"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Аммиак NH₃ — бесцветный газ с резким запахом, состоящий из азота и водорода. Он хорошо растворяется в воде, а полученный раствор проявляет основные свойства и реагирует с кислотами с образованием солей аммония. Аммиак используют для производства удобрений и других веществ. Чтобы понять его поведение, важно связать строение молекулы с растворимостью и химическими реакциями, а также знать способы получения газа в лаборатории и промышленности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аммиак — бесцветный газ NH₃ с резким запахом. Его молекула состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода; газ легче воздуха и хорошо растворяется в воде. Эти свойства помогают отличать аммиак от других газов и объясняют, как его собирают и используют.
Ион аммония — катион NH₄⁺, то есть положительно заряженная частица. Он образуется, когда молекула аммиака присоединяет ион водорода H⁺: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. Это обозначение понадобится при записи состава солей и процессов в водном растворе.
Аммиачная вода — водный раствор аммиака, в котором устанавливается равновесие NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Равновесие означает, что прямое и обратное превращения идут одновременно. Появление ионов OH⁻ объясняет основные свойства раствора и его действие на индикаторы.
Соли аммония — вещества, содержащие катион NH₄⁺. Например, хлорид аммония NH₄Cl и сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ состоят из ионов аммония и отрицательно заряженных ионов кислотных остатков. Они связаны с аммиаком тем, что его молекулы при присоединении H⁺ превращаются в NH₄⁺.
В молекуле NH₃ один атом азота связан с тремя атомами водорода. Электроны в связях притягиваются к атому азота сильнее, чем к атомам водорода, поэтому заряд распределён неравномерно и молекула полярна. Благодаря этому аммиак взаимодействует с полярными молекулами воды, а не просто механически смешивается с ней.
В лаборатории аммиак получают нагреванием соли аммония со щёлочью. Например, реакцию хлорида аммония с гидроксидом кальция записывают так: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O. Аммиак легче воздуха, поэтому его собирают вытеснением воздуха; над водой собирать его нельзя, поскольку газ быстро растворяется в ней.
При обычных условиях аммиак — бесцветный газ с резким запахом, который легче воздуха и хорошо растворим в воде. Растворимость объясняется полярностью NH₃ и его взаимодействием с водой. Если газ пропустить в воду, значительная его часть перейдёт в раствор, который называют аммиачной водой.
В водном растворе часть молекул аммиака принимает от воды ионы водорода, образуя NH₄⁺ и OH⁻. Именно гидроксид-ионы придают раствору основные свойства: например, красный лакмус синеет. При реакции аммиака с кислотой также образуются соли аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl; в этом случае молекула присоединяет H⁺, а оставшийся ион кислоты образует соль с NH₄⁺.
В промышленности аммиак получают синтезом азота и водорода: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Реакция обратима, а повышение давления способствует образованию аммиака, поскольку число молекул газа справа меньше. Катализатор ускоряет установление равновесия, но не меняет его положение; температуру подбирают так, чтобы реакция шла достаточно быстро и давала приемлемый выход продукта.
В таблице собраны признаки, которые помогают связать свойства аммиака с его поведением и способами получения. Сначала обращайте внимание на описание, затем проверяйте его по уравнению или наблюдаемому признаку. При записи реакций сверяйте число атомов и заряд ионов в обеих частях.
| Свойство или способ получения | Описание | Уравнение или признак |
|---|---|---|
| Состав и строение молекулы | Один атом азота и три атома водорода; молекула полярная. | NH₃ |
| Физические свойства | Бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха. | Газ собирают вытеснением воздуха. |
| Растворение в воде | Аммиак хорошо растворим в воде. | Получается аммиачная вода. |
| Основные свойства аммиачной воды | В растворе появляются ионы OH⁻. | NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻; красный лакмус синеет. |
| Реакция с кислотами | Образуются соли аммония. | NH₃ + HCl → NH₄Cl |
| Получение в лаборатории | Соль аммония нагревают со щёлочью. | 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O |
| Получение в промышленности | Азот реагирует с водородом обратимо. | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ |
Задача 1. Запишите формулу аммиака и укажите число атомов каждого элемента в его молекуле. Решение: по условию и определению вещества используем формулу NH₃. Отсутствие индекса у N означает один атом азота, а индекс 3 у H — три атома водорода. Ответ: NH₃; один атом азота и три атома водорода.
