Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 10. ПОДГРУППА АЗОТА

§ 10.3. Аммиак

Строение молекулы. Азот образует с гідрогеном несколько соединений, из которых важнейшим является аммиак. Электронная формула молекулы аммиака такая:

Видно, что из четырех электронных пар у азота - три общие (связующие) и одна неразделенная (незв'язуюча).

Строение молекулы NH₃ рассмотрено ранее (см. рис. 3.4). Она имеет форму пирамиды. Химическая связь N-Н полярный: положительный заряд сосредоточен на атомах водорода, отрицательный - на атоме азота. Вследствие этого между молекулами аммиака образуется водородная связь,что можно изобразить так:

Вследствие водородных связей аммиак имеет сравнительно высокие температуры плавления и кипения, а также значительную теплоту испарения, он легко сжижается.

Физические свойства. Аммиак - бесцветный газ с характерным резким запахом, почти в два раза легче воздуха. При увеличении давления или охлаждении он легко сжижается в бесцветную жидкость (температура кипения -33,4°С). Аммиак очень хорошо растворяется в воде (при 20°С в 1 объеме воды растворяется до 700 объемов NH₃).

Раствор аммиака в воде называется аммиачной водой или нашатырным спиртом. Во время кипячения растворенный аммиак звітрюється из раствора.

Химические свойства. Большая растворимость аммиака в воде обусловлена образованием водородных связей между их молекулами:

Однако, кроме таких гидратов аммиака,¹ частично образуются ионы аммония и гидроксид-ионы:

Гидроксид-ионы обусловливают слабощелочную (их мало) реакцию аммиачной воды. При взаимодействии их с ионами NH⁺₄ вновь образуются молекулы NH₃ и Н₂О, соединенные водородным связью, т.е. реакция происходит в обратном направлении. Образование ионов аммония и гидроксид-ионов в аммиачной воде можно изобразить уравнением:

NH₃ + Н₂O ⇆ NH₃ ∙ Н₂О ∙ NH⁺ + ОН^-.

В аммиачной воде наибольшая часть аммиака содержится в виде молекул NH₃, равновесие смещено в сторону образования аммиака, поэтому она пахнет аммиаком. Несмотря на это, водный раствор аммиака по установленной традиции обозначают формулой NH4OH ¹ и называют гидроксидом аммония, а щелочную реакцию раствора объясняют диссоциацией молекул NH₄OH:

NH₄OH ⇆NH⁺ + ОН^-

Поскольку в растворе аммиака в воде концентрация гидроксид - ионов невелика, гидроксид аммония относится к слабым основ.

Следовательно, в реакции взаимодействия аммиака с водой к молекуле аммиака присоединяется протон из воды, вследствие чего образуется катион аммония NH⁺₄ и гидроксид-ион ОН . В катіоні аммония четыре ковалентных связи, один из них образованная по донорно-акцепторным механизмом (см. § 3.1).

Важным химическим свойством аммиака является его взаимодействие с кислотами с образованием солей аммония. В этом случае к молекулы аммиака присоединяется ион водорода кислоты, образуя ион аммония, входит в состав соли:

NH₃ = НСl + NH₄Cl; .

NH₃ + Н₃РО₄ = NH₄H₂PO₄.

Из приведенных примеров следует, что для аммиака характерна реакция присоединения протона.

Аммиак сгорает в кислороде и в воздухе (предварительно подогретом) с образованием азота и воды:

4NH₃ + 3О₂ = 2N₂ + 6Н₂О.

При наличии катализатора (например, платины, оксида хрома(III)) реакция происходит с образованием оксида азота(II) и воды:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6Н₂О.

Эта реакция называется каталитическим окисненням аммиака.

¹ Поскольку такого вещества нет, то вопреки традиции ее можно изображать как гидрат NН₃ ∙ Н₂О или просто NН₃ (без гидроксид-иона).

Аммиак - сильный восстановитель. При нагревании он восстанавливает оксид купруму(II), сам окисляется до свободного азота:

+2 -3 0 0

ВСuО + 2NH₃ = ВСu + N₂ + ЗН₂О;

С помощью этой реакции можно добыть азот в лабораторных условиях.

Добывания и применения. В лабораторных условиях аммиак обычно получают слабым нагреванием смеси хлорида аммония с гашеной известью:

2NH₄Cl+ Са (ОН)₂ = Саси₂ + 2NH₃ ↑ + 2Н₂О.

Эта реакция основывается на смещении равновесия взаимодействия аммиака с водой при добавлении гидроксид-ионов:

NH+ + ОН^- ⇆ NH₃ ↑ + Н₂O.

Основным способом добывания аммиака в промышленности является его синтез из азота и водорода. Реакция экзотермическая и оборотная:

N₂ + ЗН₂ ⇆ 2NH₃, ∆ Н° = -92,4 кДж.

Она происходит только за наличии катализатора - губчатого железа с добавками активаторов - оксидов алюминия, калия, кальция, кремния (иногда и магния). Исходные продукты добывают: азот - из жидкого воздуха, водород - конверсионным способом или с воды (см. § 8.2).

Большие количества аммиака тратятся для добывания азотной (азотистой) кислоты, азотсодержащих солей, мочевины, соды по аммиачным методом. На легком прореживании и последующем испарении с поглощением теплоты основывается "его применения в холодильном деле.

Жидкий аммиак и его водные растворы применяют как жидкие удобрения.

 ¹ Гидраты - продукты присоединения воды к веществам.