Какие свойства у аммиака

Строение

Молекула аммиака состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода. Связи между атомами водорода и азота ковалентные. Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды.

На 2р-орбитали азота находится три свободных электрона. С ними вступают в гибридизацию три атома водорода, образуя тип гибридизации sp3.

Рис. 1. Строение молекулы аммиака.

Если один атом водорода заменить углеводородным радикалом (CnHm), получится новое органическое вещество – амин. Замещаться может не только один атом водорода, но и все три. В зависимости от количества замещённых атомов различают три вида аминов:

• первичные (метиламин – CH3NH2);
• вторичные (диметиламин – СН3-NH-СН3);
• третичные (триметиламин – СН3-N-(СН3)2).

К молекуле аммиака могут присоединиться С2Н4, С6Н4, (С2Н4)2 и другие вещества, содержащие несколько атомов углерода и водорода.

Рис. 2. Образование аминов.

Физические

Основные физические свойства аммиака:

• бесцветный газ;
• резкий запах;
• хорошая растворимость в воде (на один объём воды 700 объёмов аммиака при 20°С, при 0°С – 1200);
• легче воздуха.

Аммиак сжижается при температуре -33°С и становится твёрдым при -78°С. Концентрированный раствор содержит 25 % аммиака и имеет плотность 0,91 г/см3. Жидкий аммиак растворяет неорганические и органические вещества, но не проводит электрический ток.

Химические

Степень окисления азота в составе аммиака – -3, водорода – +1. При образовании аммиака водород окисляет азот, отнимая у него три электрона. За счёт оставшейся пары электронов азота и лёгкого отделения атомов водорода аммиак является активным соединением, вступающим в реакции с простыми и сложными веществами.

Основные химические свойства описаны в таблице.

Рис. 3. Горение аммиака.

Тест по теме

История открытия аммиака

Название соединения $NH_3$ «аммиак» предположительно произошло от нескольких источников. Предположительно, свое название аммиак получил в честь бога Аммона, культ которого был распространен в Северной Африке. Аммиак может образовываться в результате быстрого разложения мочевины $(NH_2)_2CO$ в очень жарком климате, что и связало запах соединения с культом божества.

По некоторым другим сведениям, аммиак мог получить свое современное название от древнеегипетского слова «амониан», как называли последователей египетского бога Амона. В качестве атрибута в некоторых элементах ритуальных обрядов использовался хлорид аммония, который при нагревании разлагается с образованием аммиака. 

В 1801 году русский ученый-химик, академик Яков Дмитриевич Захаров ввел сокращенное название «аммиак», которое используется в настоящее время.

В чистом виде аммиак был получен в 1774 г. английским химиком Джозефом Луи Пристли. Он нагревал «аммониак» (хлорид аммония) с гашеной известью (гидроксидом кальция). Эту реакцию до сих пор используют в лабораториях, если требуется получить небольшие количества этого газа. Выделявшийся аммиак Пристли собирал над ртутью. Он назвал его «щелочным воздухом», так как водный раствор аммиака имел все признаки щелочи.

В 1784 французский химик Бертолле разложением аммиака доказал его элементный состав, который в 1787 получил официальное название «нашатырь» – от латинского названия нашатырной щелочи – sal ammoniac. Это название сохраняется и до сих пор в большинстве западноевропейских языков (нем. Ammoniak, англ. Ammonia, фр. Ammoniaque)

СТРОЕНИЕ АММИАКА

Напомним, что атом азота содержит пять валентных электронов, три из которых неспаренные: $1s^12s^22p^3$. У атома водорода один неспаренный электрон $1s^1$. Так как каждый атом стремится завершить свою последнюю оболочку, для этого атому азота необходимо принять три электрона, а атому водорода необходим ещё один электрон, поэтому между атомом азота и водорода образуется в молекуле аммиака три одинаковые ковалентные полярные связи с помощью общих электронных пар. Таким образом, в молекуле аммиака валентность азота = III, степень окисления равна –3.

