С какими веществами реагирует аммиак?

Гидроксид натрия

Каким реактивом обнаруживают катион аммония NH_4^+?

Нитратом серебра

Какая частица — донор электронной пары при образовании иона NH_4^+?

Атом азота в молекуле NH₃

Катион водорода H⁺

Аммиак. Соли аммония — 9 класс, химия: объяснение, примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Элементы VA-группы. Азот

Коротко о главном

Аммиак $\mathrm{NH_3}$ — бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде. Азот в нём в низшей степени окисления −3, поэтому аммиак — восстановитель, а неподелённая пара азота делает его основанием: с кислотами он даёт соли аммония. Катион аммония обнаруживают щёлочью при нагревании.

\mathrm{NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+}, \qquad \mathrm{NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} NH_3\uparrow + H_2O}

Подробное объяснение

Если поднести к носу ватку с нашатырным спиртом, резкий запах «бьёт в нос» — это аммиак. Нашатырный спирт — это 10-процентный раствор аммиака в воде. Почему у этого газа такие разные свойства и где он нужен?

Строение и физические свойства

У атома азота 5 внешних электронов. Три неспаренных образуют общие пары с тремя атомами водорода, а одна пара остаётся неподелённой. Молекула похожа на пирамиду, в вершине которой азот.

Аммиак — газ легче воздуха ( $$M = 17$$ г/моль против 29 у воздуха), поэтому его собирают в пробирку, перевёрнутую вверх дном. Он очень хорошо растворяется в воде и легко сжижается под давлением. При испарении жидкий аммиак поглощает много теплоты — на этом основано его применение в промышленных холодильниках.

Аммиак и вода: щелочная среда

В воде аммиак образует гидрат $\mathrm{NH_3\cdot H_2O}$ . Это слабое основание — оно немного распадается на ионы:

\mathrm{NH_3\cdot H_2O \rightleftarrows NH_4^+ + OH^-}

Ионов $\mathrm{OH^-}$ хватает, чтобы фенолфталеин стал малиновым, а влажный лакмус посинел.

Аммиак — восстановитель

Азот в $\mathrm{NH_3}$ уже принял «максимум» — степень окисления −3. Дальше он может только отдавать электроны:

горит в кислороде: $\mathrm{4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O}$ ;
на платиновом катализаторе окисляется глубже: $\mathrm{4NH_3 + 5O_2 \rightarrow 4NO + 6H_2O}$ — так начинается производство азотной кислоты;
восстанавливает медь из оксида: $\mathrm{2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t} N_2 + 3Cu + 3H_2O}$ .

Реакции с кислотами и ион аммония

С кислотами аммиак соединяется без воды и других продуктов:

\mathrm{NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl}, \qquad \mathrm{2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4}

Как к молекуле присоединяется четвёртый водород? У катиона $\mathrm{H^+}$ электронов нет совсем — только свободная орбиталь. Азот отдаёт в общее пользование свою неподелённую пару. Это донорно-акцепторный механизм: азот — донор, $\mathrm{H^+}$ — акцептор. Заряд +1 принадлежит всему иону, а все четыре связи N–H после образования одинаковы.

Электронная схема. У азота в молекуле NH₃ неподелённая пара электронов; стрелка показывает, как она переходит к катиону H⁺ со свободной орбиталью. Получается ион NH₄⁺ в квадратных скобках с зарядом +. — Азот — донор электронной пары, катион водорода — акцептор; так образуется четвёртая связь N–H.

Соли аммония

Ион $\mathrm{NH_4^+}$ ведёт себя как катион металла и образует соли почти со всеми кислотными остатками. Все соли аммония — твёрдые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.

При нагревании они разлагаются: $\mathrm{NH_4Cl \xrightarrow{t} NH_3 + HCl}$ . Если анион — окислитель, азот окисляется до $\mathrm{N_2}$ : $\mathrm{NH_4NO_2 \xrightarrow{t} N_2 + 2H_2O}$ .
Со щелочами при нагревании выделяют аммиак — это качественная реакция на $\mathrm{NH_4^+}$ . Ею же получают аммиак в лаборатории, нагревая хлорид аммония с гашёной известью.

Соли аммония — удобрения (нитрат, сульфат, фосфаты аммония), разрыхлители теста (карбонат и гидрокарбонат), флюс при пайке (хлорид).

Как решать задачи

Запишите уравнение реакции и проверьте коэффициенты.
Найдите количество вещества: $$n = m/M$$ для массы или $$n = V/V_m$$ ( $V_m = 22{,}4$ л/моль) для газа при н. у.
По коэффициентам найдите количество искомого вещества.
Переведите его в массу или объём.
В задачах на растворы помните: масса раствора — это масса воды плюс масса растворённого вещества.

Разобранные примеры

База

Масса соли из аммиака

Условие

Аммиак объёмом 4,48 л (н. у.) поглотили соляной кислотой. Какая масса хлорида аммония образовалась?

