"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Аммиак NH₃ — соединение азота с водородом, молекула которого способна присоединять протон и превращаться в ион аммония NH₄⁺. Поэтому аммиак проявляет основные свойства: взаимодействует с водой и кислотами, образуя гидроксид-ионы и соли аммония. Соли аммония — ионные вещества; при нагревании многие из них разлагаются, а при взаимодействии со щёлочами выделяют аммиак. Эти реакции помогают получать NH₃ и распознавать соли аммония.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аммиак — простое молекулярное соединение азота с водородом, его формула — NH₃. Одна молекула содержит один атом азота и три атома водорода. Эта формула нужна, чтобы описывать строение вещества и рассчитывать, сколько частиц или вещества участвует в реакции.
Ион аммония — положительно заряженная частица NH₄⁺, которая образуется при присоединении протона H⁺ к молекуле аммиака. В ней один атом азота связан с четырьмя атомами водорода, а общий заряд равен +1. Обозначение NH₄⁺ помогает не путать катион с нейтральной молекулой NH₃.
Соли аммония — ионные соединения, состоящие из катионов NH₄⁺ и анионов кислотного остатка. Например, NH₄Cl содержит NH₄⁺ и Cl⁻, а (NH₄)₂SO₄ — два иона NH₄⁺ на один SO₄²⁻. Состав ионов нужен, чтобы правильно записывать формулы солей и уравнивать реакции.
Донорно-акцепторная связь — ковалентная связь, для которой оба электрона общей пары предоставляет один атом. В реакции NH₃ + H⁺ → NH₄⁺ азот отдаёт для связи свою неподелённую пару, а протон принимает её. Это объясняет, как молекула аммиака присоединяет H⁺ и почему продуктом становится заряженный ион.
У атома азота во внешнем электронном слое пять электронов. Три из них участвуют в образовании связей N—H, а два остаются неподелённой парой; из-за такого расположения связей молекула NH₃ имеет форму треугольной пирамиды. Неподелённая пара может взаимодействовать с частицей, способной принять электронную пару, поэтому аммиак присоединяет протон и образует NH₄⁺.
В лаборатории аммиак получают нагреванием соли аммония со щёлочью: например, 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O. При нагревании реакционная смесь выделяет газ, который можно собрать, учитывая, что аммиак очень хорошо растворяется в воде. В промышленности используют обратимую реакцию N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃; железный катализатор, повышенные температура и давление ускоряют процесс и помогают получить приемлемый выход аммиака.
Аммиак — бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде. Раствор имеет щелочную реакцию не потому, что все молекулы NH₃ превращаются в отдельное вещество NH₄OH, а потому, что устанавливается равновесие NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Именно появление гидроксид-ионов OH⁻ объясняет изменение окраски индикаторов и основные свойства раствора.
Кислоты передают аммиаку протон, поэтому образуются соли аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. При окислении кислородом продукты зависят от условий: без катализатора аммиак может гореть с образованием азота и воды, а на платиновом катализаторе при нагревании образуются оксид азота(II) и вода: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O. Значит, при записи уравнения окисления нужно учитывать не только реагенты, но и условия реакции.
Соли аммония получают взаимодействием аммиака или его водного раствора с кислотами; например, NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃. Многие такие соли при нагревании разлагаются, но продукты зависят от состава соли: хлорид аммония распадается на NH₃ и HCl, а гидрокарбонат аммония — на NH₃, CO₂ и H₂O. При добавлении щёлочи к соли аммония выделяется аммиак, поэтому эту реакцию используют для обнаружения NH₄⁺.
| Признак | Аммиак NH₃ | Соли аммония |
|---|---|---|
| Состав и строение | Молекулы NH₃; атом азота связан с тремя атомами водорода | Ионы NH₄⁺ и анионы кислотных остатков |
| Физические свойства | Бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде | Обычно твёрдые кристаллические вещества; свойства зависят от соли |
| Характерные химические свойства | Проявляет основные свойства, реагирует с кислотами и окисляется | Со щёлочами выделяют NH₃; многие разлагаются при нагревании |
| Качественное обнаружение | Влажная красная лакмусовая бумага синеет; влажный индикатор указывает на щелочную среду | При нагревании со щёлочью выделяется NH₃ |
| Примеры получения | В лаборатории — нагреванием соли аммония со щёлочью; в промышленности — синтезом из N₂ и H₂ | Реакцией аммиака или его водного раствора с кислотой |
Сначала сравните состав и строение: аммиак — молекулярное вещество, а соли содержат ионы. Затем сопоставьте химические свойства и способы получения, чтобы отличать реакции самого NH₃ от реакций NH₄⁺. Строка о качественном обнаружении показывает, какой признак можно использовать в опыте.
