"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Азот N₂ — простое вещество, составляющее большую часть воздуха. Прочная тройная связь делает его малоактивным, но при особых условиях из азота получают аммиак NH₃. Аммиак проявляет основные свойства и образует соли аммония, а из него промышленно производят азотную кислоту HNO₃. Кислота является сильным окислителем, а её соли — нитраты — широко применяются как удобрения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азот — простое вещество N₂, состоящее из двух атомов азота. В природе он находится главным образом в воздухе, где его около 78%, а также входит в состав белков и других соединений. Формула N₂ нужна для правильной записи реакций и расчётов.
Аммиак — соединение азота с водородом, его формула NH₃. Это бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде и проявляющий основные свойства. Знание формулы помогает составлять уравнения его получения и реакций с кислотами.
Соли аммония — соединения, содержащие положительно заряженный ион NH₄⁺. Он образуется из молекулы аммиака при присоединении иона водорода H⁺. По реакции соли со щёлочью, при которой выделяется аммиак, такие соли распознают.
Азотная кислота — сильная кислота HNO₃. Помимо кислотных свойств, она проявляет окислительные свойства и может окислять многие металлы. Поэтому продукты её реакций часто отличаются от продуктов взаимодействия металлов с соляной или разбавленной серной кислотой.
Молекула N₂ малоактивна, потому что атомы в ней соединены тройной ковалентной связью. Для разрыва этой связи требуется много энергии, поэтому при обычной температуре азот вступает в реакции медленно. При нагревании, действии электрического разряда или участии катализатора его реакционная способность возрастает. Так объясняется сочетание большого содержания азота в воздухе и его сравнительной химической устойчивости.
Аммиак получают соединением азота с водородом: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Повышенное давление способствует образованию аммиака, потому что из четырёх молекул исходных газов получается две молекулы продукта. Катализатор ускоряет установление равновесия, а температура должна быть достаточно высокой для заметной скорости реакции. Слишком сильное нагревание, однако, уменьшает равновесный выход NH₃, поэтому на практике выбирают компромиссные условия.
В молекуле NH₃ атом азота связан с тремя атомами водорода, а неподелённая электронная пара придаёт аммиаку основные свойства. В воде часть молекул реагирует с ней: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻, поэтому раствор становится щелочным. С кислотами аммиак связывает ионы водорода, образуя соли аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. В растворе аммиак не превращается целиком в ионы, поэтому реакция с водой обратима.
Азотную кислоту промышленно получают из аммиака: сначала его окисляют до оксида азота(II), затем до оксида азота(IV), а после поглощают оксид водой. В результате образуется HNO₃. Азот в кислоте находится в высокой степени окисления, поэтому может принимать электроны от металлов и других веществ. Продуктами восстановления кислоты становятся, например, NO или NO₂, а не обычно выделяющийся водород.
Нитраты образуются при взаимодействии азотной кислоты с основаниями, основными оксидами, металлами или солями. При нагревании нитраты неустойчивы: одни превращаются в нитриты, другие — в оксиды металлов, при этом выделяется кислород. Например, 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂, а 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂. Состав продуктов зависит от активности металла, входящего в нитрат.
В таблице сначала найдите вещество, а затем сравните его состав, свойства, получение и применение. Формулы помогают отличать простое вещество от соединений азота. Уравнения реакций показывают, какие свойства лежат в основе получения и использования веществ.
| Характеристика | Азот N₂ | Аммиак NH₃ | Азотная кислота HNO₃ |
|---|---|---|---|
| Тип вещества и состав | Простое вещество, молекулы N₂ | Сложное вещество, азот и водород | Сложное вещество, кислота |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, мало растворим в воде | Бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде | Бесцветная жидкость, смешивается с водой |
| Характерные химические свойства | Малоактивен, реагирует при особых условиях | Проявляет основные свойства, реагирует с кислотами | Сильная кислота и окислитель |
| Получение | Разделение жидкого воздуха | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ | Окисление аммиака и поглощение оксидов водой |
| Применение | Инертная атмосфера, производство соединений азота | Удобрения, азотная кислота, хладагент | Удобрения, взрывчатые вещества, химический синтез |
Нужно записать формулы азота, водорода и аммиака. Азот и водород существуют в виде двухатомных молекул, поэтому используют N₂ и H₂. Затем коэффициентами уравнивают число атомов каждого элемента.
