§ 24. Аммиак

Определения и обозначения

Аммиак — бесцветный газ NH₃ с резким характерным запахом. Его молекула содержит один атом азота и три атома водорода, а сам газ легче воздуха и хорошо растворяется в воде. Эти признаки помогают отличать аммиак от других газов и выбирать способ его получения и сбора.

Ион аммония — положительно заряженная частица NH₄⁺, которая образуется, когда молекула аммиака присоединяет протон H⁺. В формуле такого иона на один атом водорода больше, чем в NH₃, а знак «плюс» показывает заряд. Понятие нужно, чтобы объяснить образование солей аммония и поведение аммиака в воде.

Аммиачная вода — водный раствор аммиака, в котором часть молекул NH₃ взаимодействует с молекулами воды. Это не отдельная молекула с формулой NH₄OH, а раствор, содержащий растворённый аммиак и образующиеся ионы. Различение важно при записи уравнений и описании свойств раствора.

Соли аммония — вещества, содержащие катион NH₄⁺ и отрицательно заряженную часть кислоты, называемую кислотным остатком. Например, в хлориде аммония NH₄Cl катиону соответствует хлорид-ион Cl⁻. Такие соли возникают при взаимодействии аммиака с кислотами, поэтому их формулы позволяют узнавать продукты этих реакций.

Как это устроено

В молекуле NH₃ атом азота связан с тремя атомами водорода. Электронная плотность распределена между атомами неравномерно, поэтому молекула полярна: у её частей возникают небольшие разноимённые заряды. Благодаря этому молекулы аммиака притягиваются к молекулам воды и газ хорошо растворяется. Полярность также связана со способностью азота присоединять протон и образовывать NH₄⁺.

В лаборатории аммиак получают нагреванием соли аммония со щёлочью. Щёлочь содержит гидроксид-ионы, которые помогают высвободить из соли газообразный NH₃; нагревание ускоряет реакцию и способствует удалению газа из смеси. Например: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O. Для получения газа берут соль аммония и щёлочь, а не кислоту, поскольку именно их взаимодействие даёт аммиак.

Аммиак примерно в полтора раза легче воздуха, но очень хорошо растворяется в воде. Поэтому вода поглотила бы газ, и собрать его над водой не получилось бы. В лаборатории аммиак направляют в сухой перевёрнутый сосуд: он поднимается вверх и вытесняет из него воздух вниз. При таком сборе учитывают одновременно и плотность газа, и его растворимость.

Растворённый аммиак взаимодействует с водой обратимо: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Появление ионов OH⁻ придаёт раствору основные свойства. С кислотами аммиак тоже принимает протон, но результатом становится соль аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. Следовательно, в продуктах реакции с кислотой нужно записывать ион NH₄⁺ в составе соли, а не оставлять аммиак без изменений.

В промышленности аммиак получают из азота и водорода: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Стрелки в обе стороны показывают, что реакция обратима: аммиак образуется, но одновременно может разлагаться на исходные газы. Синтез проводят при повышенных температуре и давлении; катализатор ускоряет реакции, помогая быстрее достичь равновесия. Он не меняет состав смеси в равновесии, а лишь сокращает время его установления.

Аммиак: свойства, получение и применение

Сначала найдите в таблице свойство или способ получения, который нужен для вопроса. Затем проверьте соответствующую формулу: коэффициенты показывают соотношение веществ, а стрелка в обе стороны — обратимость реакции. В третьем столбце собраны пояснения, помогающие связать уравнение с практическим выводом.

Разбор задач

1. Реакция с хлороводородом

Условие. Запишите уравнение реакции аммиака с хлороводородом и назовите образовавшееся вещество. Нужно определить, что происходит с молекулой NH₃ при встрече с кислотой. Аммиак присоединяет протон H⁺, а оставшаяся часть кислоты образует с NH₄⁺ соль.

1. Записываем формулы реагентов: NH₃ и HCl.
2. При присоединении H⁺ аммиак превращается в NH₄⁺, а хлорид-ион Cl⁻ соединяется с ним.
3. Получаем уравнение NH₃ + HCl → NH₄Cl; число атомов каждого элемента уже одинаково по обе стороны.

Ответ: NH₃ + HCl → NH₄Cl; образуется хлорид аммония.

2. Получение аммиака в лаборатории

Условие. Составьте уравнение получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция. Укажите способ сбора газа. Здесь соль аммония нужно нагреть со щёлочью, а способ сбора выбрать по плотности и растворимости полученного газа.

1. Записываем реагенты и продукты: NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + NH₃ + H₂O.
2. Уравниваем атомы: ставим 2 перед NH₄Cl и NH₃, затем 2 перед H₂O. Итог: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O.
3. Поскольку аммиак легче воздуха, но хорошо растворяется в воде, собираем его вытеснением воздуха в перевёрнутый сухой сосуд.

Ответ: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O; газ собирают вытеснением воздуха, не над водой.

3. Объём аммиака

Условие. Азот объёмом 6,72 л прореагировал с избытком водорода. Найдите объём аммиака при тех же условиях, считая реакцию завершённой. Избыток водорода означает, что количество продукта ограничивается азотом. При одинаковых условиях объёмы газов в реакции соотносятся как коэффициенты.

1. Записываем уравнение: N₂ + 3H₂ → 2NH₃.
2. Сравниваем коэффициенты перед азотом и аммиаком: из 1 объёма N₂ получается 2 объёма NH₃.
3. Умножаем объём азота на это отношение: 6,72 л × 2 = 13,44 л.

Ответ: образуется 13,44 л аммиака.

Типичные ошибки

Считать аммиак и аммиачную воду одним веществом — значит смешивать газ NH₃ с его водным раствором. Так ошибаются из-за общего слова «аммиак» в названиях. Проверьте себя: если речь идёт о газе, записывайте NH₃; если о растворе, укажите, что он водный.

Собирать аммиак над водой нельзя: он хорошо растворяется и будет поглощаться жидкостью. Ошибка возникает, когда способ сбора выбирают только по тому, что вещество является газом. Проверьте растворимость и плотность: аммиак легче воздуха, поэтому его собирают вытеснением воздуха в перевёрнутый сосуд.

Формулы NH₃ и NH₄⁺ обозначают разные частицы, хотя отличаются лишь одним атомом водорода и зарядом. Легко перепутать их, если не следить за тем, присоединил ли аммиак протон. Проверьте состав и знак: NH₃ — нейтральная молекула с тремя атомами H, NH₄⁺ — катион с четырьмя.

При реакции аммиака с кислотой продуктом становится соль аммония, а не просто смесь исходных веществ. Иногда забывают добавить к NH₃ протон и записывают неверный продукт. Проверьте уравнение: в соли должен быть катион NH₄⁺, соединённый с кислотным остатком, например NH₄Cl.

Связь с другими темами

Для изучения аммиака нужны знания о формулах и свойствах кислот, щелочей и солей, а также умение расставлять коэффициенты в уравнениях реакций. Строение NH₃ связывает тему со строением атомов азота и водорода, химической связью и периодической системой. Позже эти знания помогут изучать азот и его соединения, соли аммония и химическое равновесие в обратимых реакциях.

Что запомнить

• Формула аммиака — NH₃.
• Аммиак — бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха и хорошо растворим в воде.
• Аммиак в лаборатории получают действием щёлочи на соль аммония.
• В водном растворе аммиак проявляет основные свойства.
• При реакции аммиака с кислотами образуются соли аммония.
• В промышленности аммиак получают из азота и водорода.