Аммиак NH3

Нитрид водорода, более известный как аммиак, представляет собой неорганическое химическое соединение с химической формулой NH₃.

Каждая молекула этого вещества состоит из одного атома азота и трех атомов водорода.

При обычных условиях аммиак является бесцветным газом с характерным резким запахом.

Аммиак или нитрид водорода NH₃

Азот образует несколько соединений с водородом; из них наибольшее значение имеет аммиак — бесцветный газ с характерным резким запахом, хорошо знакомым каждому по запаху нашатырного спирта.

Важно отметить, что аммиак занимает одну из ключевых позиций в химической промышленности. Ежегодно производится более 180 миллионов тонн этого соединения по всему миру.

Более того, возможность использования аммиака в качестве энергоносителя может привести к значительному увеличению его спроса до миллиардов тонн в год.

Получение аммиака

В недавнем прошлом основным источником получения аммиака было взаимодействие солей аммония с щелочами, с развитием угольно-металлургической промышленности он получался как побочный продукт при получении кокса.

Также были разработаны методы получения из цианамид кальция:

CaCN₂ + 3Н₂О = СаСО₃ + 2NH₃ + 18 ккал

В 1904 году и к 1909 году был создан первый контактный аппарат для синтеза аммиака:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

этот способ применяется до сих пор, подробнее. 

В лабораторных (домашних) условиях аммиак получают, нагревая смесь нашатыря NH₄Cl с гашеной известью Са(ОН)₂.

Реакция выражается уравнением:

2NH₄Cl + Са(ОН)₂ = CaCl₂ + 2H₂O + 2NH₃

Выделяющийся аммиак содержит пары воды.

Для осушения его пропускают через склянку с натронной известью (смесь извести с едким натром).

Один литр аммиака весит при нормальных условиях 0,77 г. Так как аммиак значительно легче воздуха, то его можно собирать в перевернутые вверх дном сосуды.

Рис. Установка для синтеза аммиака.

Жидкий аммиак хранят в стальных баллонах под давлением 6—7 ат.

Свойства

При охлаждении до —33,4° аммиак под обыкновенным давлением превращается в прозрачную жидкость, затвердевающую при —77,7°.

Сравнительно высокая температура кипения аммиака (—33,4°), не соответствующая его малому молекулярному весу (М = 17), объясняется сильной ассоциацией молекул жидкого аммиака, обусловленной их ясно выраженной полярностью.

Аммиак очень хорошо растворим в воде: 1 объем воды растворяет при обыкновенной температуре около 700 объемов аммиака.

Концентрированный раствор содержит 25% NH₃ и имеет уд. вес 0,91. Раствор аммиака в воде иногда называют нашатырным спиртом.

Обыкновенный медицинский нашатырный спирт содержит 10% NH₃.

С повышением температуры растворимость аммиака уменьшается, поэтому он выделяется при нагревании из концентрированного раствора, чем иногда пользуются в лабораториях для получения небольших количеств NH₃.

При низкой температуре из раствора аммиака может быть выделен кристаллогидрат NH₃ • Н₂О, плавящийся при —79°. Известен также кристаллогидрат состава NH₃ • 2Н₂О.

История

Аммиак (NH₃) впервые выделили в чистом виде в 1774 году Дж. Пристли, который назвал его «щелочным воздухом».

Через 11 лет, в 1785 году К. Бертолле установил точный химический состав аммиака. С тех начались исследования по получению аммиака из азота и водорода.

Аммиак был необходим для синтеза азотных соединений, так как использование чилийской селитры стало ограничено истощением ее запасов.

Проблема уменьшения запасов селитры стала особенно актуальной к концу XIX века. В начале XX века нам удалось разработать процесс синтеза аммиака, который был пригоден для промышленного применения.

Этим занимался Ф. Габер, который начал свои исследования в 1904 году и к 1909 году создал небольшой контактный аппарат, использующий повышенное давление и осмий как катализатор (в соответствии с принципом Ле-Шателье).

2 июля 1909 года Габер протестировал свой аппарат в присутствии К. Боша и А. Митташа, оба представляли Баденский анилиновый и содовый завод (BASF), и получил аммиак.

К 1911 году Бош создал крупномасштабную версию аппарата для BASF, а в 1913 году в Оппау (ныне район города Людвигсхафен-на-Рейне) был запущен первый в мире завод по производству аммиака, принадлежавший BASF.

В 1918 году Ф. Габер стал лауреатом Нобелевской премии по химии за синтез аммиака из его элементов.

В России и СССР первая партия синтетического аммиака была получена в 1928 году на Чернореченском химическом комбинате.

Взаимодействие с веществами

В химическом отношении аммиак довольно активен; он вступает во взаимодействие со многими веществами.

В аммиаке азот достигает высшей степени своего восстановления, отвечающей валентности — 3.

Поэтому в реакции, связанные с дальнейшим понижением валентности азота, аммиак не вступает: он обладает только восстановительными свойствами.

Если пропускать ток аммиака по трубке, вставленной в другую широкую трубку , по которой проходит кислород, то аммиак можно легко зажечь; он горит в кислороде бледным, зеленоватым пламенем.

