Азот. Аммиак

28 Апр

Азот –  элемент 2-го периода  V А-группы Периодической системы,  порядковый номер 7. Электронная формула атома [2He]2s22p3, характерные степени окисления 0,-3, +3 и +5, реже +2 и +4 и др.

stroenie-atoma-azota

Шкала степеней окисления у азота:
+5 —   N2O5, NO3, NaNO3, AgNO3

+4 —  NO2

+3 – N2O3, NO2, HNO2, NaNO2, NF3

+2 —  NO

+1 – N2O

0 —  N2

-3 — NH3, NH4, NH3 * H2O, NH2Cl, Li3N, Cl3N.

Азот обладает высокой электроотрицательностью (3,07), третий после F и O. Проявляет типичные неметаллические (кислотные) свойства, образуя при этом различные кислородсодержащие кислоты, соли и бинарные соединения, а так же катион аммония NH4 и его соли.

В природе – семнадцатый по химической распространенности элемент (девятый среди неметаллов). Жизненно важный элемент для всех организмов.

  Азот N2. Простое вещество. Состоит из неполярных молекул с очень устойчивой ˚σππ-связью N≡N, этим объясняется химическая инертность элемента при обычных условиях.

obrazovanie-molekuly-azota-1 obrazovanie-molekuly-azota svyazi-v-molekule-azota

Бесцветный газ без вкуса и запаха, конденсируется в бесцветную жидкость (в отличие от O2).

Главная составная часть воздуха 78,09% по объему, 75,52 по массе. Из жидкого воздуха азот выкипает раньше, чем кислород. Малорастворим в воде (15,4 мл/1 л H2O при 20 ˚C), растворимость азота меньше, чем у кислорода.

При комнатной температуре N2, реагирует с фтором и в очень малой степени – с кислородом:

 N2 + 3F2 = 2NF3,  N2 + O↔ 2NO

Обратимая реакция получения аммиака протекает при температуре 200˚C, под давлением до 350 атм и обязательно в присутствии катализатора (Fe, F2O3, FeO, в лаборатории при Pt )

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 92 кДж

В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение выхода аммиака должно происходить при повышении давления и понижении температуры. Однако скорость реакции при низких температурах очень мала, поэтому процесс ведут при 450-500 ˚C, достигая  15%-ного выхода аммиака. Непрориагировавшие  N2 и H2 возвращают в реактор  и тем самым увеличивают степень протекания реакции.

Азот химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам, не поддерживает горения.

Получение в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха или удаление из воздуха кислорода химическим путем, например по реакции 2C(кокс) + O2 = 2CO при нагревании. В этих случаях получают азот, содержащий так же примеси благородных газов (главным образом аргон).

В лаборатории небольшие количества химически чистого азота можно получить по реакции конмутации при умеренном нагревании:

N-3H4N+3O2(T) = N20 + 2H2O (60-70)

NH4Cl(p) + KNO2(p) = N20↑ + KCl +2H2O (100˚C)

Применяется для синтеза аммиака. Азотной кислоты и других азотсодержащих продуктов, как инертная среда проведения химических и металлургических процессов и хранения огнеопасных веществ.

   Аммиак NH3. Бинарное соединение , степень окисления азота равна – 3. Бесцветный газ с резким характерным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: N(H)3] (sp3-гибридизация). Наличие у азота в молекуле NH3  донорской пары электронов на  sp3-гибридной орбитали обуславливает характерную реакцию присоединения катиона водорода, при этом образуется катион аммония NH4.

ammiak obrazovanie-donorno-akceptornyx-svyazej

Сжижается под избыточным давлением при комнатной температуре. В жидком состоянии ассоциирован за счет водородных связей. Термически неустойчив. Хорошо растворим в воде (более 700 л/1 л H2O при 20˚C); доля в насыщенном растворе равна 34% по массе и = 99% по объему, pH= 11,8.