Задача 2. Составьте уравнение реакции аммиака с хлороводородной кислотой и назовите продукт. Решение: аммиак принимает ион H⁺, поэтому образуется катион NH₄⁺; вместе с Cl⁻ он даёт нейтральное вещество NH₄Cl. Записываем NH₃ + HCl → NH₄Cl и проверяем: слева и справа по одному атому N, одному атому Cl и четырём атомам H. Ответ: NH₃ + HCl → NH₄Cl, продукт — хлорид аммония.
Задача 3. Какой объём аммиака при н. у. можно получить при разложении 10,7 г хлорида аммония избытком гидроксида натрия? Решение выполняем по уравнению NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. Так как щёлочь взята в избытке, расчёт ведём по NH₄Cl; его молярная масса равна 53,5 г/моль.
Ответ: при разложении 10,7 г NH₄Cl можно получить 4,48 л аммиака при н. у. Проверка: масса соли соответствует ровно 0,2 моль, и по уравнению столько же молей газа образуется при полном протекании реакции. Объём рассчитан именно для нормальных условий, при которых применяют молярный объём 22,4 л/моль.
Не следует считать аммиак и аммиачную воду одним веществом: NH₃ — газ, а аммиачная вода — его раствор в воде. Путаница возникает из-за того, что раствор получают, пропуская газ через воду. Для проверки укажите агрегатное состояние и состав: в растворе присутствует также вода.
Ошибочно записывать растворение аммиака как полное образование NH₄OH. Такую запись иногда используют упрощённо, но в растворе устанавливается равновесие NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Проверяйте, описывает ли формула реальные частицы в растворе, а не условное представление о них.
Аммиак NH₃ и ион аммония NH₄⁺ — не одно и то же: у NH₄⁺ на один атом водорода больше и есть положительный заряд. Путаница появляется из-за похожих названий и формул. Чтобы себя проверить, пересчитайте атомы и убедитесь, что заряд записан только у иона.
Аммиак нельзя собирать над водой, хотя такой способ подходит для некоторых газов. Ошибка связана с тем, что забывают о его высокой растворимости: газ будет переходить в воду, а не накапливаться над ней. Проверка проста: сопоставьте растворимость газа с выбранным способом сбора и используйте вытеснение воздуха.
Для изучения аммиака нужны знания о формулах и свойствах азота и водорода, а также умение составлять уравнения реакций. Связь с кислотами, основаниями и солями проявляется в основных свойствах аммиачной воды и образовании солей аммония при реакции с кислотами. Эти знания пригодятся при изучении азотсодержащих соединений и минеральных удобрений. Обратимый промышленный синтез аммиака помогает понять химическое равновесие и влияние условий реакции.
Почему аммиак хорошо растворяется в воде?
Молекула NH₃ полярная: заряд в ней распределён неравномерно. Она взаимодействует с полярными молекулами воды, поэтому аммиак хорошо растворяется; часть его молекул при этом образует ионы NH₄⁺ и OH⁻.
Почему аммиак нельзя собирать над водой?
Аммиак очень хорошо растворяется в воде, поэтому при таком способе сбора газ быстро перейдёт в раствор. В лаборатории его собирают вытеснением воздуха.
Как определить, что в растворе есть аммиак?
В растворе аммиака есть ионы OH⁻, поэтому он имеет основные свойства. Например, красный лакмус синеет; также можно использовать фенолфталеин, который в щелочной среде становится малиновым.
Чем аммиак отличается от иона аммония?
Аммиак NH₃ — нейтральная молекула газа, а ион аммония NH₄⁺ — положительно заряженная частица с ещё одним атомом водорода. Ион возникает, когда молекула NH₃ присоединяет H⁺.
Как в лаборатории получают аммиак?
Соль аммония нагревают со щёлочью, например хлорид аммония с гидроксидом натрия. Выделившийся газ собирают вытеснением воздуха, потому что он легче воздуха и хорошо растворяется в воде.
§ 23. Аммиак
