ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

НИТРОГЕН. ФОСФОР

Аммиак

Молекула аммиака (NH₃) представляет собой треугольную пирамиду, в одной вершине которой находится атом Азота, а в других - атомы Водорода. Угол между связями NH равна 107,8°.

Атом Нитрогена в данном соединении проявляет степень окисления-3.

Атомы связанные в молекулу ковалентними полярными связями. Атом Азота в данном случае является акцептор электронов, а атомы Водорода - донорами. За счет этого на атомах Водорода концентрируется положительный заряд, а на атоме Азота - негативный.

Физические свойства аммиака

Аммиак представляет собой бесцветный газ, с резким характерным запахом. Именно аммиак предоставляет запаха медицинскому препарату, который называют «нашатырный спирт». Температуры его фазовых переходов равны: Т_пл = -78 °С и Т_кип = -33 °С. В жидком состоянии между молекулами аммиака образуются устойчивые водородные связи, чем объясняются высокие температуры кипения и плавления:

Аммиак очень хорошо растворяется в воде: при +20 °С в 1 литре воды растворяется 700 литров аммиака, а при 0 °С - 1180 литров. Такая хорошая растворимость в воде объясняется образованием водородных связей между молекулами аммиака и воды:

Жидкий аммиак является хорошим полярным растворителем. В нем растворяются многие ионных соединений, например такие, как NH₄I (369 г соли на 100 г аммиака), NH₄Cl (103), AgCl (207).

Кроме воды, аммиак растворяется в спирте, хлороформе, ацетоне и некоторых других растворителях.

Химические свойства аммиака

Реакции присоединения

Процесс образование водородной связи между атомом Водорода молекулы воды и атомом Азота аммиака обычно на этой стадии не останавливается, а проходит с образованием ионов аммония и гидроксид-ионов. Смещение электронной плотности указанный на схеме стрелочкой:

Или в молекулярном виде:

Четвертый связь между Азотом и Гідрогеном в ионе аммония образуется за донорно-акцепторным механизмом. Ион аммония имеет форму правильной треугольной пирамиды (тетраэдра), в вершинах которой находятся атомы Водорода, а в ее центре - атом Азота. При этом заряд не сосредоточен на каком-нибудь атоме в молекуле, а равномерно распределен между всеми пятью атомами:

С приведенных выше уравнений реакций видно, что раствор аммиака в воде является основой, то есть генерирует гидроксид-ионы. Однако записывать эту основу как гидроксид аммония NH₄OH не следует, поскольку такое соединение не обнаружена ни в растворе, ни в кристаллическом состоянии. Ее следует записывать как NH₃ ∙ Н₂О, потому что такие частицы обнаружены в водных растворах.

Константа диссоциации NH₃ ∙ Н₂О на ион аммония и гидроксид-ион в водном растворе равна 1,77 ∙ 10^-5.

Основные свойства аммиака проявляются в реакциях с кислотами. При этом образуются соли аммония:

Ион аммония в растворе ведет себя так, как ион щелочного металла Калия, что можно объяснить подобными размерами этих ионов.

Соли аммония в сильной щелочной среде распадаются, потому что более сильные основания вытесняют из раствора более слабые основания:

Реакции с металлами

Жидкий аммиак по некоторым химическим свойствам похож на воду. Например, при реакции активного металла с водой выделяется водород и образуется гидроксид. С другой стороны, при взаимодействии того же активного металла с жидким амоніаком так же выделяется водород и образуется амид металла:

Такие аналогии проявляются и в других реакциях, например в реакции нейтрализации воде и аммиака имеют такой вид:

Таким образом, аналогами оснований в водных растворах являются амиды металлов, а аналогами кислот - соли аммония. Например, сильными кислотами в аммиака является хлорид и нитрат аммония (NH₄Cl и NH₄NO₃), а сильными основами - амиды Натрия и Калия (NaNH₂ и KNH₂).

При избытка металла в жидком аммиака образуются іміди, соединения, в которых атомы 2 Водорода из аммиака заменены атомами металлов:

Предельным случаем такого замещения является нитриды Na₃N.

При гидролизе всех соединений такого типа образуется щелочь и аммиак:

Реакции с изменением степени окисления

Атом Азота в молекуле аммиака способен только окисляться и при этом выступать в роли восстановителя. При высокой температуре аммиак сгорает в кислороде воздуха, вследствие чего образуется молекулярный азот и вода:

В присутствии катализатора (Pt, Сг₂O₃) окисления Азота продолжается, при этом образуется азот(II) оксид:

В водных растворах восстанавливает бром:

Соли аммония

По счет гидролиза растворы солей аммония проявляют слабо-кислую реакцию:

При действия растворов щелочей на соли аммония выделяется аммиак:

Соли аммония при нагревании разлагаются с различными механизмами:

Соли аммония используют во многих отраслях народного хозяйства. Это показано в таблицы.

Применение аммиака

Аммиак преимущественно используют как реагент для производства более сложных химических соединений, таких как азотная кислота, сода, различные соли аммония. Много аммиака используют для производства различных органических соединений, содержащих атомы Азота. Сегодня аммиак широко используют в холодильных установках. Иногда аммиак используют как жидкое удобрение.

Качественная реакция на ион аммония

Поскольку почти все соли аммония хорошо растворимы в воде, то для обнаружения аммиака изучают запах исследуемого раствора, в который предварительно добавляют щелочь. В случае присутствии в растворе ионов аммония, при підлуговуванні выделяется аммиак, запах которого легко выявить:

Добыча аммиака

В промышленности аммиак получают из простых веществ в присутствии катализатора губчатого железа, платины или вольфрам оксида W₂О₅ с добавкой некоторых соединений, таких как оксиды Калия К₂О, Железа(III) Fe₂О₃, Кальция СаО и Кремния SiО₂. Для этого катализатора ядами являются соединения Серы и оксиды Карбона, поэтому сырье предварительно очищают от таких примесей. Реакция синтеза аммиака является экзотермической, т.е. в ходе реакции выделяется теплота:

Объем смеси в результате реакции уменьшается (реагентов - 4 объемы, а продуктов - только 2). Тогда, по принципу Ле Шателье, для лучшего выхода продукта необходимо придерживаться низкой температуры и высокого давления. Учитывая это, обычно синтез аммиака проводят при температуре около +500 °С и давлении 25-35 МПа. Температуру повышают для того, чтобы ускорить реакцию, поскольку при более низкой температуре равновесное состояние формируется на протяжении достаточно длительного времени.

Схема установки для извлечения аммиака

Подогретая до нужной температуры смесь азота и водорода сжимается до необходимого давления с помощью компрессора (1). Затем смесь проходит очистку в угольном фильтре и масловіддільнику (2) для удаления следов вакуумного масла и пыли. Очищенная смесь подается в реактор (3), заполненный катализатором. В результате такой реакции образуется около 30 % аммиака. Далее смесь аммиака и непрореагованих азота и водорода поступает в холодильник (4). Поскольку аммиак имеет достаточно высокую температуру конденсации (-33 °С), по сравнению с реагентами, в холодильнике он конденсируется и тем самым отделяется от реагентов. С выхода (5) поступает жидкий аммиак, а по трубе (6) в систему возвращаются реагенты.

Такой циклический метод использования реагентов обеспечивает 95% выход аммиака.