Номер B, страница 161 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

B

1. Расскажите о восстановительных свойствах аммиака. Приведите примеры.

2. Объясните образование химической связи в молекуле аммиака.

3. Где применяются соединения азота?

1. Расскажите о восстановительных свойствах аммиака. Приведите примеры.

Восстановительные свойства аммиака ($NH_3$) обусловлены тем, что атом азота в его молекуле находится в своей низшей степени окисления, равной -3. Это означает, что в окислительно-восстановительных реакциях азот в аммиаке может только отдавать электроны (окисляться), повышая свою степень окисления, что и характеризует аммиак как восстановитель.

Сила аммиака как восстановителя зависит от условий реакции (температура, катализатор) и от силы окислителя.

Примеры реакций, демонстрирующих восстановительные свойства аммиака:

1. Взаимодействие с кислородом (горение). В зависимости от условий, окисление может приводить к разным продуктам.

а) Горение в чистом кислороде без катализатора. Аммиак окисляется до простого вещества — азота ($N_2$), где степень окисления азота равна 0.

$4\stackrel{-3}{N}H_3 + 3O_2 \rightarrow 2\stackrel{0}{N_2} + 6H_2O$

б) Каталитическое окисление кислородом воздуха (в присутствии платинового катализатора при температуре 800-900°C). Это более "жесткое" окисление, при котором азот повышает степень окисления до +2. Данная реакция является ключевой стадией в промышленном производстве азотной кислоты.

$4\stackrel{-3}{N}H_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t} 4\stackrel{+2}{N}O + 6H_2O$

2. Взаимодействие с оксидами металлов. При высоких температурах аммиак способен восстанавливать многие металлы из их оксидов.

Например, при пропускании аммиака над раскаленным оксидом меди(II) ($CuO$) образуется свободная медь, газообразный азот и вода.

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

В этой реакции черный порошок оксида меди превращается в красную металлическую медь.

Ответ: Аммиак проявляет восстановительные свойства, так как азот в нем имеет низшую степень окисления -3 и может только окисляться. Примерами являются его горение в кислороде с образованием азота ($4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$) или каталитическое окисление до оксида азота(II) ($4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt} 4NO + 6H_2O$), а также восстановление металлов из их оксидов ($2NH_3 + 3CuO \rightarrow N_2 + 3Cu + 3H_2O$).

2. Объясните образование химической связи в молекуле аммиака.

Химическая связь в молекуле аммиака ($NH_3$) образуется между одним атомом азота (N) и тремя атомами водорода (H). Тип связи — ковалентная полярная.

1. Электронное строение атомов. Атом азота (порядковый номер 7) имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^3$. На его внешнем энергетическом уровне находится 5 валентных электронов. До завершения внешнего уровня (октета) ему не хватает 3 электронов. Атом водорода (порядковый номер 1) имеет конфигурацию $1s^1$, у него 1 валентный электрон, и до завершения уровня (дуплета) ему не хватает 1 электрона.

2. Механизм образования связи. Связь образуется по обменному механизму. Атом азота предоставляет три своих неспаренных p-электрона для образования трех общих электронных пар с тремя атомами водорода. Каждый атом водорода предоставляет свой единственный s-электрон. В результате образуются три одинарные ковалентные связи N–H.

3. Полярность связи. Азот является более электроотрицательным элементом (ЭО ≈ 3.04), чем водород (ЭО ≈ 2.20). Из-за этой разницы в электроотрицательности общие электронные пары в связях N–H смещены в сторону атома азота. В результате на атоме азота возникает частичный отрицательный заряд ($δ-$), а на каждом из атомов водорода — частичный положительный заряд ($δ+$). Поэтому связь N–H является полярной.