Дано

$V(\mathrm{NH_3}) = 4{,}48$ л

Найти

$m(\mathrm{NH_4Cl})$

Решение

\mathrm{NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl}

$n(\mathrm{NH_3}) = \dfrac{4{,}48}{22{,}4} = 0{,}2$ моль. По уравнению $n(\mathrm{NH_4Cl}) = 0{,}2$ моль.

$M(\mathrm{NH_4Cl}) = 14 + 4 + 35{,}5 = 53{,}5$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 53{,}5 = 10{,}7$ г.

Ответ: 10,7 г

Средний

Как отличить сульфат аммония от сульфата калия

Условие

В двух пакетах без надписей — сульфат аммония и сульфат калия. Как их различить? Запишите уравнения.

Решение

Анион у солей общий ( $\mathrm{SO_4^{2-}}$ ), поэтому различать нужно по катиону. Растворы солей нагревают со щёлочью. С сульфатом аммония выделяется аммиак — запах, посинение влажного лакмуса:

\mathrm{(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2NH_3\uparrow + 2H_2O}

\mathrm{NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3\uparrow + H_2O}

С сульфатом калия щёлочь не реагирует. Хлорид бария здесь бесполезен: белый осадок $\mathrm{BaSO_4}$ дадут обе соли.

Ответ: Щёлочью при нагревании: сульфат аммония выделяет аммиак, сульфат калия — нет

Сложный

Аммиак восстанавливает медь

Условие

Аммиак объёмом 3,36 л (н. у.) пропустили над избытком раскалённого оксида меди(II). Составьте электронный баланс и найдите массу полученной меди.

Дано

$V(\mathrm{NH_3}) = 3{,}36$ л

Найти

$m(\mathrm{Cu})$

Решение

\mathrm{2\overset{-3}{N}H_3 + 3\overset{+2}{Cu}O \xrightarrow{t} \overset{0}{N_2} + 3\overset{0}{Cu} + 3H_2O}

$\mathrm{2\overset{-3}{N} - 6e^- \rightarrow \overset{0}{N_2}}$ | 1 — аммиак восстановитель;

$\mathrm{\overset{+2}{Cu} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{Cu}}$ | 3 — $\mathrm{CuO}$ окислитель.

$n(\mathrm{NH_3}) = \dfrac{3{,}36}{22{,}4} = 0{,}15$ моль. По уравнению меди в $$3/2$$ раза больше: $n(\mathrm{Cu}) = 0{,}15 \cdot \dfrac{3}{2} = 0{,}225$ моль.

$m(\mathrm{Cu}) = 0{,}225 \cdot 64 = 14{,}4$ г.

Ответ: 14,4 г меди

Типичные ошибки

Путают аммиак и аммоний

Почему неверно

$\mathrm{NH_3}$ — нейтральная молекула, газ. $\mathrm{NH_4^+}$ — катион, он существует только в составе солей и растворов. Запись « $\mathrm{NH_4}$ » без заряда или «соль аммиака» — ошибка.

Как правильно

Аммиак — $\mathrm{NH_3}$ ; аммоний — $\mathrm{NH_4^+}$ , в формулах солей — $\mathrm{NH_4Cl}$ , $\mathrm{(NH_4)_2SO_4}$ . В ионном уравнении всегда ставьте заряд: $\mathrm{NH_4^+}$ .

Пишут продуктом реакции со щёлочью «NH₄OH»

Почему неверно

Гидрат аммиака неустойчив и при нагревании распадается на аммиак и воду. Именно выделение газа и делает реакцию качественной — без него нечего было бы заметить.

Как правильно

\mathrm{NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O}

Аммиак — со стрелкой вверх, отдельно от воды.

Считают четвёртую связь в ионе аммония «особой»

Почему неверно

Донорно-акцепторный механизм описывает только то, откуда взялась пара электронов. Сама связь — такая же ковалентная, как три остальные.

Как правильно

Все четыре связи N–H в $\mathrm{NH_4^+}$ одинаковы, ион — правильный тетраэдр, заряд +1 принадлежит иону целиком, а не одному атому водорода.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Во сколько раз аммиак легче воздуха? Средняя молярная масса воздуха — 29 г/моль. Ответ округлите до сотых.

Подсказка

Относительная плотность газа по воздуху равна отношению молярных масс.

Решение

$M(\mathrm{NH_3}) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль.

D_{\text{возд}} = \dfrac{M(\mathrm{NH_3})}{M_{\text{возд}}} = \dfrac{17}{29} \approx 0{,}59

Плотность аммиака составляет 0,59 плотности воздуха, то есть он легче примерно в

29/17 \approx 1{,}7

раза. Поэтому аммиак собирают в перевёрнутую вверх дном пробирку.

Ответ

Относительная плотность 0,59; легче примерно в 1,7 раза

База Задача 2

Как в школьной лаборатории доказать, что в мешке с удобрением есть соль аммония? Запишите сокращённое ионное уравнение.

Подсказка

Вспомните качественную реакцию на катион аммония.

Решение

Немного удобрения растворяют в воде, добавляют раствор щёлочи и нагревают. Если соль аммония есть, выделяется аммиак: чувствуется резкий запах, влажная красная лакмусовая бумажка над пробиркой синеет.