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Три неспаренных  p-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония $NH_4^+$.

Кроме ковалентной полярной связи для молекул аммиака характерно и межмолекулярное взаимодействие, а именно межмолекулярные водородные связи. Неподеленная электронная пара атома азота приводит к образованию частично отрицательного заряда на атоме азота, а на атоме водорода частично положительного. Поэтому молекулы аммиака будут притягиваться друг к другу, и между ними будет устанавливаться ещё и водородная связь, которая слабее ковалентных связей (поэтому ее обозначают точками или штрихами).

Именно наличие водородной связи в молекуле аммиака объясняет его растворение в воде и лёгкое сжижение этого газа. 

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АММИАКА

$NH_3$ – газ без цвета, с резким запахом, почти в два раза легче воздуха, при охлаждении до -33,6$^circ C$ он сжижается, а при температуре -77,8$^circ C$ превращается в твердое белое вещество, хорошо растворим в воде.

Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи.

Растворимость $NH_3$ в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 $^circ C$) или 700 объёмов (при 20 $^circ C$) в объёме воды. Полученный раствор называют аммиачной водой. Из-за такой растворимости газообразный аммиак нельзя собирать и хранить над водой.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АММИАКА

Промышленные способы: 

В промышленности аммиак получают синтезом из простых веществ:

при t=450 $^circ C$; Р=30 Мпа (1000атм.); катализатор — губчатое железо с активирующими добавками ($Al_2O_3$; $K_2O$ и др.)

$3H_2  +  N_2xrightarrow[]{t;  Pt;  Р} 2NH_3$

Более подробно синтез аммиака рассмотрен в теме «Схема производства аммиака»        

Лабораторные способы:   

В лаборатории аммиак получают действием щелочей на твердые соли аммония:

$2NH_4Cl_{textrm{(тв.)}} + Ca(OH)_{2textrm{(тв.)}} = 2NH_3 + 2H_2O + CaCl_2$

Собирание — в перевернутую кверху дном пробирку, так как аммиак легче воздуха.

Распознавание аммиака можно проводить несколькими способами:

а) по запаху;

б) по посинению влажной лакмусовой бумажки;

в) по появлению белого дыма от поднесенной стеклянной палочки, смоченной HCl (конц.).

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АММИАКА

$NH_3$ – очень реакционно способное вещество.

1. Газообразный $NH_3$ вступает в реакции окисления, при этом продукт окисления аммиака зависит от силы окислителя и условия проведения реакций:

$4NH_3 + 3O_2 xrightarrow[]{t} 2N_2 + 6H_2O$

$4NH_3 + 5O_2  xrightarrow[]{textrm{800 $^circ C$, кат. Pt/Rh}} 4NO + 6H_2O$

$8NH_3 + 3Cl_2  xrightarrow[]{t} N_2 + 6NH_4Cl$

$2NH_3 + 3CuO xrightarrow[]{500-550 ^circ C} 3Cu + N_2 + 3H_2O$

$2NH_3 + 2Na xrightarrow[]{350 ^circ C} 2NaNH_2 + H_2$

В том числе со сложными веществами-окислителями:

$10NH_3 + 6KMNO_4 + 9H_2SO_4 = 5N_2 + 6MnSO_4 + 3K_2SO_4 + 24H_2O$

$6 NH_3 + 8KClO_3 + 6NaOH = 6NaNO_3 + 8KCl + 12H_2O$

2. Водный раствор аммиака $NH_3 cdot H_2O$ в быту называют нашатырным спиртом. Он не относится к классу спиртов, так как спирты – это органические вещества, а нашатырный спирт относится к неорганическим соединениям. Химики называют это соединение гидроксид аммония – это водный раствор газа аммиака $NH_3$. 

