"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Аммиак NH₃ — молекулярное соединение азота с водородом, важное сырьё для производства удобрений и других веществ. Благодаря неподелённой электронной паре азота он проявляет основные свойства: взаимодействует с водой и кислотами. При присоединении протона NH₃ превращается в ион аммония NH₄⁺, который входит в состав солей. Их можно распознать по выделению аммиака при нагревании со щёлочью, а количество вещества — определить расчётом по уравнению реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аммиак — соединение азота с водородом состава NH₃; его молекула состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода. Азот находится в центре молекулы и образует три ковалентные связи с водородом. Такая формула нужна, чтобы отличать нейтральные молекулы аммиака от ионов и правильно записывать реакции.
Ион аммония — частица состава NH₄⁺, возникающая, когда молекула аммиака присоединяет протон H⁺: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. Протон — ядро атома водорода без электрона, поэтому присоединение увеличивает число атомов водорода и придаёт частице заряд +1. Представление об этом переходе объясняет, как из аммиака образуются соли аммония.
Соли аммония — ионные соединения, состоящие из катионов NH₄⁺ и анионов кислотного остатка, например NH₄Cl или (NH₄)₂SO₄. Кислотный остаток — отрицательно заряженная часть кислоты, остающаяся после отделения её протонов. Общие признаки таких соединений связаны с присутствием NH₄⁺, а свойства конкретной соли зависят также от её аниона.
Аммонийными называют соли, в состав которых входит ион NH₄⁺ вместе с анионом кислотного остатка. Их не следует считать одинаковыми по всем свойствам: например, хлорид и сульфат аммония имеют разные анионы и могут отличаться растворимостью и поведением при нагревании. Понятие помогает распознавать общий для этих веществ катион и предсказывать характерные реакции.
У атома азота в молекуле NH₃ три неспаренных электрона, которые образуют ковалентные связи с тремя атомами водорода, и одна неподелённая электронная пара. Эта пара отталкивает связующие пары сильнее, поэтому молекула имеет форму треугольной пирамиды, а не плоского треугольника. Из-за неодинакового распределения заряда молекула полярна: область около азота частично отрицательна, а около водородов — частично положительна. Полярность помогает молекулам аммиака взаимодействовать с водой, а неподелённая пара позволяет азоту связывать протон.
Аммиак проявляет основные свойства, потому что неподелённая пара азота может принять H⁺. В воде одна часть молекул NH₃ связывает протон от молекул воды, и устанавливается обратимое равновесие: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Гидроксид-ионы OH⁻ обусловливают щелочную реакцию раствора, например красный лакмус синеет. Превращаются в ионы не все молекулы, поэтому запись равновесия со стрелками в обе стороны точнее, чем утверждение о полном распаде аммиака.
С кислотами аммиак тоже принимает протон, поэтому получаются соли аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. В растворе кислота предоставляет H⁺, а отрицательный ион кислоты становится анионом соли. В лаборатории NH₃ получают нагреванием соли аммония со щёлочью, например NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. В промышленности азот непосредственно соединяют с водородом: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃; процесс ведут при повышенных температуре и давлении и используют катализатор, тогда как лабораторный способ основан на реакции уже готовых ионов.
В кристалле соли аммония ионы NH₄⁺ и кислотного остатка удерживаются электростатическим притяжением. При добавлении щёлочи гидроксид-ионы отнимают протон у NH₄⁺: NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O. Поэтому в растворе образуются вода и аммиак, который при нагревании легко уходит как газ. Например, молекулярное уравнение реакции NH₄Cl с NaOH включает также NaCl, а сокращённое ионное уравнение показывает непосредственно превращение NH₄⁺ и OH⁻.
Для аммиака характерны реакции с кислотами и водой, а для солей аммония — взаимодействие со щёлочами с выделением NH₃; многие соли также разлагаются при нагревании, но их поведение зависит от аниона. Признак реакции нужно связывать с конкретным веществом: щелочная среда меняет окраску индикатора, а аммиак распознают по характерному запаху или посинению влажной красной лакмусовой бумаги. Запах нельзя проверять прямым вдыханием: в лаборатории газ направляют к индикаторной бумаге безопасным способом. Совместное использование уравнения и наблюдаемого признака позволяет не путать химическое доказательство с одним лишь внешним впечатлением.
| Признак | Аммиак | Соли аммония |
|---|---|---|
| Состав и строение | Молекулы NH₃, полярная ковалентная связь | Ионы NH₄⁺ и анионы кислотных остатков |
| Физические свойства | Бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде | Обычно твёрдые кристаллические вещества; свойства зависят от аниона |
| Характер взаимодействия с водой | Растворяется, частично образуя NH₄⁺ и OH⁻ | Многие соли растворяются и распадаются на ионы |
| Реакции с кислотами или щелочами | С кислотами образует соли аммония | Со щёлочами при нагревании выделяет NH₃ |
| Получение | В лаборатории — нагреванием соли аммония со щёлочью; в промышленности — синтезом N₂ и H₂ | Нейтрализацией аммиака кислотой или другими реакциями ионного обмена |
| Качественное обнаружение | Влажная красная лакмусовая бумага синеет | После добавления щёлочи и нагревания выделяется NH₃ |
| Применение | Сырьё для производства удобрений и других азотсодержащих веществ | Некоторые соли используют как удобрения и химическое сырьё |
Таблица помогает сравнивать не только формулы, но и частицы, из которых состоят вещества: молекулы NH₃ или ионы. Для определения соли аммония ориентируйтесь на общую реакцию катиона со щёлочью, но учитывайте, что свойства соли зависят и от аниона. Характерные признаки служат подсказкой, а окончательный вывод подтверждают уравнением реакции.
