Аміак: отримання та властивості

У молекулі аміаку NH₃ атом азоту з'єднаний трьома одинарними ковалентними полярними зв'язками з атомами водню:

Геометрична форма молекули аміаку - правильна трикутної піраміди. Валентний кут H-N-H становить 107,3 ​​про:

Атом азоту в аміаку на зовнішньому енергетичному рівні залишається одна неподілена електронна пара. Ця електронна пара значно впливає на властивості аміаку, а також на його структуру. Електронна структура аміаку тетраедр , з атомом азоту в центрі:

Аміак – безбарвний газ із різким характерним запахом. Отруйний. Важить менше повітря. Зв'язок N-H - сильно полярнатому між молекулами аміаку в рідкій фазі виникають водневі зв'язки. При цьому аміак дуже добре розчинний у питній воді, т.к. молекули аміаку утворюють водневі зв'язки України із молекулами води.

Способи одержання аміаку

У лабораторії аміак одержують при взаємодії солей амонію з лугами. Поскільки аміак дуже добре розчинний у воді, для отримання чистого аміаку використовують тверді речовини.

Наприклад аміак можна отримати нагріванням суміші. хлориду амонію і гідроксиду кальцію. При нагріванні суміші відбувається утворення солі, аміаку та води:

Ретельно розтирають ступкою суміш солі та основи та нагрівають суміш. Газ, що виділяється, збирають у пробірку (аміак — легкий газ і пробірку потрібно перевернути вгору дном). Вологий лакмусовий папірець синіє у присутності аміаку.

Відеодосвід отримання аміаку з хлориду амонію та гідроксиду кальцію можна подивитися тут.

Ще один лабораторний спосіб отримання аміаку – гідроліз нітридів.

Наприклад , гідроліз нітриду кальцію:

У промисловості аміак отримують за допомогою процесу Габера: прямим синтезом з водню і азоту.

Процес проводять при температурі 500-550 про З та у присутності каталізатора. Для синтезу аміаку застосовують тиск 15-30 МПа. Як каталізатор використовують губчасте залізо з добавками оксидів алюмінію, калію, кальцію, кремнію. Для повного використання вихідних речовин застосовують метод циркуляції непровзаємодіяли реагентів: азот і водень, що не вступили в реакцію, знову повертають в реактор.

Докладніше про технологію виробництва аміаку можна прочитати тут.

Хімічні властивості аміаку

1. У водному розчині аміак виявляє основні властивості (за рахунок неподіленої електронної пари). Приймаючи протон (іон H + ), він перетворюється на іон амонію. Реакція може протікати і у водному розчині, і у газовій фазі:

Таким чином, середовище водного розчину аміаку – лужна. Однак аміак – слабка основа . При 20 градусах один об'єм води поглинає до 700 об'ємів аміаку.

Відеодосвід розчинення аміаку у воді можна подивитися тут.

2. Як основа, аміак взаємодіє з кислотами у розчині та в газовій фазі з утворенням солей амонію.

Наприклад , Аміак реагує з сірчаною кислотою з утворенням або кислої солі - гідросульфату амонію (при надлишку кислоти), або середньої солі - сульфату амонію (При надлишку аміаку):

Ще один приклад : аміак взаємодіє з водним розчином вуглекислого газу з утворенням карбонатів або гідрокарбонатів амонію:

Відеодосвід взаємодії аміаку з концентрованими кислотами – азотної, сірчаної та соляної можна подивитися тут.

У газовій фазі аміак реагує з летким хлороводнем. У цьому утворюється густий білий дим – це виділяється хлорид амонію.

NH₃ + HCl → NH₄Cl

Відеодосвід взаємодії аміаку з хлороводнем в газовій фазі (дим без вогню) можна подивитися тут.

3. Як основа, водний розчин аміаку реагує з розчинами солей важких металів , утворюючи нерозчинні гідроксиди.

Наприклад , водний розчин аміаку реагує з сульфатом заліза (II) з утворенням сульфату амонію та гідроксиду заліза (II):

4. Солі та гідроксиди міді, нікелю, срібла розчиняються у надлишку аміаку, утворюючи комплексні сполуки – амінокомплекси.

Наприклад , хлорид міді (II) реагує з надлишком аміаку з утворенням хлориду тетраміномеді (II):

Гідроксид міді (II) розчиняється в надлишку аміаку:

5. Аміак горить на повітрі , утворюючи азот та воду:

Якщо реакцію проводити у присутності каталізатора (Pt), азот окислюється до NO:

6. За рахунок атомів водню в ступені окислення +1 аміак може виступати в ролі окислювача , наприклад у реакціях з лужними, лужноземельними металами, магнієм та алюмінієм . З металами реагує лише рідкий аміак.

Наприклад , рідкий аміак реагує з натрієм з утворенням аміду натрію:

Також можлива освіта Na₂NH, Na₃N.