Наличие неподелённой электронной пары на атоме азота и присутствие трёх полярных ковалентных связей в молекуле аммиака будет способствовать тому, что он будет вступать в реакции присоединения протона водорода $H^+$, то есть реагировать с водой и с растворами кислот, веществами, имеющими протоны водорода. Поэтому водный раствор аммиака проявляет основные свойства:

$NH_3uparrow  +   Н_2O leftrightarrow  NH_3cdot НOН  leftrightarrow   NH_4^+  +  OН^-$

Взаимодействие аммиака с кислотами приводит к образованию средних или кислых (в случае многоосновных кислот) солей:

$NH_3  +   НNO_3 =   NH_4NO_3 $

$NH_3 + H_2SO_4 = (NH_4)HSO_4 $

$2NH_3 + H_2SO_4 = (NH_4)_2SO_4$

$NH_3 + HCl = NH_4Cl$

Взаимодействие аммиака с солями приводит к образованию солей аммония:

$3(NH_3cdot H_2O) _{textrm{(конц. холодн.)}} + AlCl_3 = Al(OH)_3downarrow + 3NH_4Cl$

3. $NH_3$ – лиганд в комплексных соединениях (образование аммиакатов):

 Молекулы $NH_3$ способны образовывать донорно-акцепторные связи не только с $Н^+$, но и с катионами  некоторых переходных металлов: $Ag^+$; $Cu^{2+}$; $Cr^{3+}$; $Co^{2+}$ и др. Это приводит к образованию растворимых аммиакатов.

Например, в аммиаке легко растворяются $Ag_2O$, $Cu_2O$, $Cu(OH)_2$, $AgCl$ (в воде не растворимы):

$ textrm{а)}    Ag_2O+ 4NH_3 + H_2O  xrightarrow[]{}  2[Ag(NH_3)_2]OHhspace{0,5cm} textrm{гидроксид диамминсеребра (I) }$

$ textrm{б)}    Cu(OH)_2 +  4NH_3  xrightarrow[]{}     [Cu(NH_3)_4](OH)_2 hspace{0,5cm} textrm{гидроксид тетраамминмеди (II)}$

$ textrm{в)}  Zn(OH)_2  +  4NH_3  xrightarrow[]{}   [Zn(NH_3)_4](OH)_2 hspace{0,5cm} textrm{гидроксид тетраамминцинка}$

$ textrm{г)}  AgCl  + 2NH_3 xrightarrow[]{}[Ag(NH_3)_2]Clhspace{0,5cm} textrm{хлорид диамминсеребра (I)}$

$ textrm{д)}  CuSO_4 +  4NH_3 xrightarrow[]{} [Cu(NH_3)_4]SO_4hspace{0,5cm} textrm{сульфат тетраамминмеди (II)}$

Аммиачные растворы  $Ag_2O$, $Cu_2O$, $Cu(OH)_2$ используются как реактивы в качественном анализе (обнаружение альдегидов, 1-алкинов и др.).

4. $NH_3$ — аминирующий агент в органическом синтезе:

а) Синтез алкиламинов:

$2NH_3  +  C_2H_5Br  xrightarrow[]{} C_2H_5NH_2 + NH_4Br$

б) Синтез аминокислот:  

$ NH_3  +  CH_2Br-COOH   xrightarrow[]{} NH_2CH_2-COOH + H_2O$

в) Синтез амидов:

$ NH_3  +  CH_3-COOH xrightarrow[]{} CH_3-CONH_2 + H_2O$

3. $NH_3$ — аминирующий агент в органическом синтезе:

а) Синтез алкиламинов:

$2NH_3  +  C_2H_5Br  xrightarrow[]{} C_2H_5NH_2 + NH_4Br$

б) Синтез аминокислот:  

$ NH_3  +  CH_2Br-COOH   xrightarrow[]{} NH_2CH_2-COOH + H_2O$

в) Синтез амидов:  

$ NH_3  +  CH_3-COOH xrightarrow[]{} CH_3-CONH_2 + H_2O$