Страница 150 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Опишите физические и химические свойства аммиака.

Физические свойства аммиака

Аммиак ($NH_3$) — это соединение азота с водородом, обладающее следующими физическими свойствами:

1. Агрегатное состояние: при нормальных условиях аммиак является бесцветным газом.

2. Запах: имеет характерный резкий, удушливый запах (запах нашатырного спирта). В высоких концентрациях опасен для здоровья.

3. Плотность: плотность газообразного аммиака при нормальных условиях составляет $0.771$ кг/м³. Он значительно легче воздуха (средняя молярная масса воздуха $\approx 29$ г/моль, молярная масса аммиака $\approx 17$ г/моль), поэтому при утечках он поднимается вверх.

4. Растворимость: чрезвычайно хорошо растворяется в воде. Эта высокая растворимость объясняется образованием водородных связей между полярными молекулами аммиака и воды. При $0^\circ\text{C}$ и атмосферном давлении в 1 объеме воды может раствориться до 1200 объемов аммиака. Концентрированный водный раствор аммиака (обычно 25%) называют аммиачной водой или нашатырным спиртом.

5. Температуры фазовых переходов: аммиак сжижается при температуре $-33.35^\circ\text{C}$ и затвердевает (кристаллизуется) при $-77.7^\circ\text{C}$. Благодаря относительно высокой температуре кипения и большой теплоте испарения, жидкий аммиак используется в качестве хладагента в холодильных установках.

Ответ: Аммиак — это бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха, очень хорошо растворимый в воде. Легко сжижается при охлаждении и/или повышении давления.

Химические свойства аммиака

Химическая активность аммиака обусловлена, во-первых, наличием у атома азота неподеленной электронной пары, что определяет его основные и комплексообразующие свойства, и, во-вторых, низшей степенью окисления азота (–3), что делает аммиак сильным восстановителем.

1. Основные свойства

Аммиак является слабым основанием. В реакциях он присоединяет протон ($H^+$) по донорно-акцепторному механизму.

- Взаимодействие с водой:

При растворении в воде аммиак образует гидрат аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$), который частично диссоциирует с образованием ионов аммония ($NH_4^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$), создавая в растворе щелочную среду.

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

- Взаимодействие с кислотами:

Аммиак энергично реагирует с кислотами, образуя соли аммония. Реакция с газообразным хлороводородом сопровождается появлением белого дыма — мельчайших кристаллов хлорида аммония.

$NH_3 \text{(газ)} + HCl \text{(газ)} \rightarrow NH_4Cl \text{(тв.)}$

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$ (сульфат аммония)

2. Восстановительные свойства

Аммиак проявляет сильные восстановительные свойства, так как степень окисления азота в нем минимальна (–3).

- Горение:

Аммиак горит в чистом кислороде с образованием азота и воды.

$4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$

В присутствии платинового катализатора при температуре около $800^\circ\text{C}$ аммиак окисляется до оксида азота(II). Эта реакция лежит в основе промышленного получения азотной кислоты.

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t} 4NO + 6H_2O$

- Взаимодействие с оксидами металлов:

При нагревании аммиак может восстанавливать многие металлы из их оксидов.

$2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t} 3Cu + N_2 + 3H_2O$

3. Реакции комплексообразования

Благодаря неподеленной электронной паре аммиак способен выступать в качестве лиганда, образуя комплексные (координационные) соединения с катионами металлов, особенно d-элементов. Например, при добавлении раствора аммиака к раствору соли меди(II) сначала выпадает голубой осадок гидроксида меди(II), который затем растворяется в избытке аммиака с образованием ярко-синего раствора комплексной соли — сульфата тетраамминмеди(II).

$Cu^{2+} + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow$

$Cu(OH)_2 + 4NH_3 \rightarrow [Cu(NH_3)_4](OH)_2$

Ионное уравнение: $Cu^{2+} + 4NH_3 \rightarrow [Cu(NH_3)_4]^{2+}$

4. Кислотные свойства

Очень слабые кислотные свойства аммиак проявляет при взаимодействии с активными металлами (например, натрием) при нагревании, образуя амиды металлов.