При взаємодії аміаку з алюмінієм утворюється нітрид алюмінію:

2NH₃ + 2Al → 2AlN + 3H₂

7. За рахунок азоту в ступені окислення -3 аміак виявляє відновлювальні властивості. Може взаємодіяти з сильними окислювачами - хлором, бромом, пероксидом водню, пероксидами і оксидами деяких металів. При цьому азот окислюється зазвичай до простої речовини.

Наприклад , аміак окислюється хлором до молекулярного азоту:

Пероксид водню також окислює аміак до азоту:

Оксиди металів , які в електрохімічному ряду напруги металів розташовані праворуч - сильні окислювачі. Тому вони також окислюють аміак до азоту.

Наприклад , оксид міді (II) окислює аміак:

2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O

Аміак, будова, одержання та властивості

Устаткування. Аміачна вода, кристалічні NH4Cl і Ca(OH)2, фенолфталеїн, прилад для отримання газів, HCl (конц), KMnO4 (для отримання О2), KI, крохмаль, лакмусовий папірець, кристалізатор, циліндр, скляні палички, лабораторний штатив.

ХІД УРОКУ

I. Актуалізація опорних знань.

Проводимо хімічну розминку.

а) назвіть можливі ступені окислення азоту,

б) у яких випадках азот виявляти окислювальні властивості, й у яких - відновлювальні?

в) перерахуйте фізичні властивості азоту.

г) у чому причина хімічної інертності азоту?

д) за яких умов азот вступає в реакції з іншими речовинами?

е) у якому вигляді азот зустрічається у природі?

з) яка роль азоту у житті природи?

ІІ. Вивчення нового матеріалу.

1. Будова молекули.

Відкриваючи дверцята холодильника, ви відчуваєте холод. То яка ж речовина є причиною цього явища?

1. Напишіть рівняння реакції водневих сполук азоту.

2. Зобразіть електронну та структурну формулу цієї сполуки.

3. Визначте хімічний зв'язок у цій молекулі.

4. Яку особливість електронної будови ви бачите у атома азоту?

Учні працюють самостійно у парах із підручником с.47-48

2. Визначити фізичні властивості аміаку.

Проблемне питання. У чому причина хорошої розчинності аміаку у воді?

Кристалічні грати аміаку-молекулярні; молекула легка, але на відміну молекули азоту - полярна.

Звідси, які температури кипіння та плавлення повинен мати аміак?

Учні: можна припустити, що низькі.

Тому що полярність молекули дає можливість підключати електростатичні сили тяжіння просто міжмолекулярних сил.

Будова молекули дозволяє прогнозувати хорошу розчинність у воді.

Це з виникненням між його молекулами особливої ​​хімічної связи- водневої. (Слайд №5). У атома азоту є вільна електронна пара в молекулі аміаку, наявність часткового (+) заряду на атомі водню та наявність часткового (-) заряду на атомі азоту.

Водневим називається зв'язок між атомами водню однієї молекули та атомами електронегативних елементів іншої молекули (F, O, N). (слайд №5)

• Аміак-безбарвний газ.
• Від нього в роті прядить.
• Щипле ніс і щипає око.
• Аміак – він отруйний!
• Аміак – він розчинник.
• З газу в рідину переходить
• Аміак – діамагніт.
• Так само струм він не проводить.
• Сухий аміак
• На повітрі вибухає.
• У воді розчиняється.
• Вибухові речовини, добрива

Ось не повний перелік його застосування.

3. Отримання аміаку у лабораторії.

Демонструємо досвід. Нагріваємо суміші хлориду амонію з гідроксидом кальцію.

Отриманий аміак розчиняємо у воді, до якої додаємо фенолфталеїну. Розчин аміаку забарвлюється малиновий колір.

Чому розчин аміаку забарвився у малиновий колір?

Учні: у розчині присутній іон гідроксиду, середовище лужне.

Вчитель. В аміачній воді більша частина аміаку міститься у вигляді молекул NH3, рівновага зміщена вліво, (т.к. NH3 - слабкий електроліт) і така вода містить багато молекул NH3, тому вона пахне аміаком. Показую, як правильно поводитися з розчинами речовин, що сильно пахнуть.

Демонструємо знебарвлення забарвленої фенолфталеїном аміачної води при нагріванні. Чому це сталося?

Учні: неміцне з'єднання.

При нагріванні розчинність газів (NH3-газ) зменшується, аміак випаровується, рівновага реакції ще більше зміщується вліво, гідроксид-іон (ОН) практично не залишається в розчині. Водний розчин стає нейтральним.

Проблемне питання: з якої сировини та якими способами можна виробляти азотні добрива?

Учні припускають, що з азоту повітря.

Завдання це було висунуто перед вітчизняної наукою Д.І.Менделєєвим, який писав: " Одне із завдань прикладної хімії становить відшукання технічно вигідного способу отримання з азоту повітря його сполук, що укладають азот, що асимілюється. Майбутність сільського господарства багато залежить від відкриття подібного способу ".

