§ 13. Основные свойства аммиака

Определения и обозначения

Аммиак — соединение азота с водородом состава NH₃. Это бесцветный газ с резким характерным запахом, легче воздуха и хорошо растворимый в воде; он токсичен, поэтому его нельзя намеренно вдыхать. Формула показывает, что в молекуле на один атом азота приходятся три атома водорода.

Ион аммония — катион NH₄⁺, который образуется, когда молекула аммиака присоединяет ион водорода H⁺. В отличие от нейтральной молекулы NH₃, этот ион имеет положительный заряд и четыре атома водорода. Он входит в состав солей аммония.

Раствор аммиака — водный раствор, в котором одновременно присутствуют молекулы NH₃ и H₂O, а также ионы NH₄⁺ и OH⁻. Между ними устанавливается равновесие, то есть прямое и обратное превращения идут одновременно. Это объясняет щелочную реакцию раствора.

Основные свойства аммиака — способность взаимодействовать с водой и кислотами с образованием иона аммония и солей аммония. Эти свойства позволяют распознавать аммиачный раствор индикатором и получать важные соли. Например, при реакции с соляной кислотой образуется хлорид аммония.

Как это устроено

В молекуле NH₃ атом азота связан с тремя атомами водорода ковалентными полярными связями, а часть электронов азота образует неподелённую пару. Электронная плотность смещена к азоту, поэтому молекула полярна. Неподелённая пара может взаимодействовать с положительно заряженным ионом H⁺: так образуется NH₄⁺. Именно поэтому аммиак способен принимать ион водорода.

Вода тоже состоит из полярных молекул, поэтому она притягивается к молекулам аммиака и хорошо их растворяет. Кроме физического растворения происходит химическое взаимодействие: некоторые молекулы NH₃ принимают от воды H⁺. В растворе появляются ионы NH₄⁺ и OH⁻, а наличие OH⁻ создаёт щелочную среду. Чем больше таких ионов в растворе, тем заметнее его щелочные свойства.

Взаимодействие записывают уравнением NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Двойная стрелка показывает, что реакция обратима и не все молекулы аммиака превращаются в ионы. Ион NH₄⁺ возникает из NH₃ после присоединения H⁺, а вода, отдавая этот ион, превращается в OH⁻. Поэтому в растворе сосуществуют и молекулы, и ионы.

Кислоты содержат ионы водорода, которые может присоединить аммиак, поэтому при их взаимодействии образуются соли аммония. С соляной кислотой реакция идёт по уравнению NH₃ + HCl → NH₄Cl. С серной кислотой при полной нейтрализации записывают 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄: на один ион SO₄²⁻ нужны два катиона NH₄⁺. Число частиц в формуле соли должно обеспечивать общий заряд, равный нулю.

Щелочную среду раствора можно обнаружить индикатором, потому что его окраска зависит от присутствия ионов OH⁻. Например, красный лакмус в аммиачном растворе становится синим, а фенолфталеин приобретает малиновую окраску. Это не означает, что газ NH₃ сам является щёлочью: изменение цвета происходит именно в водном растворе. Индикатор позволяет установить характер среды, но не показывает точное количество аммиака.

Основные свойства аммиака

В таблице собраны свойства NH₃, уравнения реакций и наблюдения, по которым можно сделать вывод о поведении аммиака. При разборе опыта сначала определите, идёт ли речь о газе или водном растворе, а затем свяжите наблюдение с уравнением. Обратите внимание на коэффициенты и состав соли: они показывают соотношение реагирующих частиц.

Разбор задач

1. Аммиак и вода

Условие. Запишите уравнение взаимодействия аммиака с водой и укажите ионы, обусловливающие щелочную реакцию раствора. Нужно показать не только состав частиц, но и причину щелочных свойств.

1. Записываем формулы реагентов: NH₃ и H₂O.
2. Аммиак присоединяет H⁺ и превращается в NH₄⁺, а вода после отдачи H⁺ образует OH⁻.
3. Ставим знак равновесия, поскольку превращение обратимо и в растворе остаются молекулы исходных веществ.

Ответ. NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Щелочную реакцию обусловливают гидроксид-ионы OH⁻.