Ответ: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Коэффициенты равны 1, 3 и 2, а стрелка обратимости отражает равновесие промышленного процесса.
Водород взят в избытке, поэтому ограничивающим веществом является азот. По уравнению реакции 1 моль N₂ даёт 2 моль NH₃. Молярные массы равны M(N₂) = 28 г/моль и M(NH₃) = 17 г/моль.
Ответ: образуется 34 г аммиака. Сначала всегда переводят массу исходного вещества в количество вещества, а затем используют соотношение коэффициентов.
Реакция идёт по уравнению 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄. Получено 26,4 г соли, что составляет только 80% теоретического выхода. Поэтому сначала нужно восстановить теоретическую массу продукта, затем найти количество аммиака.
Ответ: объём аммиака равен 11,2 л. Учёт выхода обязателен: фактическая масса продукта меньше расчётной теоретической.
Нельзя считать азот в воздухе полностью нереакционноспособным. Ошибка возникает из-за его малой активности при обычных условиях, но при нагревании, электрическом разряде или с катализатором N₂ реагирует. Проверьте себя: вспомните синтез аммиака и образование оксидов азота.
Растворение аммиака в воде — не только физический процесс. Часть NH₃ взаимодействует с водой с образованием NH₄⁺ и OH⁻, поэтому раствор имеет щелочную реакцию. Проверка проста: влажный красный лакмус должен посинеть.
Ион аммония записывают как NH₄⁺, а не NH₃⁺. При присоединении H⁺ к аммиаку число атомов водорода увеличивается до четырёх, а заряд становится положительным. Сверяйте формулу с уравнением NH₃ + H⁺ → NH₄⁺.
Азотная кислота является окислителем не только в реакциях с неметаллами, но и с металлами. Поэтому металл обычно не вытесняет из неё водород: восстанавливаются соединения азота. Проверяйте, какая кислота участвует и какие продукты восстановления возможны.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, валентности, составе воздуха и типах химических связей. Также важно уметь составлять и уравнивать реакции. Эти умения позволяют объяснить свойства N₂ и NH₃.
Соединения азота связаны с темами минеральных удобрений, круговорота азота в природе и химических свойств кислот. Нитраты возвращают азот в почву, но их избыток может вредить окружающей среде. Расчёты по уравнениям пригодятся при нахождении выхода продукта и объёма газа.
Почему азот составляет большую часть воздуха, но обычно не поддерживает горение?
В воздухе много молекулярного азота N₂, но его атомы соединены очень прочной тройной связью. Для её разрыва нужна значительная энергия, поэтому при обычных условиях азот малоактивен и не поддерживает горение.
Почему при синтезе аммиака нужны особые условия?
Связь в молекуле N₂ прочная, поэтому азот трудно соединяется с водородом. Повышенные температура, давление и катализатор ускоряют реакцию и увеличивают выход аммиака, хотя слишком высокая температура мешает равновесию.
Как доказать, что в растворе присутствует аммиак?
К раствору добавляют щёлочь и слегка нагревают: выделяется аммиак с резким запахом. Влажная красная лакмусовая бумага синеет, потому что NH₃ создаёт щелочную среду.
Чем ион аммония отличается от молекулы аммиака?
Молекула аммиака имеет формулу NH₃ и не обладает электрическим зарядом. Ион аммония NH₄⁺ образуется при присоединении иона водорода H⁺ к аммиаку и имеет заряд +1.
Почему при реакции металла с азотной кислотой обычно не выделяется водород?
Азотная кислота является окислителем: она восстанавливается до оксидов азота или других продуктов, а металл окисляется. Поэтому ионы H⁺ обычно не превращаются в молекулы H₂, как при реакции металла с неокисляющей кислотой.
§ 35. Азот и его соединения