\mathrm{NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} NH_3\uparrow + H_2O}

Ответ

Нагреть раствор со щёлочью — выделится аммиак (запах, посинение влажного лакмуса); NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O

Средний Задача 3

Какой объём аммиака (н. у.) можно получить, нагревая 10,7 г хлорида аммония с избытком гашёной извести?

Подсказка

Сначала уравнение, потом количество вещества хлорида аммония.

Решение

Дано

$m(\mathrm{NH_4Cl}) = 10{,}7$ г

Найти

$V(\mathrm{NH_3})$ . $\mathrm{2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \xrightarrow{t} CaCl_2 + 2NH_3\uparrow + 2H_2O}$ $M(\mathrm{NH_4Cl}) = 14 + 4 + 35{,}5 = 53{,}5$ г/моль
$n = \dfrac{10{,}7}{53{,}5} = 0{,}2$ моль. По уравнению $n(\mathrm{NH_3}) = n(\mathrm{NH_4Cl}) = 0{,}2$ моль
$V = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48$ л

Ответ

4,48 л

Средний Задача 4

Составьте электронный баланс для горения аммиака в кислороде (продукты — азот и вода). Укажите окислитель и восстановитель.

Решение

\mathrm{4\overset{-3}{N}H_3 + 3\overset{0}{O_2} \rightarrow 2\overset{0}{N_2} + 6H_2\overset{-2}{O}}

$\mathrm{2\overset{-3}{N} - 6e^- \rightarrow \overset{0}{N_2}}$ | 2 — окисление, $\mathrm{NH_3}$ — восстановитель; $\mathrm{\overset{0}{O_2} + 4e^- \rightarrow 2\overset{-2}{O}}$ | 3 — восстановление, $\mathrm{O_2}$ — окислитель. Общее число электронов 12: $2 \cdot 6 = 3 \cdot 4$ .

Ответ

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O; восстановитель NH₃ (N⁻³), окислитель O₂

Сложный Задача 5

Через раствор серной кислоты пропустили 11,2 л аммиака (н. у.); кислота в избытке. Какая соль образовалась и какова её масса?

Подсказка

При избытке кислоты может получиться кислая соль — проверьте, что сказано в условии.

Решение

Дано

$V(\mathrm{NH_3}) = 11{,}2$ л

Найти

формулу соли и её массу. Кислота в избытке
поэтому образуется кислая соль — гидросульфат аммония: $\mathrm{NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow NH_4HSO_4}$ $n(\mathrm{NH_3}) = \dfrac{11{,}2}{22{,}4} = 0{,}5$ моль
$n(\mathrm{NH_4HSO_4}) = 0{,}5$ моль. $M(\mathrm{NH_4HSO_4}) = 14 + 5 + 32 + 64 = 115$ г/моль
$m = 0{,}5 \cdot 115 = 57{,}5$ г. (Если бы в избытке был аммиак
получился бы сульфат аммония $\mathrm{(NH_4)_2SO_4}$ .)

Ответ

NH₄HSO₄, 57,5 г

Сложный Задача 6

При нагревании разложили 25,2 г дихромата аммония $\mathrm{(NH_4)_2Cr_2O_7}$ . Какой объём азота (н. у.) выделился и какова масса твёрдого остатка?

Подсказка

Твёрдый остаток — оксид хрома(III); вода при нагревании уходит паром.

Решение

Дано

$m(\mathrm{(NH_4)_2Cr_2O_7}) = 25{,}2$ г

Найти

$V(\mathrm{N_2})$
$m(\mathrm{Cr_2O_3})$ . $\mathrm{(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t} Cr_2O_3 + N_2\uparrow + 4H_2O}$ $M = 2 \cdot 18 + 2 \cdot 52 + 7 \cdot 16 = 252$ г/моль
$n = \dfrac{25{,}2}{252} = 0{,}1$ моль. $V(\mathrm{N_2}) = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24$ л. $M(\mathrm{Cr_2O_3}) = 2 \cdot 52 + 3 \cdot 16 = 152$ г/моль
$m = 0{,}1 \cdot 152 = 15{,}2$ г

Ответ

2,24 л азота, 15,2 г Cr₂O₃

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите из аптечки нашатырный спирт (только понюхать издалека, помахав рукой к себе). Это раствор аммиака в воде. Объясните: у азота в аммиаке есть «свободная пара» электронов — ею он «хватает» катион водорода у кислоты, поэтому аммиак ведёт себя как основание. А раз азот уже забрал всё, что мог (степень −3), он умеет только отдавать электроны — он восстановитель. Покажите пакет удобрения с надписью «аммиачная селитра» или «сульфат аммония» — это соли аммония.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему раствор аммиака окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет? 2) Чем отличаются $\mathrm{NH_3}$ и $\mathrm{NH_4^+}$ ? 3) Как доказать, что в удобрении есть соль аммония?

На что обратить внимание. Заряд иона аммония, стрелка газа у аммиака в качественной реакции, коэффициенты в реакциях окисления аммиака — их чаще всего теряют. Нашатырный спирт нельзя вдыхать вблизи и смешивать с хлорсодержащими отбеливателями.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 17	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12