Весьма реакционноспособный, склонен к реакциям присоединения. Сгорает в кислороде, реагирует с кислотами. Проявляет восстановительные (за счет N-3) и окислительные (за счет H+1) свойства. Осушается только оксидом кальция.

Качественные реакции – образование белого «дыма» при контакте с газообразным  HCl, почернение бумажки, смоченной раствором Hg2(NO3)2.

Промежуточный продукт при синтезе HNO3  и солей аммония. Применяется  в производстве соды, азотных удобрений, красителей, взрывчатых веществ; жидкий аммиак – хладагент. Ядовит.
Уравнения важнейших реакций:

2NH3(г) ↔ N2 + 3H2
NH3(г) + H2O  ↔ NH3 *  H2O (р)↔ NH4++ OH
NH3(г) + HCl(г) ↔ NH4Cl(г) белый «дым»
4NH3 + 3O2 (воздух) = 2N2 + 6 H2O   (сгорание)
4NH3 + 5O2 =  4NO+ 6 H2O   (800˚C, кат. Pt/Rh)
2 NH3 + 3CuO = 3Cu + N+ 3 H2O   (500˚C)
2 NH3 + 3Mg = Mg3N2 +3 H2           (600 ˚C )
NH3(г) + CO2(г) + H2O = NH4HCO3    (комнатная температура, давление)
Получение.   В лаборатории – вытеснение аммиака из солей аммония при нагревании с натронной известью (NaOH + CaO):
NH4Cl  NH3
Или кипячение водного раствора аммиака с последующим осушением газа.
  В промышленности аммиак получают из азота (см.) с водородом. Выпускается промышленностью либо в сжиженном виде, либо в виде концентрированного водного раствора под техническим названием аммиачная вода.
  Гидрат аммиака NH3 H2O. Межмолекулярное соединение. Белый, в кристаллической решетке – молекулы  NH3 и H2O, связанные слабой водородной связью NH3N ..  HOH. Присутствует в водном растворе аммиака, слабое основание (продукты диссоциации – катион NH4 и анион OH). Катион аммония имеет правильно-тетраэндрическое строение     (sp3-гибридизация). Термически неустойчив, полностью разлагается при кипячении раствора. Нейтрализуется сильными кислотами. Проявляет восстановительные свойства (за счет N-3) в концентрированном растворе. Вступает в реакцию ионного обмена и комплексообразования.

   Качественная реакция – образование белого «дыма» при контакте с газообразным HCl. Применяется для создания слабощелочной среды в растворе, при осаждении амфотерных гидроксидов.
в 1 М растворе аммиака содержится в основном гидрат NH3  H2O и лишь 0,4% ионов NH4  OH (за счет диссоциации гидрата); таким образом, ионный «гидроксид аммония NH4 OH» практически не содержится в растворе,  нет такого соединения и в твердом гидрате.
Уравнения важнейших реакций:
NH3 H2O (конц.)  = NH3↑ + H2O    (кипячение с NaOH)
NH3 H2O   + HCl (разб.)  = NH4Cl + H2O
3(NH3 H2O) (конц.)   + CrCl3 = Cr(OH)3↓ + 3 NH4Cl
8(NH3 H2O) (конц.)   + 3Br2(p) = N2↑ + 6 NH4Br + 8H2O (40-50˚C)
2(NH3 H2O) (конц.)   + 2KMnO4 = N2↑ + 2MnO2↓ + 4H2O + 2KOH
4(NH3 H2O) (конц.)    + Ag2O = 2[Ag(NH3)2]OH + 3H2O
4(NH3 H2O) (конц.)    + Cu(OH)2 + [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O
6(NH3 H2O) (конц.)   + NiCl2 = [Ni(NH3)6]Cl2 + 6H2O
Разбавленный раствор аммиака (3-10%-ный) часто называют нашатырным спиртом (название придумано алхимиками), а концентрированный раствор (18,5 – 25%-ный) – аммиачный раствор (выпускается промышленностью).

azot-ammiak-soli-ammoniya

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Одноклассники

Комментарии: