ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Аммиак — нитрид водорода.
Формула – NH 3 . Молярная масса – 17 г/моль.
Физические свойства аммиака
Аммиак (NH 3) – бесцветный газ с резким запахом (запах «нашатырного спирта»), легче воздуха, хорошо растворим в воде (один объем воды растворят до 700 объемов аммиака). Концентрированный раствор аммиака содержит 25% (массовых) аммиака и имеет плотность 0,91 г/см 3 .
Связи между атомами в молекуле аммиака – ковалентные. Общий вид молекулы AB 3 . В гибридизацию вступают все валентные орбитали атома азота, следовательно, тип гибридизации молекулы аммиака – sp 3 . Аммиак имеет геометрическую структуру типа AB 3 E – тригональная пирамида (рис. 1).
Рис. 1. Строение молекулы аммиака.
Химические свойства аммиака
В химическом отношении аммиак довольно активен: он вступает в реакции взаимодействия со многими веществами. Степень окисления азота в аммиаке «-3» — минимальная, поэтому аммиак проявляет только восстановительные свойства.
При нагревании аммиака с галогенами, оксидами тяжелых металлов и кислородом образуется азот:
2NH 3 + 3Br 2 = N 2 + 6HBr
2NH 3 + 3CuO = 3Cu + N 2 + 3H 2 O
4NH 3 +3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O
В присутствии катализатора аммиак способен окисляться до оксида азота (II):
4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O (катализатор – платина)
В отличие от водородных соединений неметаллов VI и VII групп, аммиак не проявляет кислотные свойства. Однако, атомы водорода в его молекуле все же способны замещаться на атомы металлов. При полном замещении водорода металлом происходит образование соединений, называемых нитридами, которые также можно получить и при непосредственном взаимодействии азота с металлом при высокой температуре.
Основные свойства аммиака обусловлены наличием неподеленной пары электронов у атома азота. Раствор аммиака в воде имеет щелочную среду:
NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 OH ↔ NH 4 + + OH —
При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соли аммония, которые при нагревании разлагаются:
NH 3 + HCl = NH 4 Cl
NH 4 Cl = NH 3 + HCl (при нагревании)
Получение аммиака
Выделяют промышленные и лабораторные способы получения аммиака. В лаборатории аммиак получают действием щелочей на растворы солей аммония при нагревании:
NH 4 Cl + KOH = NH 3 + KCl + H 2 O
NH 4 + + OH — = NH 3 + H 2 O
Эта реакция является качественной на ионы аммония.
Применение аммиака
Производство аммиака – один из важнейших технологических процессов во всем мире. Ежегодно в мире производят около 100 млн. т. аммиака. Выпуск аммиака осуществляют в жидком виде или в виде 25%-го водного раствора – аммиачной воды. Основные направления использования аммиака – производство азотной кислоты (производство азотсодержащих минеральных удобрений в последствии), солей аммония, мочевины, уротропина, синтетических волокон (нейлона и капрона). Аммиак применяют в качестве хладагента в промышленных холодильных установках, в качестве отбеливателя при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Каковы масса и объем аммиака, которые потребуются для получения 5т нитрата аммония? |
| Решение |
Запишем уравнение реакции получения нитрата аммония из аммиака и азотной кислоты:
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 По уравнению реакции количество вещества нитрата аммония равно 1 моль — v(NH 4 NO 3) = 1моль. Тогда, масса нитрата аммония, рассчитанная по уравнению реакции: m(NH 4 NO 3) = v(NH 4 NO 3)×M(NH 4 NO 3); m(NH 4 NO 3) = 1×80 = 80 т Согласно уравнению реакции, количество вещества аммиака также равно 1 моль — v(NH 3) = 1моль. Тогда, масса аммиака, рассчитанная по уравнению: m(NH 3) = v(NH 3)×M(NH 3); m(NH 3) = 1×17 = 17 т Составим пропорцию и найдем массу аммиака (практическую): х г NH 3 – 5 т NH 4 NO 3 17 т NH 3 – 80 т NH 4 NO 3 х = 17×5/80 = 1,06 m(NH 3) = 1,06 т Аналогичную пропорцию составим для нахождения объема аммиака: 1,06 г NH 3 – х л NH 3 17 т NH 3 – 22,4×10 3 м 3 NH 3 х = 22,4×10 3 ×1,06 /17 = 1,4×10 3 V(NH 3) = 1,4×10 3 м 3 |
| Ответ | Масса аммиака — 1,06 т, объем аммиака — 1,4×10 м |
3.3.1 Ковалентная связь – это двухцентровая двухэлектронная связь, образующаяся за счёт перекрывания электронных облаков, несущих неспаренные электроны с антипараллельными спинами. Как правило образуется между атомами одного химического элемента.