Задача 1. Запишите уравнение реакции аммиака с соляной кислотой и назовите образовавшееся вещество. Аммиак присоединяет протон от кислоты, а оставшийся хлорид-ион становится анионом соли. Сначала определяем формулу катиона, затем соединяем его с анионом так, чтобы суммарный заряд был равен нулю.
Ответ: NH₃ + HCl → NH₄Cl; образуется хлорид аммония. Проверка баланса атомов и зарядов помогает избежать ошибки в индексе формулы соли.
Задача 2. К раствору хлорида аммония добавили раствор гидроксида натрия. Нужно записать уравнение и указать наблюдаемый признак. Сначала рассматриваем реакцию ионов NH₄⁺ и OH⁻, поскольку именно они непосредственно превращаются в аммиак и воду. Ионы Na⁺ и Cl⁻ остаются в растворе и образуют NaCl в молекулярной записи.
Ответ: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O; признак — выделение аммиака, который изменяет окраску влажного красного лакмуса на синюю. Газ не следует распознавать прямым вдыханием.
Задача 3. Какую массу NH₄Cl нужно прореагировать с избытком Ca(OH)₂, чтобы при нормальных условиях получить 4,48 л NH₃? Избыток гидроксида кальция означает, что ограничивающим реагентом будет соль аммония. Переходим от объёма газа к количеству вещества, а затем используем соотношение коэффициентов в уравнении.
Ответ: нужно 10,7 г хлорида аммония. Проверка здравого смысла: число молей соли равно числу молей аммиака, поскольку их коэффициенты в уравнении одинаковы.
Ошибка: считать, что при растворении все молекулы NH₃ превращаются в ионы. Её допускают, потому что раствор аммиака имеет щелочную реакцию, но это не означает полного превращения вещества. Проверяйте себя по записи равновесия NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻: обратимые стрелки показывают, что в растворе остаются и молекулы.
Ошибка: путать NH₃ и NH₄⁺ или не указывать заряд иона. Формулы похожи, поэтому легко не заметить, что аммоний содержит дополнительный атом водорода и имеет заряд +1. Перед записью реакции проверьте: речь идёт о нейтральном аммиаке или о катионе соли, и сбалансированы ли заряды.
Ошибка: при взаимодействии соли аммония со щёлочью записать только соль и воду, забыв NH₃. Так происходит, если ученик применяет схему обычной нейтрализации, не учитывая особенности катиона NH₄⁺. Проверка проста: в сокращённом ионном уравнении NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O должны быть учтены азот и все атомы водорода.
Ошибка: считать любую соль аммония газообразной или летучей. Такое представление возникает из-за того, что при реакции соли со щёлочью выделяется газообразный аммиак, но это продукт реакции, а не обязательно сама соль. Проверяйте агрегатное состояние и свойства конкретного вещества; учитывайте, что они зависят и от кислотного остатка.
Для понимания аммиака нужны знания о строении атома азота, ковалентной связи, валентности и степенях окисления: они помогают объяснить состав и молекулярное строение NH₃. При составлении реакций пригодятся понятия кислот, оснований и солей, а также навыки записи ионных уравнений. Расчёты в примерах опираются на стехиометрию и молярный объём газов.
Дальше эти знания применяются при изучении азотсодержащих соединений, химического равновесия и качественного анализа. Получение аммиака показывает, как химические закономерности используют в промышленности. Соли аммония важны и для темы удобрений: по составу можно связать их свойства с практическим применением.
Почему аммиак называют основанием, если в его формуле нет группы OH?
Аммиак называют основанием по его способности принимать протон H⁺, а не из-за наличия группы OH в формуле. В воде часть молекул NH₃ присоединяет протон и образует NH₄⁺ и OH⁻.
Чем аммиак отличается от иона аммония?
Аммиак NH₃ — нейтральная молекула, а ион аммония NH₄⁺ имеет на один атом водорода больше и заряд +1. Ион образуется, когда молекула аммиака присоединяет протон.
Почему аммиак хорошо растворяется в воде?
Полярные молекулы NH₃ притягиваются к полярным молекулам воды и образуют с ними взаимодействия. Кроме того, часть аммиака реагирует с водой, образуя NH₄⁺ и OH⁻, что способствует растворению.
Как определить, что в растворе присутствует соль аммония?
К раствору добавляют щёлочь и осторожно нагревают. Если присутствуют ионы NH₄⁺, выделяется аммиак: его можно обнаружить по характерному запаху или по посинению влажной красной лакмусовой бумаги.
Почему при нагревании соли аммония со щёлочью выделяется аммиак?
Ион NH₄⁺ отдаёт протон гидроксид-иону OH⁻, в результате образуются вода и нейтральная молекула NH₃. Нагревание ускоряет реакцию, а аммиак уходит из раствора в виде газа.
§ 42. Аммиак. Соли аммония