Задача 1. Составить уравнение реакции получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция при нагревании. Соль аммония реагирует со щёлочью с выделением NH₃, образуя также воду и новую соль. Сначала записываем формулы продуктов, затем подбираем коэффициенты, сохраняя число атомов каждого элемента.
Ответ: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O.
Задача 2. Какой объём NH₃ при н. у. можно получить из 10,7 г NH₄Cl при избытке NaOH? Щёлочи достаточно, поэтому количество аммиака определяем по количеству соли, а не по количеству NaOH. Уравнение NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O показывает соотношение веществ 1:1.
Ответ: 4,48 л аммиака.
Задача 3. Смесь NH₄Cl и (NH₄)₂SO₄ массой 20,0 г обработали избытком щёлочи; выделилось 6,72 л NH₃ при н. у. Нужно определить количества двух солей и проверить, могут ли они соответствовать данным. Каждый моль NH₄Cl даёт один моль NH₃, а каждый моль (NH₄)₂SO₄ — два моля.
Ответ: физически возможного состава нет: количество NH₄Cl получилось отрицательным. Следовательно, приведённые масса и объём газа несовместимы; вероятно, в условии есть неточность или округление, недостаточное для корректного решения.
При растворении аммиака иногда записывают, что он полностью превращается в NH₄OH. Так пытаются объяснить щелочные свойства раствора, но такая запись скрывает равновесие и появление ионов. Точнее писать NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻; при проверке убедитесь, что в уравнении есть заряд иона и обратимая стрелка.
Другая ошибка — записать продукт присоединения протона как нейтральную частицу или оставить формулу NH₃. Причина в том, что легко забыть: H⁺ добавляет протон, а не нейтральный атом водорода, и общий заряд изменяется. Проверьте число атомов водорода и заряд: NH₃ + H⁺ даёт NH₄⁺ с зарядом +1.
Реакцию соли аммония со щёлочью путают с взаимодействием соли и кислоты. В обоих случаях могут участвовать ионные вещества, но именно щёлочь вытесняет аммиак из NH₄⁺; кислота, напротив, принимает протон от аммиака и образует соль аммония. Перед составлением уравнения проверьте реагенты: присутствует ли OH⁻ и требуется ли выделение NH₃.
Нельзя считать, что все соли аммония устойчивы при нагревании. Ошибка возникает, когда свойства одной соли переносят на все остальные, хотя состав аниона влияет на продукты разложения. Проверяйте конкретное вещество и сохраняйте баланс атомов в продуктах; например, NH₄Cl даёт NH₃ и HCl, а NH₄HCO₃ — NH₃, CO₂ и H₂O.
Чтобы понять строение NH₃ и образование NH₄⁺, понадобятся знания о строении атома азота, ковалентной связи, валентности и степенях окисления. Это помогает объяснить, откуда берётся неподелённая электронная пара и как составляется формула иона. Для уравнений реакций нужны свойства кислот, щелочей и солей, а также навыки расстановки коэффициентов.
Тема пригодится при изучении азотной кислоты и её солей: нитрат аммония — один из примеров соли NH₄⁺. Равновесие между NH₃, NH₄⁺ и OH⁻ связывает тему с химическим равновесием. Расчёты по реакциям помогают находить массу соли, количество аммиака и объём газа.
Почему молекула аммиака может присоединить протон?
У атома азота в NH₃ есть неподелённая электронная пара. Она может образовать связь с протоном H⁺, у которого нет электронов для собственной пары, поэтому возникает NH₄⁺.
Почему водный раствор аммиака имеет щелочную реакцию?
Часть молекул NH₃ взаимодействует с водой: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Гидроксид-ионы OH⁻ и создают щелочную реакцию раствора.
Как получить аммиак в лаборатории?
Соль аммония нагревают со щёлочью. Например, при нагревании NH₄Cl с Ca(OH)₂ образуются NH₃, вода и CaCl₂.
Как распознать соль аммония?
К образцу добавляют щёлочь и нагревают смесь. Если выделяется аммиак с резким запахом, а влажная красная лакмусовая бумага синеет, это указывает на ионы NH₄⁺.
Почему соли аммония разлагаются при нагревании?
При нагревании некоторые соли аммония распадаются на более простые вещества, поскольку их состав и устойчивость различаются. Продукты зависят от аниона соли: например, NH₄Cl распадается на NH₃ и HCl, а NH₄HCO₃ — на NH₃, CO₂ и H₂O.
§ 28. Аммиак и соли аммония