Количественно она характеризуется валентностью. Валентность элемента – это его способность образовывать определенное число химических связей за счёт свободных электронов, находящихся атомной валентной зоне.
Ковалентную связь образует только пара электронов, находящаяся между атомами. Она называется поделенной парой. Остальные пары электронов называют неподеленными парами. Они заполняют оболочки и не принимают участие в связывании. Связь между атомами может осуществляться не только одной, но и двумя и даже тремя поделенными парами. Такие связи называются двойными и тройными - кратными связями.
3.3.1.1 Ковалентная неполярная связь. Связь, осуществляемая за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам, называется ковалентной неполярной. Она возникает между атомами с практически равной электроотрицательностью (0,4 > ΔЭО > 0) и, следовательно, равномерным распределением электронной плотности между ядрами атомов у гомоядерных молекул. Например, Н 2 , О 2 , N 2 , Cl 2 и т. д. Дипольный момент таких связей равен нулю. Связь СН в предельных углеводородах (например, в СН 4) считается практически неполярной, т.к. Δ ЭО = 2,5 (С) - 2,1 (Н) = 0,4.
3.3.1.2 Ковалентная полярная связь. Если молекула образована двумя разными атомами, то зона перекрывания электронных облаков (орбиталей) смещается в сторону одного из атомов, и такая связь называется полярной . При такой связи вероятность нахождения электронов возле ядра одного из атомов выше. Например, НCl, H 2 S, PH 3 .
Полярная (несимметричная) ковалентная связь - связь между атомами с различной электроотрицательностью (2 > ΔЭО > 0.4) и несимметричным распределением общей электронной пары. Как правило, она образуется между двумя неметаллами.
Электронная плотность такой связи смещена в сторону более электроотрицательного атома, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда (дельта минус), а на менее электроотрицательном атоме - частичного положительного заряда (дельта плюс)
C Cl C O C N O H C Mg .
Направление смещения электронов обозначается также стрелкой:
CCl, CО, CN, ОН, CMg.
Чем больше различие в электроотрицательности связываемых атомов, тем выше полярность связи и больше ее дипольный момент. Между противоположными по знаку частичными зарядами действуют дополнительные силы притяжения. Поэтому, чем полярнее связь, тем она прочнее.
Кроме поляризуемости ковалентная связь обладает свойством насыщаемости – способностью атома образовывать столько ковалентных связей, сколько у него имеется энергетически доступных атомных орбиталей. Третьим свойством ковалентной связи является её направленность.
3.3.2 Ионная связь. Движущей силой ее образования является все то же стремление атомов к октетной оболочке. Но в ряде случаев такая “октетная” оболочка может возникнуть только при передаче электронов от одного атома к другому. Поэтому, как правило, ионная связь образуется между металлом и неметаллом.
Рассмотрим в качестве примера реакцию между атомами натрия (3s 1) и фтора (2s 2 3s 5). Разница электроотрицательности в соединении NaF
ЭО = 4,0 - 0,93 = 3,07
Натрий, отдав фтору свой 3s 1 -электрон, становится ионом Na + и остается с заполненной 2s 2 2p 6 оболочкой, что отвечает электронной конфигурации атома неона. Точно такую же электронную конфигурацию приобретает фтор, приняв один электрон, отданный натрием. В результате возникают силы электро-статического притяжения между противоположно заряженными ионами.
Ионная связь – крайний случай полярной ковалентной связи, основанная на электростатическом притяжении ионов. Такая связь возникает при большой разнице в электроотрицательностях связываемых атомов (ЭО > 2), когда менее электроотрицательный атом почти полностью отдает свои валентные электроны и превращается в катион, а другой, более электроотрицательный атом, эти электроны присоединяет и становится анионом. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. В силу этого иoннaя связь не имеет пространственной направленности и насыщаемости , так как каждый ион связан с определенным числом противоионов (координационное число иона). Поэтому ионно-связанные соединения не имеют молекулярного строения и представляют собой твердые вещества, образующие ионные кристаллические решетки, с высокими температурами плавления и кипения, они высокополярны, часто солеобразны, в водных растворах электропроводны. Например, MgS, NaCl, А 2 O 3 . Соединений с чисто ионными связями практически не существует, поскольку всегда остаётся некоторая доля ковалентности в силу того, что полного перехода одного электрона к другому атому не наблюдается; в самых «ионных» веществах доля ионности связи не превышает 90 %. Например, в NaF поляризация связи составляет около 80 %.
