Аммиак и соли аммония

Аммиак — единственное водородное соединение неметалла, водный раствор которого имеет щелочную среду. Это одно из самых нужных людям веществ: из аммиака делают азотную кислоту, удобрения, взрывчатку и лекарства. И в то же время он знаком каждому по резкому запаху нашатырного спирта.

Аммиак

Аммиак \(\ce{NH3}\) — бесцветный газ с резким характерным запахом, почти вдвое легче воздуха. Он растворяется в воде ещё лучше хлороводорода: около 700 объёмов в одном объёме воды. Аммиак легко сжижается и при испарении сильно охлаждает окружающее, поэтому его используют в промышленных холодильных установках.

Раствор аммиака в воде имеет щелочную среду: фенолфталеин в нём становится малиновым. Дело в том, что часть молекул аммиака присоединяет ионы водорода от молекул воды, и в растворе появляются гидроксид-ионы. Такой раствор — слабое основание:

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-} \]

С кислотами аммиак образует соли аммония. Если поднести друг к другу открытые склянки с концентрированными растворами аммиака и соляной кислоты, между ними появится белый дым — мельчайшие кристаллики хлорида аммония; этот опыт называют «дым без огня». Азот в аммиаке имеет низшую степень окисления −3, поэтому аммиак — восстановитель: он горит в кислороде, а в присутствии платинового катализатора окисляется до оксида азота(II), с чего начинается производство азотной кислоты (тема 4.11).

\[ \ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}, \qquad \ce{4NH3 + 3O2 -> 2N2 + 6H2O}, \qquad \ce{4NH3 + 5O2 ->[\ce{Pt}, t^\circ] 4NO + 6H2O} \]

\[ \ce{3CuO + 2NH3 ->[t^\circ] 3Cu + N2 + 3H2O} \]

Нашатырный спирт

Десятипроцентный водный раствор аммиака продаётся в аптеках под названием нашатырный спирт. Его резкий запах раздражает рецепторы носа и рефлекторно усиливает дыхание, поэтому ватку с нашатырным спиртом дают понюхать человеку в обмороке. Нашатырным спиртом также чистят стекло и выводят пятна.

Получение аммиака в лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории смесь хлорида аммония с гашёной известью нагревают в пробирке:

\[ \ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 ->[t^\circ] CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O} \]

Аммиак легче воздуха, поэтому его собирают в пробирку, перевёрнутую вверх дном. Собирать его над водой нельзя: он в ней растворится. Заполнение пробирки проверяют влажной красной лакмусовой бумажкой, которая синеет, или палочкой, смоченной соляной кислотой, — у отверстия пробирки появляется белый дым.

Синтез аммиака

В промышленности аммиак получают прямым соединением азота и водорода. Синтез аммиака ведут при температуре около 450–500 °C, высоком давлении и на железном катализаторе; реакция обратима (подробнее — в теме 4.11):

\[ \ce{N2 + 3H2 <=>[t^\circ, p, \text{кат.}] 2NH3} \]

Ион аммония и соли аммония

При реакции аммиака с кислотой атом азота присоединяет ион водорода, и образуется ион аммония \(\ce{NH4+}\). По своему поведению он похож на ион щелочного металла, например калия. Соли аммония — это соли, в которых роль катиона металла играет ион аммония: хлорид аммония \(\ce{NH4Cl}\) (нашатырь), нитрат аммония \(\ce{NH4NO3}\) (аммиачная селитра), сульфат аммония \(\ce{(NH4)2SO4}\). Это ионные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде; многие из них — ценные азотные удобрения.

Соли аммония при нагревании разлагаются. Хлорид аммония распадается на аммиак и хлороводород, которые на холодных стенках пробирки снова соединяются в белый налёт. Карбонат аммония разлагается полностью на газы, поэтому его используют как разрыхлитель теста.

\[ \ce{NH4Cl ->[t^\circ] NH3 ^ + HCl ^}, \qquad \ce{(NH4)2CO3 ->[t^\circ] 2NH3 ^ + CO2 ^ + H2O} \]

Качественная реакция на ион аммония

Все соли аммония реагируют со щелочами при нагревании, выделяя аммиак. Это качественная реакция на ион аммония: аммиак узнают по запаху и по посинению влажной красной лакмусовой бумажки у отверстия пробирки.

\[ \ce{NH4Cl + NaOH ->[t^\circ] NaCl + NH3 ^ + H2O}, \qquad \ce{NH4+ + OH- -> NH3 ^ + H2O} \]