"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Аммиак NH₃ — простейшее водородное соединение азота, в котором атом азота имеет степень окисления −3. Его строение объясняет полярность молекулы, основные свойства и способность присоединять протон с образованием иона аммония NH₄⁺. Соли аммония важны в химических реакциях и как источник азота для растений: многие из них применяют в качестве удобрений. Разберём, как получают аммиак, чем он реагирует и как распознать ион аммония.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аммиак NH₃ — простейшее водородное соединение азота, состоящее из одного атома азота и трёх атомов водорода. Степень окисления азота в нём равна −3, хотя вся молекула электрически нейтральна. Это соединение важно как исходное вещество для получения многих соединений азота и как основа для понимания свойств солей аммония.
Ион аммония NH₄⁺ — положительно заряженная частица, образующаяся при присоединении протона H⁺ к молекуле аммиака. Протон принимает неподелённую электронную пару атома азота, и у частицы появляется заряд +1. Понятие нужно, чтобы объяснять состав солей аммония и реакции аммиака с кислотами.
Соли аммония — ионные соединения, содержащие катионы NH₄⁺ и анионы кислотных остатков, например NH₄Cl или (NH₄)₂SO₄. В воде многие такие соли распадаются на ионы, поэтому участвуют в ионных реакциях. По их составу можно определить, сколько ионов аммония приходится на формульную единицу соли.
Аммонийные удобрения — растворимые соли аммония, которые используют для снабжения растений азотом. В почвенном растворе они дают ионы, содержащие азот, необходимый растениям для образования белков и других веществ. Это определение связывает свойства соединений аммония с их практическим применением в сельском хозяйстве.
Азот находится в пятой группе главной подгруппы и имеет пять электронов на внешнем энергетическом уровне: 2s²2p³. В молекуле NH₃ он образует три общие электронные пары с атомами водорода, а ещё одна пара остаётся неподелённой. Если считать электронную пару каждой связи принадлежащей более электроотрицательному азоту, три связи дают ему степень окисления −3. В NH₄⁺ азот также условно получает все электроны связей, поэтому его степень окисления не меняется.
Три связи N–H полярны: общие электронные пары смещены к более электроотрицательному азоту. Неподелённая пара тоже занимает область пространства около атома N, и электронные области отталкиваются друг от друга. Их расположение близко к тетраэдрическому, но одна область занята неподелённой парой, поэтому расположение атомов водорода образует тригональную пирамиду. Валентность азота при этом равна III, так как он образует три связи.
Неподелённая пара может образовать связь с частицей, у которой нет электронов для собственной пары, например с протоном H⁺. Азот предоставляет оба электрона для новой связи: такую связь называют донорно-акцепторной. Так возникает NH₄⁺; четыре связи N–H в ионе равноценны, а положительный заряд относится ко всему катиону, а не к одному конкретному атому водорода.
Полярность NH₃ и наличие неподелённой пары помогают объяснить его взаимодействие с водой. Молекулы аммиака хорошо растворяются в воде, а часть из них обратимо принимает протон у молекул H₂O: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Ионы OH⁻ сообщают раствору основные свойства, но равновесие не означает полного превращения аммиака в ионы. С кислотами аммиак реагирует, принимая протон, например NH₃ + HCl → NH₄Cl.
В лаборатории аммиак получают нагреванием соли аммония со щёлочью: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. В промышленности его синтезируют из азота и водорода по обратимой реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Процесс ведут при повышенных температуре и давлении в присутствии железного катализатора: давление способствует образованию меньшего числа молекул газа, а катализатор ускоряет установление равновесия. Полученный аммиак отделяют, а непрореагировавшие газы возвращают в цикл.
В таблице собраны частицы, свойства которых связаны с аммиаком и катионом аммония. Сравнивайте формулы и уравнения: это помогает увидеть, где участвует молекула NH₃, а где — ион NH₄⁺. Реакции в последней строке показывают, что при нагревании соли аммония могут разлагаться по-разному.
| Вещество или система | Строение и степень окисления азота | Характерные свойства | Примеры реакций |
|---|---|---|---|
| Аммиак NH₃ | Молекула с тремя связями N–H; N: −3 | Полярен, имеет тригональную пирамидальную форму, проявляет основные свойства | NH₃ + HCl → NH₄Cl; N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ |
| Водный раствор аммиака | Молекулы NH₃ и небольшое количество NH₄⁺ и OH⁻; N: −3 | Среда щелочная, взаимодействие с водой обратимо | NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻ |
| Ион аммония NH₄⁺ | Катион с четырьмя связями N–H; N: −3 | Образуется при присоединении протона аммиаком | NH₃ + H⁺ → NH₄⁺ |
| Соли аммония | Состоят из NH₄⁺ и аниона кислотного остатка; N: −3 | Ионные соединения; многие растворимы в воде и используются как удобрения | NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl⁻ (в растворе) |
| Качественная реакция на ион аммония | NH₄⁺ взаимодействует с OH⁻; N: −3 | При добавлении щёлочи и нагревании выделяется NH₃ | NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O |
| Термическое разложение солей аммония | Состав продуктов зависит от аниона; N в NH₄⁺: −3 | При нагревании некоторые соли разлагаются обратимо или выделяют несколько газообразных продуктов | NH₄Cl ⇄ NH₃ + HCl; NH₄HCO₃ → NH₃ + CO₂ + H₂O |
Задача: запишите электронную формулу аммиака, найдите степень окисления и валентность азота, укажите геометрию молекулы. Идея решения — проследить, сколько электронных пар образует азот и какая остаётся неподелённой. При определении степени окисления учитываем смещение электронов связи к азоту.