В органических соединениях ионные связи встречаются довольно редко, т.к. атом углерода не склонен ни терять, ни приобретать электроны с образованием ионов.
Валентность элементов в соединениях с ионными связями очень часто характеризуют степенью окисления , которая, в свою очередь, соответствует величине заряда иона элемента в данном соединении.
Степень окисления - это условный заряд, который приобретает атом в результате перераспределения электронной плотности. Количественно она характеризуется числом смещённых электронов от менее электроотри-цательного элемента к более электроотрицательному. Положительно заряженный ион образуется из того элемента, который отдал свои электроны, а отрицательный ион - из элемента, который эти электроны принял.
Элемент, находящийся в высшей степени окисления (максимально положительной), уже отдал все свои валентные электроны, находящиеся в АВЗ. А поскольку их количество определяется номером группы, в которой стоит элемент, то высшая степень окисления для большинства элементов и будет равна номеру группы . Что касается низшей степени окисления (максимально отрицательной), то она появляется при формировании восьмиэлектронной оболочки, то есть в том случае, когда АВЗ заполняется полностью. Для неметаллов она рассчитывается по формуле № группы – 8 . Для металлов равна нулю , поскольку они электроны принимать не могут.
Например, АВЗ серы имеет вид: 3s 2 3р 4 . Если атом отдаст все электроны (шесть), то приобретёт высшую степень окисления +6 , равную номеру группы VI , если примет два, необходимые для завершения устойчивой оболочки, то приобретёт низшую степень окисления –2 , равную № группы – 8 = 6 – 8= –2.
3.3.3 Металлическая связь. Большинство металлов обладает рядом свойств, имеющих общий характер и отличающихся от свойств других веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло– и электропроводность. Эти особенности объясняются существованием в металлах особого вида взаимодействия – металлической связи.
В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, которые достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате этого в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы, локализованные в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество делокализованных (свободных) электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров и осуществляющих связь между всеми атомами металла за счёт электростатического притяжения.
В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве. Силы связи в металлах не локализованы и не направлены, а свободные электроны, образующие «электронный газ», обусловливают высокую тепло- и электропроводность. Поэтому в этом случае невозможно говорить о направленности связей, так как валентные электроны распределены по кристаллу почти равномерно. Именно этим и объясняется, например, пластичность металлов, т. е. возможность смещения ионов и атомов в любом направлении
3.3.4 Донорно-акцепторная связь. Помимо механизма образования ковалентной связи, согласно которому общая электронная пара возникает при взаимодействии двух электронов, существует также особый донорно-акцепторный механизм . Он заключается в том, что ковалентная связь образуется в результате перехода уже существующей (неподелённой) электронной пары донора (поставщика электронов) в общее пользование донора и акцептора (поставщика свободной атомной орбитали).
После образования она ничем не отличается от ковалентной. Донорно-акцепторный механизм хорошо иллюстрируется схемой образования иона аммония (рисунок 9) (звездочками обозначены электроны внешнего уровня атома азота):
Рисунок 9- Схема образования иона аммония
Электронная формула АВЗ атома азота 2s 2 2р 3 , то есть он имеет три неспаренных электрона, которые вступают в ковалентную связь с тремя атомами водорода (1s 1), каждый из которых имеет один валентный электрон. При этом образуется молекула аммиака NH 3, в которой сохраняется неподелённая электронная пара азота. Если к этой молекуле подойдёт протон водорода (1s 0), не имеющий электронов, то азот передаст свою пару электронов (донор) на эту атомную орбиталь водорода (акцептор), в результате чего образуется ион аммония. В нём каждый атом водорода связан с атомом азота общей электронной парой, одна из которых реализована по донорно-акцепторному механизму. Важно отметить, что связи Н-N, образованные по различным механизмам, никаких различий в свойствах не имеют. Указанное явление обусловлено тем, что в момент образования связи орбитали 2s– и 2р– электронов атома азота изменяют свою форму. В итоге возникают четыре совершенно одинаковые по форме орбитали.
В качестве доноров обычно выступают атомы с большим количеством электронов, но имеющие небольшое число неспаренных электронов. Для элементов II периода такая возможность кроме атома азота имеется у кислорода (две неподеленные пары) и у фтора (три неподеленные пары). Например, ион водорода Н + в водных растворах никогда не бывает в свободном состоянии, так как из молекул воды Н 2 О и иона Н + всегда образуется ион гидроксония Н 3 О + Ион гидроксония присутствует во всех водных растворах, хотя для простоты в написании сохраняется символ H + .