При горении аммиака образуется вода и свободный азот:

 4NH₃ + 3O₂ = 6Н₂О + 2N₂

При других условиях аммиак может окисляться до окислов азота.

Взаимодействие с металлами

В отличие от водородных соединений металлоидов шестой и седьмой групп, аммиак не обладает сколько нибудь ясно выраженными кислотными свойствами.

Однако водород его может замещаться металлами, образующиеся при этом соединения называются нитридами.

Некоторые из их, как, например, нитриды кальция и магния, получатся путем непосредственного соединения азота с указанными металлами при высокой температуре:

3Mg + N₂ = Mg₃N₂

Многие нитриды полностью гидролизуются водой с образованием аммиака и гидроокиси металла.

Например:

Mg₃N₂ + 6Н₂О = 3Mg(OH)₂+ 2NH₃

При замещении в молекулах аммиака только одного атома водорода металлами образуются амиды металлов.

Так, например, пропуская аммиак над расплавленный натрием можно получать амид натрия NaNH₂ в виде бесцветных кристаллов, плавящихся при 210°:

2NH₃ + 2Na = 2NaNH₂ + Н₂

Вода разлагает амид натрия по уравнению:

NaNH₂ + Н₂О = NaOH + NH₃

Обладая сильными основными и водоотнимающими свойствами, амил натрия нашел применение при некоторых органических синтезах.

При синтезе такого важного красителя, как индиго, и при синтезе сульфидина.

Гидроксиламин

Продуктом замещения одного из атомов водорода в аммиаке на гидроксильную группу является гидроксиламин NH₂ОН — твердое вещество с точкой плавления 33°.

Гидроксиламин получается восстановлением азотной кислоты водородом в момент выделения.

Он легко растворяется в воде, образуя гидрат NH₂OH • H₂O частично диссоциирующий на ноны [NH3OH]^• и OH’.

Поэтому водный раствор гидроксиламина обладает основными свойствами; при нейтрализации его кислотами получаются соли гидроксиламина, например (NH₃OH)Cl (ср. ниже с аммиаком).

Гидроксиламин и его соли широко применяются при изготовления многих органических препаратов.

Взаимодействие с галогенами

Водород в аммиаке может также замениться галогенами, причем образуются очень неустойчивые соединения азота с галогенами.

Так, например, при действии хлора на концентрированный раствор хлористого аммония получается хлористый азот NCl₃:

NH₄Cl + 3Cl₂ = NCl₃ + 4HCl

в виде тяжелой маслянистой жидкости.

Подобными же свойствами обладает йодистый азот, образующийся в виде твердого черного, нерастворимого в воде вещества при действия йода на аммиак.

Во влажном состоянии он безопасен, но высушенный взрывает от малейшего прикосновения, выделяя при этом фиолетовые клубы паров иода.

Состав йодистого азота зависят от температуры, при которой он получается

При обычной температуре:

NJ₃ • NH₃.

Раствор аммиака в воде

Раствор аммиака в воде обладав щелочной реакцией, следовательно, в нем содержатся гидроксильные ионы.

Появление их в растворе объясняется тем, что часть молекул NH₃ соединяется с водородными ионами воды, образуя сложные однозарядные ионы NH₄^•(ионы аммония) и освобождая гидроксильные ионы:

NH₃ + Н₂О ⇄ NH₄ + ОН’

последние, в свою очередь, отчасти связываются с ионами аммония, образуя молекулы так называемого гидрата окиси аммония NH₄OH основания, в котором группа NH₄ играет роль одновалентного металла:

NH₄ + OH’ ⇄ NH₄OH

В результате в растворе устанавливается равновесие, с одной стороны, между ионами аммонии и гидроксила и молекулами гидрата окиси аммонии.

А с другой стороны, между теми же ионами и молекулами аммиака и воды:

NH₃ + H₂O ⇄ NH^•₄ + OH’ ⇄ NH₄OH

Таким образом, раствор аммиака содержит одновременно молекулы NH₃, ионы N^•₄ и ОН’ и молекулы гидрата окиси аммония.

Так как раствор аммиака имеет слабощелочную реакцию, то гидрат окиси аммония обычно рассматривается как слабое основание, лишь в незначительной степени диссоциирующее на ионы (константа диссоциации при 18° С равна 1,75 • 10^-5).

Существует мнение, что главная масса растворенного аммиака находится в раствор виде молекул NH₃.

При таких условиях существование в растворе не диссоциированого гидрата окиси аммония является сомнительным, поэтому допускается, что гидрат окиси аммония сильное, практически полстью диссоциированное основание.

Ионы которого не могут, однако, присутствовать в растворе в сколько-нибудь значительной концентрации вследствие сильного сдвига равновесия в лево.

Если к раствору аммиака прибавить какую-нибудь сильную кислоту, например соляную, то водородные ионы кислоты связываются как с находящимися в растворе гидроксильными группами.

Так и с молекулами аммиака (образуя с последними ионы аммония) в результате получается нейтральный раствор, в котором практически остаются только ионы аммонии и анионы взятой кислоты.

Происходящие реакции могут быть выражены следующими уравнениями:

NH₄OH + H^• = NH₄ + H₂O

NH₃ + H^• = NH₄

Быстрые ответы?