Ответ: электронная формула содержит три связи N–H и одну неподелённую пару азота; N имеет степень окисления −3 и валентность III; форма NH₃ — тригональная пирамида.
Задача: составьте уравнения взаимодействия аммиака с водой и соляной кислотой, назовите частицы и продукты. При решении важно не приравнивать два процесса: с водой устанавливается равновесие, а при реакции с HCl образуется соль. В обоих случаях аммиак принимает протон благодаря электронной паре азота.
Ответ: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻; NH₃ + HCl → NH₄Cl. В первом случае возникают ионы в равновесной системе, во втором — соль хлорид аммония.
Задача: смесь NH₄Cl и инертной соли обработали избытком щёлочи; при нормальных условиях выделилось 2,24 л газа. Найдите массу аммиака. Инертная соль в реакции не участвует, а избыток щёлочи означает, что количество NH₄Cl определяет количество NH₃. Этот пример показывает порядок расчёта, если в условии заданы конкретные объём и условия газа.
Ответ: выделилось 1,7 г аммиака. Если объём задан не при нормальных условиях, сначала находят количество газа по уравнению состояния pV = nRT, а затем используют соотношение из уравнения реакции.
Ошибка: считать, что степень окисления азота −3 — это заряд NH₃. Так происходит, когда условный заряд атома смешивают с зарядом всей частицы. Проверка простая: сумма степеней окисления в нейтральной молекуле должна быть равна нулю, поэтому −3 у азота компенсируют три атома водорода с +1.
Ошибка: путать валентность азота со степенью окисления. Валентность показывает число образованных связей, а степень окисления — условное распределение электронов; обе величины относятся к атому, но описывают разное. В NH₃ проверьте число связей N–H и отдельно сумму степеней окисления: получатся III и −3.
Ошибка: записывать растворение NH₃ в воде как полную необратимую диссоциацию. Аммиак — молекулярное вещество, и только часть его молекул переносит протон воде; поэтому между частицами устанавливается равновесие. Проверяйте запись по знаку ⇄ и наличию в растворе как молекул NH₃, так и ионов NH₄⁺ и OH⁻.
Ошибка: проводить качественную реакцию на NH₄⁺ без нагревания или считать, что аммиак выделяется при добавлении любой соли. Газ появляется при действии щёлочи на соль аммония, а нагревание помогает его выделению. Чтобы проверить себя, найдите в исходном веществе катион NH₄⁺ и запишите реакцию с OH⁻, например NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O.
Для объяснения свойств аммиака нужны знания о строении атома, валентности, степени окисления и типах химической связи. При работе с солями пригодятся представления об ионных соединениях и умение составлять уравнения реакций. Основные свойства раствора NH₃ связывают тему с кислотами, основаниями и кислотно-основными реакциями.
Соли аммония применяют как азотные удобрения, поэтому их изучение связано с питанием растений и сельским хозяйством. Аммиак и соединения азота также включают в тему круговорота азота в природе. Понимание реакций NH₄⁺ помогает объяснить, как азот переходит между различными соединениями.
Почему азот в аммиаке имеет степень окисления −3?
В соединениях с водородом электронная пара связи N–H условно относится к более электроотрицательному азоту. Три таких пары дают азоту степень окисления −3, а водороду — +1. При этом молекула NH₃ в целом остаётся нейтральной.
Почему молекула аммиака имеет форму пирамиды?
У атома азота три общие электронные пары, образующие связи N–H, и одна неподелённая пара. Четыре электронные области отталкиваются и располагаются в пространстве, а атомы водорода занимают вершины треугольного основания. Поэтому форма молекулы — тригональная пирамида.
Аммиак — основание, если в его формуле нет группы OH?
Да: оснóвные свойства аммиака связаны не с группой OH, а с неподелённой электронной парой азота. Аммиак принимает протон у воды, и в растворе образуются NH₄⁺ и OH⁻. Поэтому раствор имеет щелочную реакцию.
Чем аммиак отличается от иона аммония?
Аммиак NH₃ — нейтральная молекула с тремя связями N–H и неподелённой парой электронов. Ион аммония NH₄⁺ возникает, когда молекула NH₃ присоединяет протон H⁺; у него четыре связи N–H и заряд +1. В обоих случаях степень окисления азота равна −3.
Как экспериментально обнаружить ион аммония?
К исследуемому веществу добавляют раствор щёлочи и нагревают смесь. Если присутствует NH₄⁺, выделяется аммиак NH₃ с резким характерным запахом; влажная красная лакмусовая бумага рядом с пробиркой синеет. Работать с газом нужно осторожно и не вдыхать его непосредственно.
18.3. Соединения азота со степенью окисления -3