3.3.5 Водородная связь. Атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным элементом (азотом, кислородом, фтором и др.), который «стягивает» на себя общую электронную пару, испытывает недостаток электронов и приобретает эффективный положительный заряд. Поэтому он способен взаимодействовать с неподеленной парой электронов другого электроотрицательного атома (который приобретает эффективный отрицательный заряд) этой же (внутримолекулярная связь) или другой молекулы (межмолекулярная связь). В результате возникает водородная связь , которая графически обозначается точками:
Эта связь значительно слабее других химических связей (энергия ее образования 10– 40 кДж/моль) и в основном имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер.
Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H 2 O, H 2 F 2 , NH 3 . Например, связи О-Н в Н 2 О имеют заметный полярный характер с избытком отрицательного заряда – на атоме кислорода. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный заряд + и может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды.
Взаимодействие между молекулами воды оказывается достаточно сильным, таким, что даже в парах воды присутствуют димеры и тримеры состава (H 2 O) 2 , (Н 2 O) 3 и т. д. В растворах же могут возникать длинные цепи ассоциатов такого вида:
поскольку атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов.
Наличие водородных связей объясняет высокие температуры кипения воды, спиртов, карбоновых кислот. За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с H 2 Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при –100 °С, а кипела при –80 °С. Типичные случаи ассоциации наблюдаются для спиртов и органических кислот.
Водородные связи могут возникать как между различными молекулами, так и внутри молекулы, если в этой молекуле имеются группы с донорной и акцепторной способностями. Например, именно внутримолекулярные водородные связи играют основную роль в образовании пептидных цепей, которые определяют строение белков. Н-связи влияют на физические и химические свойства вещества.
Связи типа водородных не образуют атомы других элементов , поскольку силы электростатического притяжения разноименных концов диполей полярных связей (О-Н, N-H и т.п.) довольно слабы и действуют лишь на малых расстояниях. Водород, обладая наименьшим атомным радиусом, позволяет сблизиться таким диполям настолько, что силы притяжения становятся заметными. Никакой другой элемент с большим атомным радиусом не способен к образованию подобных связей.
3.3.6 Силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). В 1873 г. голландский ученый И. Ван-дер-Ваальс предположил, что существуют силы, обуславливающие притяжение между молекулами. Эти силы позднее получили название ван-дер-ваальсовых сил – наиболее универсальный вид межмолекулярной связи. Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2–20 кДж/∙моль.
В зависимости от способа возникновения силы делятся на:
1) ориентационные (диполь-диполь или ион-диполь) - возникают между полярными молекулами или между ионами и полярными молекулами. При сближении полярных молекул они ориентируются таким образом, чтобы положительная сторона одного диполя была ориентирована к отрицательной стороне другого диполя (рисунок 10).
|
Рисунок 10 - Ориентационное взаимодействие |
||||
2) индукционные (диполь – индуцированный диполь или ион– индуцированный диполь) - возникают между полярными молекулами или ионами и неполярными молекулами, но способными к поляризации. Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индицированные (наведенные) диполи. (рисунок 11).
|
Рисунок 11 - Индукционное взаимодействие |
||||
3) дисперсионные (индуцированный диполь – индуцированный диполь) - возникают между неполярными молекулами, способными к поляризации. В любой молекуле или атоме благородного газа возникают флуктуации электрической плотности, в результате чего появляются мгновенные диполи, которые в свою очередь индуцируют мгновенные диполи у соседних молекул. Движение мгновенных диполей становится согласованным, их появление и распад происходит синхронно. В результате взаимодействия мгновенных диполей энергия системы понижается (рисунок 12).
|
Рисунок 12 - Дисперсионное взаимодействие |
|||||||
NH3 - одно из известнейших и полезнейших химических веществ. Оно обрело широкое применение в аграрной промышленности и не только. Отличается уникальными химическими свойствами, благодаря которым используется в различных отраслях.
Что такое NH3
NH 3 известно даже самому далекому от химии человеку. Это аммиак. Аммиак (NH 3) иначе называется нитридом водорода и представляет собой при нормальных условиях бесцветный газ, обладающий ярко выраженным, характерным для данного вещества запахом. Также стоит отметить, что газ NH 3 (под названием аммиак) почти в два раза легче, чем воздух!
Помимо газа, может представлять собой жидкость при температуре около 70 °С или же существовать в виде раствора (раствор аммиака). Отличительной особенностью жидкого NH 3 выступает возможность растворять в себе металлы главных подгрупп I и II группы таблицы элементов Д. И. Менделеева (то есть щелочные и щелочноземельные металлы), а также магний, алюминий, европий и иттербий. В отличие от воды жидкий аммиак не взаимодействует с вышеуказанными элементами, а выступает именно в роли растворителя. Это свойство позволяет выделять металлы в исходном виде посредством испарения растворителя (NH 3). На рисунке ниже можно увидеть, как выглядит растворенный в жидком аммиаке натрий.
Как выглядит аммиак с точки зрения химических связей?
Схему аммиака (NH 3) и его пространственного строения наиболее наглядно показывает треугольная пирамида. Вершиной "пирамиды" аммиака является атом азота (выделен синим цветом), что видно на изображении ниже.
Атомы в веществе под названием аммиак (NH 3) связаны водородными связями, как и в молекуле воды. Но очень важно помнить, что связи в молекуле аммиака слабее, чем в молекуле воды. Это объясняет то, что температуры плавления и кипения NH 3 ниже, если сравнивать с H 2 O.
Химические свойства
Наиболее распространены 2 способа получения вещества NH 3 под названием аммиак. В промышленности применяется так называемый процесс Габера, суть которого заключается в связывании азота воздуха и водорода (полученного из метана) посредством пропускания смеси данных газов при высоком давлении над нагретым катализатором.
В лабораториях синтез аммиака чаще всего основывается на взаимодействии концентрированного хлорида аммония с твердым гидроксидом натрия.
Приступим к непосредственному рассмотрению химических свойств NH 3.
1) NH 3 выступает в качестве слабого основания. Именно поэтому имеет место следующее уравнение, описывающее взаимодействие с водой:
NH 3 + H 2 O = NH4 + + OH -
2) Также на основных свойствах NH 3 основывается его способность реагировать с кислотами и образовывать соответствующие соли аммония:
NH3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 (нитрат аммония)
3) Ранее говорилось о том, что определенная группа металлов растворяется в жидком аммиаке. Однако некоторые металлы также способны не просто растворяться, а образовывать соединения с NH 3 под названием амиды:
Na (тв) + NH3 (г) = NaNH 2 + H 2
Na (тв) + NH3 (ж) = NaNH 2 + H 2 (реакция осуществляется в присутствии железа в качестве катализатора)
4) При взаимодействии NH 3 с металлами Fe 3+ , Cr 3+ , Al 3+ , Sn 4+ , Sn 2+ происходит образование соответствующих гидроксидов металлов и катиона аммиония:
Fe 3+ + NH 3 + H 2 O = Fe(OH) 3 + NH 4 +
5) Результатом взаимодействия NH 3 c металлами Cu 2+ , Ni 2+, Co 2+ , Pd 2+ , Pt 2+ , Pt 4+ чаще всего являются соответствующие комплексы металлов:
Cu 2+ + NH 3 + H 2 O = Cu(OH) 2 + NH 4 +
Cu(OH) 2 + NH 3 = 2 + + OH -
Образование и дальнейший путь NH3 в организме человека
Хорошо известно, что неотъемлемой частью биохимических процессов в организме человека являются аминокислоты. Именно они являются основным источником NH 3, вещества под названием аммиак, - результата их окислительного дезаминирования (чаще всего). К сожалению, для человеческого организма аммиак токсичен, из него легко образуется упомянутый выше катион аммония (NH 4 +), накапливающийся в клетках. Впоследствии происходит замедление важнейших биохимических циклов, а в итоге - падение уровня вырабатываемого АТФ.
Нетрудно догадаться, что организму необходимы механизмы связывания и обезвреживания выделяющегося NH 3 . На схеме ниже представлены источники и некоторые продукты связывания аммиака в человеческом организме.
Итак, говоря кратко, обезвреживание аммиака происходит через образование его транспортных форм в тканях (например, глутамин и аланин), путем экскреции с мочой, с помощью биосинтеза мочевины, что и является основным естественным способом обезвреживания NH 3 в организме человека.
Применение NH3 - вещества с названием аммиак
В современности жидкий аммиак является наиболее концентрированным и дешевым азотным удобрением, что используется в сельском хозяйстве для аммонизации грубых почв и торфа. При внесении жидкого аммиака в почве происходит рост количества микроорганизмов, но при этом не наблюдается негативных последствий, как, например, от твердых удобрений. Ниже на рисунке представлена одна из возможных установок для сжижения газообразного аммиака при помощи жидкого азота.
Испаряясь, жидкий аммиак поглощает из окружающей среды много теплоты, вызывает охлаждение. Это свойство используется в холодильных установках для получения искусственного льда при хранении скоропортящихся пищевых продуктов. Кроме того, с его помощью замораживают грунт при строительстве подземных сооружений. Водные растворы аммиака находят применение в химической промышленности (является промышленным неводным растворителем), лабораторной практике (например, в роли растворителя при электрохимическом получении химических продуктов), медицине и домашнем обиходе.