2. Масса хлорида аммония

Условие. Какую массу NH₄Cl можно получить из 4,48 л NH₃ при нормальных условиях, если HCl взят в избытке? Избыток кислоты означает, что ограничивающим реагентом будет аммиак. В уравнении реакции вещества соотносятся как 1:1.

1. Записываем уравнение: NH₃ + HCl → NH₄Cl.
2. Находим количество аммиака: n(NH₃) = V/Vₘ = 4,48/22,4 = 0,20 моль.
3. По соотношению 1:1 получаем n(NH₄Cl) = 0,20 моль.
4. Вычисляем молярную массу NH₄Cl: 14 + 4·1 + 35,5 = 53,5 г/моль. Тогда m = nM = 0,20·53,5 = 10,7 г.

Ответ. Можно получить 10,7 г хлорида аммония.

3. Цепочка превращений

Условие. Из NH₄Cl нужно получить аммиак, пропустить его в воду, а затем нейтрализовать раствор серной кислотой. Для первого этапа требуется щёлочь: при её взаимодействии с солью аммония выделяется NH₃. На последнем этапе учитываем, что полная нейтрализация H₂SO₄ требует двух частиц аммиака на одну частицу кислоты.

1. Получаем аммиак: NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O. Продукты — аммиак, хлорид натрия и вода.
2. Растворяем аммиак в воде: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Образуются ионы аммония и гидроксид-ионы, раствор становится щелочным.
3. Нейтрализуем раствор серной кислотой: 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄. Продукт реакции — сульфат аммония.

Ответ. Последовательность продуктов: NH₃ и NaCl на первом этапе, ионы NH₄⁺ и OH⁻ в растворе на втором, (NH₄)₂SO₄ после нейтрализации.

Типичные ошибки

Ошибка — записывать реакцию аммиака с водой как необратимую. Так поступают, потому что привычны уравнения со стрелкой вправо, но здесь превращение частичное и устанавливается равновесие. Проверка: если в воде остаются молекулы NH₃ и H₂O, нужно поставить ⇄.

Ошибка — называть сам аммиак щёлочью. Путаница возникает потому, что водный раствор NH₃ изменяет окраску индикатора, как раствор основания. Проверяйте, указано ли присутствие воды: щелочную среду создают ионы OH⁻ в растворе, а газ NH₃ — отдельное молекулярное вещество.

Ошибка — записывать формулу соли как NH₃Cl. В соли аммония должен быть катион NH₄⁺, а не нейтральная молекула аммиака. Чтобы проверить запись, найдите катион и анион и убедитесь, что суммарный заряд формульной единицы равен нулю: NH₄⁺ и Cl⁻ дают NH₄Cl.

Ошибка — не учитывать число ионов водорода в кислоте и получать неверный состав соли. Например, при полной нейтрализации H₂SO₄ нужны два катиона NH₄⁺ на один сульфат-ион, поэтому формула продукта — (NH₄)₂SO₄. Проверяйте коэффициенты и заряды ионов; для HCl соотношение проще — одна частица NH₃ на одну частицу кислоты.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства аммиака, нужно знать строение атома азота, полярную ковалентную связь, формулы кислот, оснований и солей, а также смысл ионных уравнений. Эти знания помогают объяснить, как возникает NH₄⁺ и почему в растворе появляются OH⁻.

Тема пригодится при изучении солей аммония, качественной реакции на NH₄⁺ и способов получения аммиака. Она также связывает электролитическую диссоциацию с кислотно-основными взаимодействиями и равновесными реакциями: эти понятия объясняют состав раствора и ход реакций.

Что запомнить

• Аммиак имеет формулу NH₃ и является бесцветным газом с резким запахом.
• Молекулы аммиака полярны, поэтому NH₃ хорошо растворяется в воде.
• В воде аммиак частично превращается в ионы NH₄⁺ и OH⁻.
• Раствор аммиака проявляет щелочную реакцию.
• С кислотами аммиак образует соли аммония.
• Соляная кислота образует хлорид аммония NH₄Cl, а серная кислота — сульфат аммония (NH₄)₂SO₄.
• Сам аммиак не является щёлочью; щелочные свойства проявляет его водный раствор.