Соли аммония
Ион аммония
Ион \(\ce{NH4+}\) имеет форму тетраэдра. Его размер составляет 143 пм и близок к размеру иона \(\ce{K+}\) (138 пм). Поэтому многие соли аммония и калия имеют одинаковое строение кристаллов. Такие соли называют изоморфными. К ним относятся, например, алюмоаммонийные квасцы; \(\ce{(NH4)2SO4}\) и \(\ce{K2SO4}\) могут образовывать смешанные кристаллы.
Однако сходство размеров не означает сходства химических свойств. Ион \(\ce{NH4+}\) способен отдавать протон, то есть является кислотой Брёнстеда (\(pK_a = 9{,}25\)). Его взаимодействие с водой — гидролиз — создаёт кислую среду. Например, pH раствора \(\ce{NH4Cl}\) концентрацией 0,1 М составляет 5,1.
Чтобы обнаружить аммоний в пробе, к ней добавляют щёлочь и нагревают. При этом выделяется аммиак. Его распознают по характерному запаху и по посинению влажной красной лакмусовой бумаги; появление белого дыма при поднесении палочки с соляной кислотой служит дополнительным подтверждением.
scienceКачественные реакции на аммоний
- \(\ce{NH4Cl + NaOH ->[t] NaCl + NH3 ^ + H2O}\) — выделившийся аммиак имеет характерный запах и окрашивает влажную красную лакмусовую бумагу в синий цвет.
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — при поднесении к пробирке палочки, смоченной концентрированной соляной кислотой, появляется белый дым хлорида аммония.
- \(\ce{NH4+ + K2[HgI4] + KOH}\) — при добавлении реактива Несслера в щелочной среде появляется жёлто-бурая окраска; реакция позволяет обнаружить микрограммовые количества аммония.
auto_awesomeНашатырь
Название «нашатырь» пришло из персидского; латинское sal ammoniac означает «соль Амона». Её собирали возле храма Амона в Египте, где сжигали верблюжий навоз. Нашатырь применяли при пайке: при нагревании хлорид аммония очищает поверхность металла от оксидов, например в реакции \(\ce{2NH4Cl + CuO ->[t] CuCl2 + 2NH3 + H2O}\).
Термическое разложение
При нагревании соли аммония разлагаются по-разному. Продукты зависят от свойств аниона: кислота может выделяться при нагревании, оставаться в составе кислой соли или вступать в окислительно-восстановительную реакцию с ионом аммония.
| Анион | Тип | Пример |
|---|---|---|
| Анион летучей неокисляющей кислоты. | Соль разлагается обратимо. | \(\ce{NH4Cl <=> NH3 + HCl}\) |
| Анион слабой неустойчивой кислоты. | Соль разлагается полностью с выделением газов. | \(\ce{(NH4)2CO3 -> 2NH3 + CO2 + H2O}\) |
| Анион нелетучей кислоты. | Соль отщепляет аммиак, образуя кислую соль. | \(\ce{(NH4)2SO4 -> NH3 + NH4HSO4}\) |
| Анион выступает окислителем. | Между ионами одной соли происходит окислительно-восстановительная реакция. | \(\ce{NH4NO2 -> N2 + 2H2O}\) |
При разложении \(\ce{NH4Cl}\) образуются \(\ce{NH3}\) и \(\ce{HCl}\), которые могут вновь соединиться. Карбонат аммония разлагается на три газообразных вещества: аммиак, углекислый газ и водяной пар. Если кислота нелетучая, как в примере с сульфатом аммония, после отщепления аммиака остаётся кислая соль. Особый случай составляют соли с окисляющими анионами: в них при нагревании происходит внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция.
scienceРазложение с участием окисляющего аниона
- \(\ce{NH4NO3 ->[200 °C] N2O + 2H2O}\) — при разложении образуется оксид азота(I), известный как «веселящий газ».
- \(\ce{2NH4NO3 ->[> 300 °C] 2N2 + O2 + 4H2O}\) — такое разложение может сопровождаться взрывом.
- \(\ce{(NH4)2Cr2O7 ->[t] N2 + Cr2O3 + 4H2O}\) — при реакции «вулкан» образуется зелёный пушистый оксид хрома.
- \(\ce{2NH4ClO4 ->[t] N2 + Cl2 + 2O2 + 4H2O}\) — так разлагается перхлорат аммония, применяемый в ракетном топливе.
errorАммиачная селитра
Нитрат аммония — ценное удобрение, но при нагревании в замкнутом объёме или в смеси с горючим он может взрываться. 4 августа 2020 года в порту Бейрута взорвались около 2750 т аммиачной селитры, годами хранившейся на складе: погибли более 200 человек, была разрушена часть города. Поэтому соблюдение правил хранения селитры необходимо для безопасности людей.
auto_awesomeРазрыхлитель для пряников
Гидрокарбонат аммония, который в рецептах называют «аммонием», используют при выпечке. При нагревании он полностью разлагается: \(\ce{NH4HCO3 ->[t] NH3 + CO2 + H2O}\). Все продукты разложения выделяются в газообразном состоянии и поднимают тесто; соли в готовом изделии не остаётся.
Количественное определение аммония
Обнаружить аммоний недостаточно, если требуется узнать его количество. Для этого применяют метод отгонки: пробу кипятят со щёлочью, а выделяющийся аммиак направляют в избыток кислоты известного количества. Затем оставшуюся кислоту титруют щёлочью. Такой способ определения называют обратным титрованием. Отгонка аммиака является этапом метода Кьельдаля, предложенного в 1883 году для определения азота в белках.
Другой способ — формальдегидный метод. При взаимодействии соли аммония с формальдегидом выделяется эквивалентное количество кислоты, которое определяют титрованием щёлочью:
При этом образуется уротропин (гексаметилентетрамин), который используют как сухое горючее и лекарство.
boltОбратное титрование
Прямое титрование бывает неудобным, например из-за летучести аммиака или медленного протекания реакции. Тогда определяемое вещество связывают избытком реагента и титруют его остаток. Логику расчёта выражают словами: «было минус осталось равно прореагировало».
scienceРеакции определения аммония
- \(\ce{NH4+ + OH- ->[t] NH3 ^ + H2O}\) — при нагревании со щёлочью из пробы отгоняют аммиак.
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — выделившийся аммиак поглощают соляной кислотой.
- \(\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}\) — оставшуюся кислоту титруют щёлочью с метиловым красным.
push_pinГлавное
Ион \(\ce{NH4+}\) близок по размеру к \(\ce{K+}\), поэтому многие их соли изоморфны. Однако \(\ce{NH4+}\) является слабой кислотой (\(pK_a = 9{,}25\)): растворы его солей с сильными кислотами имеют кислую среду. При нагревании со щёлочью из солей аммония выделяется аммиак; эту реакцию используют для обнаружения и количественного определения аммония. Термическое разложение зависит от аниона: для хлорида оно обратимо (\(\ce{NH4Cl <=> NH3 + HCl}\)), карбонат разлагается полностью (\(\ce{(NH4)2CO3 -> 2NH3 + CO2 + H2O}\)), а сульфат образует кислую соль. Если анион является окислителем, происходит внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция. В кратких записях \(\ce{NH4NO2 -> N2}\), \(\ce{NH4NO3 -> N2O}\) и \(\ce{(NH4)2Cr2O7 -> N2 + Cr2O3}\) показаны её основные продукты; полные уравнения приведены выше. Количество аммония находят отгонкой аммиака с обратным титрованием или формальдегидным методом.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.