4. Геометрия молекулы и неподеленная пара. После образования трех связей у атома азота остается одна неподеленная (не участвующая в образовании связи) пара валентных электронов (электроны с 2s-орбитали). Эта неподеленная пара, вместе с тремя связывающими электронными парами, определяет геометрию молекулы. Согласно теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR), четыре электронные пары (три связывающие и одна неподеленная) располагаются вокруг центрального атома азота, стремясь к тетраэдрической ориентации. Однако неподеленная пара отталкивается от связывающих пар сильнее, чем связывающие пары друг от друга. Это приводит к тому, что валентный угол H–N–H сжимается и составляет примерно 107°, что меньше тетраэдрического угла 109.5°. Молекула аммиака приобретает форму тригональной (треугольной) пирамиды с атомом азота в вершине.

Из-за полярности связей и асимметричной пирамидальной формы молекула аммиака в целом является полярной (имеет дипольный момент).

Ответ: В молекуле аммиака атом азота образует три ковалентные полярные связи с тремя атомами водорода по обменному механизму, предоставляя свои три неспаренных p-электрона. Из-за большей электроотрицательности азота общие электронные пары смещены к нему. У атома азота также остается одна неподеленная электронная пара, из-за отталкивания которой молекула приобретает форму тригональной пирамиды с углом H–N–H около 107°.

3. Где применяются соединения азота?

Соединения азота имеют чрезвычайно широкое и важное применение в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и в живой природе.

1. Сельское хозяйство:

Основная область применения — производство минеральных удобрений. Азот является ключевым элементом питания для растений. Наиболее важные азотные удобрения:

• Аммиак ($NH_3$) — используется как в чистом виде (жидкий аммиак), так и в качестве сырья для других удобрений.
• Аммиачная селитра (нитрат аммония, $NH_4NO_3$).
• Карбамид (мочевина, $(NH_2)_2CO$).
• Сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$).

2. Химическая промышленность:

• Аммиак ($NH_3$) — является сырьем для производства азотной кислоты, соды по методу Сольве, синильной кислоты, полимеров (например, капрона, нейлона).
• Азотная кислота ($HNO_3$) — используется для производства удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарств и для травления металлов.
• Оксиды азота — оксид азота(I) ($N_2O$), известный как "веселящий газ", применяется в медицине для анестезии.

3. Производство взрывчатых веществ и пиротехники:

• Многие взрывчатые вещества являются нитросоединениями, получаемыми с использованием азотной кислоты: тринитротолуол (ТНТ), нитроглицерин, гексоген.
• Нитрат аммония ($NH_4NO_3$) является компонентом промышленных взрывчатых веществ (аммонитов).
• Нитрат калия ($KNO_3$) — основной компонент черного пороха.
• Азид натрия ($NaN_3$) используется в автомобильных подушках безопасности для быстрого генерирования газа (азота) при столкновении.

4. Медицина и биология:

• Азот является основой всех белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), то есть основой жизни.
• Нашатырный спирт (водный раствор аммиака) используется для стимуляции дыхания.
• Оксид азота(I) ($N_2O$) — ингаляционный анестетик.
• Многие лекарственные препараты (антибиотики, сульфаниламиды, алкалоиды) содержат в своих молекулах атомы азота.

5. Пищевая промышленность:

• Нитриты (например, нитрит натрия $NaNO_2$) используются в качестве консервантов и фиксаторов окраски при производстве мясных изделий.

6. Другие области:

• Жидкий азот используется как хладагент в криогенике, медицине (криохирургия) и для заморозки пищевых продуктов.
• Азотсодержащие соединения являются основой для производства многих синтетических красителей (например, анилиновых).

Ответ: Соединения азота применяются в производстве минеральных удобрений (аммиак, нитрат аммония, мочевина), взрывчатых веществ (ТНТ, нитроглицерин), в химической промышленности для синтеза азотной кислоты, полимеров и красителей. В медицине они используются как анестетики (оксид азота(I)) и входят в состав многих лекарств. Также они находят применение в пищевой промышленности как консерванты (нитриты) и в криогенной технике (жидкий азот).