кислоты, поэтому образуется ион аммония, а вместе с ним — соль: NH₃ + HCl → NH₄Cl. Соли аммония распознают, добавляя щёлочь и нагревая смесь: NH₄⁺ превращается в NH₃. Выделившийся газ меняет окраску влажного индикатора, а при нагревании некоторые соли аммония также разлагаются, поэтому условия опыта имеют значение.

Азот, аммиак и соли аммония: состав, свойства и получение

Сравнивайте вещества по одной строке таблицы: так легче увидеть, как состав связан со свойствами и способами получения. Уравнения показывают характерные превращения, а формулы позволяют проверить состав веществ. Применение приведено как пример использования, а не как полный перечень.

Разбор задач

1. Составление уравнения получения аммиака

Задача: составьте уравнение реакции получения аммиака из азота и водорода и расставьте коэффициенты. Важно учесть, что простые вещества азот и водород записываются как N₂ и H₂. Коэффициенты должны уравнять число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Записываем схему: N₂ + H₂ → NH₃.
2. Слева два атома N, поэтому ставим 2 перед NH₃: N₂ + H₂ → 2NH₃.
3. Справа теперь шесть атомов H, значит, перед H₂ ставим 3. Получаем N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃.

Ответ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Проверка: по обе стороны уравнения два атома азота и шесть атомов водорода. Двойная стрелка указывает на обратимость реакции.

2. Расчёт объёма аммиака

Задача: сколько аммиака можно получить из 2 моль азота при избытке водорода? Считаем, что реакция идёт по уравнению N₂ + 3H₂ → 2NH₃ и что выход продукта равен теоретическому. Для газа при нормальных условиях используем молярный объём 22,4 л/моль.

1. Из уравнения видно: 1 моль N₂ образует 2 моль NH₃.
2. Для 2 моль азота количество аммиака равно 2 × 2 = 4 моль.
3. Находим объём: V(NH₃) = 4 × 22,4 = 89,6 л.

Ответ: 89,6 л аммиака при нормальных условиях. Сначала применили соотношение коэффициентов, а затем перевели количество вещества газа в объём. При иных условиях молярный объём может отличаться.

3. Распознавание соли аммония

Задача: неизвестную соль нагрели со щёлочью и обнаружили выделение газа, который изменил окраску влажной индикаторной бумаги. Нужно определить тип соли и записать качественную реакцию. Само изменение индикатора указывает на аммиак, а значит, в исходной соли был ион NH₄⁺.

1. Небольшую пробу соли смешивают со щёлочью и осторожно нагревают.
2. Выделившийся газ проверяют влажной индикаторной бумагой; прямое вдыхание газа недопустимо.
3. Если выделяется NH₃, составляют уравнение с учётом катиона металла и кислотного остатка. Например: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O.

Ответ: качественная реакция подтверждает присутствие иона аммония; для соли NH₄Cl уравнение приведено выше. Без сведений о кислотном остатке определить конкретную соль нельзя. Наблюдение газа позволяет установить именно наличие NH₄⁺.

Типичные ошибки

Ошибка: записывать формулу простого вещества азота как N. Так путают обозначение атома с формулой вещества, потому что не учитывают строение молекулы газа. Проверка простая: в уравнениях реакций азот в обычных условиях записывают N₂, а балансируют число атомов с учётом индекса.

Ошибка: называть аммиак щёлочью или считать NH₄OH самостоятельным устойчивым веществом. Это возникает из-за того, что водный раствор NH₃ действительно проявляет основные свойства. Записывайте взаимодействие с водой как равновесие NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻: так видно, какие частицы отвечают за свойства раствора.

Ошибка: путать NH₃ и NH₄⁺ при составлении формул солей. У аммиака три атома водорода и нет заряда, а у иона аммония четыре атома водорода и заряд +1. Перед записью формулы проверьте, что сначала указан именно ион NH₄⁺, затем кислотный остаток, а суммарный заряд равен нулю.

Ошибка: проводить реакцию соли аммония со щёлочью без нагревания или не проверять выделение аммиака индикатором. Газ может выделяться недостаточно заметно, поэтому одного наблюдения за смесью мало. Учитывайте нагревание, проверяйте влажной индикаторной бумагой и не определяйте газ непосредственным вдыханием.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома азота и его месте в Периодической системе. Валентность, степени окисления и правила составления формул помогают записывать NH₃, NH₄⁺ и уравнения реакций. Без умения расставлять коэффициенты нельзя надёжно выполнять расчёты по реакциям.

Эти знания пригодятся при изучении азотной кислоты и нитратов, а также круговорота азота в природе. Аммиак и соли аммония связаны с производством минеральных удобрений. По уравнениям реакций можно рассчитывать количества реагентов и продуктов.

В лабораторной практике основные свойства аммиака помогают узнавать выделившийся газ, а реакция соли со щёлочью — обнаруживать ион аммония. Эти признаки используют при распознавании веществ. При этом важно соблюдать правила безопасности и проверять газ индикатором.

Что запомнить

• Азот в простом веществе имеет формулу N₂ и составляет большую часть воздуха.
• Прочная тройная связь в молекуле N₂ обусловливает малую химическую активность азота при обычных условиях.
• Аммиак имеет формулу NH₃ и образуется при взаимодействии азота с водородом.
• Аммиак хорошо растворяется в воде и проявляет основные свойства.
• При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соли аммония.
• Ион аммония имеет формулу NH₄⁺.
• Соли аммония при нагревании со щёлочами выделяют аммиак.