Страница 169 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Повторите по курсу 9 класса строение и свойства аммиака.

Аммиак — это одно из важнейших соединений азота. Его химическая формула — $NH_3$.

Строение молекулы аммиака

Молекула аммиака состоит из одного атома азота ($N$) и трёх атомов водорода ($H$).

• Электронное строение и тип связи: Атом азота имеет 5 валентных электронов ($2s^22p^3$). Три из них он использует для образования трёх ковалентных полярных связей с тремя атомами водорода. У атома азота остаётся одна неподелённая (свободная) электронная пара. Из-за разницы в электроотрицательности азота (3.04) и водорода (2.20), связь $N-H$ является полярной, а электронная плотность смещена к атому азота.
• Геометрия молекулы: Молекула аммиака имеет форму тригональной (трёхугольной) пирамиды. Атом азота находится в вершине этой пирамиды, а атомы водорода — в её основании. Неподелённая электронная пара отталкивает связывающие электронные пары сильнее, чем они отталкиваются друг от друга, поэтому валентный угол $H-N-H$ составляет $107,3^\circ$ (меньше, чем тетраэдрический угол $109,5^\circ$).
• Полярность молекулы: Из-за асимметричной пирамидальной формы и наличия неподелённой электронной пары на атоме азота, молекула аммиака является полярной (диполем).
• Степень окисления: В молекуле аммиака степень окисления азота равна $-3$, а водорода $+1$.

Ответ: Молекула аммиака ($NH_3$) имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Связи $N-H$ ковалентные полярные. Наличие неподелённой электронной пары у атома азота и асимметричное строение определяют полярность всей молекулы и её ключевые химические свойства, такие как основность и способность к комплексообразованию.

Физические свойства аммиака

Физические свойства аммиака во многом определяются его строением, в частности, полярностью молекулы и способностью образовывать водородные связи.

• Агрегатное состояние: При нормальных условиях — бесцветный газ.
• Запах: Обладает характерным резким удушливым запахом (запах нашатырного спирта).
• Плотность: Почти в два раза легче воздуха ($M_r(NH_3)=17$, $M_r(воздуха)\approx29$), поэтому его можно собирать методом вытеснения воздуха, располагая сосуд вверх дном.
• Растворимость в воде: Очень хорошо растворим в воде. При $20^\circ C$ в одном объёме воды может раствориться до 700 объёмов аммиака. Такая высокая растворимость объясняется образованием водородных связей между молекулами аммиака и воды.
• Температуры фазовых переходов: Легко сжижается при охлаждении или под давлением. Температура кипения $-33,4^\circ C$, температура плавления $-77,7^\circ C$.

Ответ: Аммиак — это бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха. Он очень хорошо растворяется в воде, образуя раствор, известный как нашатырный спирт. Высокая растворимость и относительно высокие температуры кипения и плавления объясняются способностью молекул аммиака образовывать водородные связи.

Химические свойства аммиака

Химические свойства аммиака обусловлены наличием неподелённой электронной пары и низкой степенью окисления азота ($-3$).

1. Основные свойства (за счёт неподелённой электронной пары):

• Взаимодействие с водой: Аммиак является слабым основанием. При растворении в воде он обратимо реагирует с ней по донорно-акцепторному механизму, образуя ион аммония и гидроксид-ион. Раствор приобретает слабощелочную реакцию, окрашивая фенолфталеин в малиновый цвет, а лакмус — в синий.
  $NH_3 + H_2O \rightleftarrows NH_3 \cdot H_2O \rightleftarrows NH_4^+ + OH^-$
• Взаимодействие с кислотами: Как основание, аммиак энергично реагирует с кислотами с образованием солей аммония. Реакция с газообразным хлороводородом выглядит как образование белого дыма.
  $NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl$ (хлорид аммония)
  $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$ (сульфат аммония)

2. Восстановительные свойства (за счёт степени окисления $N^{-3}$):

• Горение: Аммиак горит в чистом кислороде с образованием азота и воды.
  $4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$
• Каталитическое окисление: В присутствии катализатора (например, платины) окисление идёт до оксида азота(II). Это важнейший промышленный процесс в производстве азотной кислоты.
  $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t^\circ} 4NO + 6H_2O$
• Взаимодействие с оксидами металлов: При нагревании аммиак может восстанавливать металлы из их оксидов.
  $3CuO + 2NH_3 \xrightarrow{t^\circ} 3Cu + N_2 + 3H_2O$

3. Комплексообразование:

Благодаря неподелённой электронной паре аммиак способен образовывать комплексные соединения с катионами металлов, выступая в роли лиганда. Например, аммиачный раствор растворяет нерастворимые гидроксиды и соли некоторых металлов.
$Cu(OH)_2 + 4NH_3 \rightarrow [Cu(NH_3)_4](OH)_2$ (гидроксид тетраамминмеди(II) — раствор ярко-синего цвета)

Ответ: Аммиак проявляет двойственные химические свойства. Благодаря неподелённой электронной паре он является основанием (реагирует с водой и кислотами) и комплексообразователем. Из-за низкой степени окисления азота ($-3$) аммиак является сильным восстановителем (окисляется кислородом, оксидами металлов).

Получение аммиака

• В промышленности: Основной метод — процесс Габера-Боша, то есть прямой синтез из азота и водорода. Реакция является обратимой, экзотермической и каталитической.
  $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftarrows 2NH_3(г) + Q$
  Условия: температура $400–500^\circ C$, давление $15–35$ МПа, катализатор — пористое железо.
• В лаборатории: Аммиак получают действием сильных щелочей на соли аммония при нагревании.
  $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$
  Качественной реакцией на ион аммония ($NH_4^+$) является выделение аммиака при действии щёлочи, который обнаруживается по запаху или посинению влажной красной лакмусовой бумажки.

Ответ: В промышленности аммиак получают синтезом из азота и водорода (процесс Габера-Боша). В лабораторных условиях его получают при нагревании солей аммония со щелочами.