Економічно найбільш вигідний спосіб промислового зв'язування атмосферного азоту - синтез аміаку з азоту та водню:

Вчитель: Дайте характеристику цієї реакції.

• екзотермічна
• оборотна
• каталітична
• гетерогенна
• зі зменшенням обсягу

Вчитель: які умови усунення рівноваги необхідні збільшення виходу аміаку?

Учні: зменшення температури, збільшення тиску.

Вихід аміаку невеликий, і вести промисловий синтез із такими показниками нерентабельно.

Обговорюємо з учнями питання щодо можливостей підвищення практичного виходу аміаку. Важливим критерієм ефективності виробництва є продуктивність реактора. Аналіз кількісних даних про зростання концентрації аміаку в азото - водневої суміші в міру протікання реакції дозволяє прийти до виводу: продуктивність реактора можна збільшити шляхом зменшення часу реакції.При цьому знижується вихід аміаку за один прохід газової суміші через реактор, а газ, що не прореагував, можна знову повернути у виробництво. менше таких домішок, як аргон, метан. Сировина має бути ретельно очищена від отруйних для каталізатора речовин (наприклад, сполук сірки) Каталізатором для синтезу аміаку є залізо, активоване добавками (оксидами алюмінію і калію) для надання високої стабільної активності.

4. Утворення катіону амонію йде за донорно-акцепторним механізмом.

Атом азоту має вільну електронну пару, за рахунок якої формується ще один ковалентний зв'язок з катіоном водню, що переходить до аміаку від молекул води або кислот (слайд № 6).

До молекули аміаку за цим механізмом приєднується катіон водню +Н з молекули води і утворюється іон +NH4, в якому три ковалентні зв'язки утворюються за обмінним механізмом, а четверта - за донорно-акцепторним механізмом. Проте всі зв'язки рівноцінні.

5. Хімічні характеристики.

а) розчинність аміаку у питній воді.

Демонструємо досвід: наповнену аміаком пробірку опускаємо в кристалізатор з водою, до якої додали трохи фенолфталеїну. Вода швидко заповнює пробірку, а розчин аміаку забарвлюється в малиновий колір.

Розчинність аміаку у воді дуже велика - в 1 об'ємі води розчиняється 700 об'ємів аміаку. Чому аміак добре розчиняється у воді?

Учні.Причина - утворення водневих зв'язків.

Вчитель: яке середовище має водний розчин аміаку?

Вчитель: так якими ж властивостями повинен мати водний розчин аміаку?

Який висновок із цього ми можемо з вами укласти?

Висновок: водний розчин аміак є основою.

Вчитель: якщо водний розчин аміаку основа, то з якими речовинами він взаємодіятиме?

Учні: з кислотами.

Демонструємо досвід: "дим без вогню", підносимо один до одного дві скляні палички, змочені концентрованими розчинами аміаку та соляної кислоти. Між цими паличками з'являється рясний дим.

Напишіть у повному та короткому іонному видах рівняння реакцію водного розчину аміаку з соляною кислотою.

Один учень записує рівняння реакцій біля дошки, потім перевіряємо записи у зошитах.

Вчитель: Яка сіль утворилася і дати їй назву?

Учні дають назву цієї солі.

Утворення катіону амонію при взаємодії з кислотами відбувається за донорно-акцепторним механізмом.

Звертаємо увагу учнів, що донором є азот, а акцептором- водень, т.к. у азоту є вільна електронна пара, а водню вільна орбіталь.

В аміаку азот має нижчу с. (-3).

Так, чим буде аміак в окислювально-відновних реакціях?

Дивимося відеосюжет взаємодія аміаку з киснем (з каталізатором і без нього).

Після перегляду відеосюжету прошу хлопців написати рівняння реакцій із киснем, проставити в.о. та коефіцієнти методом електронного балансу.

Правильність написання рівнянь перевіряємо (слайд № 7, 8)

Висновок: азот в аміаку має нижчу в.о. (-3), тому азот може лише віддавати електрони, підвищуючи свою с.о., звідси – аміак виявляє лише відновлювальні властивості. Хімічні властивості аміаку йдуть із зміною в.о.азоту та з утворенням ковалентного зв'язку за донорно-акцепторним механізмом.

ІІІ. Закріплення:

а) за якими ознаками можна розпізнати аміак? (за запахом; по фарбуванню вологого індикаторного паперу - синіє; по появі диму при піднесенні скляної палички, змоченої концентрованою соляною кислотою).

б) який тип реакції при взаємодії аміаку із кислотами? (з'єднання)

в) написати рівняння реакції аміаку з ортофосфорною кислотою та дати назви отриманих солей.

IV. Домашнє завдання $ 17 c.52 упр.6,7,9 - 1 рівень; 6-11-2 рівень. Підготувати повідомлення про застосування та значення аміаку.