$2NH_3 + 2Na \xrightarrow{200-300^\circ\text{C}} 2NaNH_2 + H_2 \uparrow$

Ответ: Аммиак проявляет двойственные химические свойства: он является слабым основанием (реагирует с водой и кислотами), сильным восстановителем (горение, восстановление металлов из оксидов), способен к комплексообразованию (с ионами металлов), а также в жёстких условиях проявляет очень слабые кислотные свойства (реакции с активными металлами).

2. Изобразите строение молекулы аммиака и иона аммония.

Строение молекулы аммиака ($NH_3$)

Молекула аммиака, химическая формула которой $NH_3$, состоит из одного атома азота ($N$) и трех атомов водорода ($H$). Атом азота является центральным в молекуле.

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня атома азота — $2s^2 2p^3$, он имеет 5 валентных электронов. Атом водорода имеет один валентный электрон ($1s^1$). Для образования связей атом азота переходит в состояние $sp^3$-гибридизации. Четыре гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра.

Три гибридные орбитали атома азота, каждая из которых содержит по одному электрону, образуют три ковалентные полярные связи $N-H$ с тремя атомами водорода по обменному механизму. Четвертая $sp^3$-гибридная орбиталь занята неподеленной электронной парой.

Наличие этой неподеленной пары электронов приводит к отталкиванию связывающих электронных пар, из-за чего валентный угол $H-N-H$ искажается и составляет $107,8^\circ$ (вместо идеального тетраэдрического $109,5^\circ$). В результате молекула аммиака приобретает форму тригональной (треугольной) пирамиды, в вершине которой находится атом азота, а в основании — атомы водорода.

Схематическое изображение строения молекулы аммиака, где точки обозначают неподеленную электронную пару: $$ \begin{matrix} & \Large .. & \\ & \Large N & \\ \Large / \quad & | & \quad \Large \backslash \\ \Large H & \Large H & \Large H \end{matrix} $$

Ответ: Молекула аммиака ($NH_3$) имеет форму тригональной пирамиды. Атом азота находится в состоянии $sp^3$-гибридизации, образует три ковалентные полярные связи $N-H$ и имеет одну неподеленную электронную пару. Валентный угол $H-N-H$ составляет $107,8^\circ$.

Строение иона аммония ($NH_4^+$)

Ион аммония, химическая формула которого $NH_4^+$, образуется при взаимодействии молекулы аммиака с ионом водорода (протоном $H^+$). Молекула аммиака выступает в роли донора электронов, предоставляя свою неподеленную электронную пару для образования четвертой ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. $$ NH_3 + H^+ \rightarrow [NH_4]^+ $$

В ионе аммония атом азота также находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Все четыре гибридные орбитали участвуют в образовании четырех ковалентных связей $N-H$. После образования иона все четыре связи $N-H$ становятся абсолютно одинаковыми и неразличимыми.

Так как у центрального атома азота нет неподеленных электронных пар, а есть четыре одинаковые связывающие электронные пары, ион аммония имеет форму правильного тетраэдра. Атом азота расположен в центре тетраэдра, а атомы водорода — в его вершинах. Все валентные углы $H-N-H$ равны и составляют $109,5^\circ$. Положительный заряд $+1$ равномерно распределен по всему иону.

Схематическое изображение строения иона аммония: $$ \left[ \begin{matrix} & \Large H & \\ & \Large | & \\ \Large H & - \Large N - & \Large H \\ & \Large | & \\ & \Large H & \end{matrix} \right]^+ $$

Ответ: Ион аммония ($NH_4^+$) имеет форму правильного тетраэдра. Атом азота в состоянии $sp^3$-гибридизации образует четыре равноценные ковалентные связи с атомами водорода. Валентные углы $H-N-H$ составляют $109,5^\circ$.

3. Напишите формулы нитрата, хлорида, сульфата, карбоната, фосфата аммония.

Для написания формул солей аммония необходимо знать формулу и заряд катиона аммония и формулы и заряды соответствующих кислотных остатков (анионов). Катион аммония имеет формулу $NH_4^+$ и заряд +1.

Нитрат аммония

Нитрат-ион (остаток азотной кислоты $HNO_3$) имеет формулу $NO_3^-$ и заряд -1. Так как заряды катиона аммония (+1) и нитрат-иона (-1) равны по модулю и противоположны по знаку, для составления формулы требуется один катион и один анион.

Ответ: $NH_4NO_3$

Хлорид аммония

Хлорид-ион (остаток соляной кислоты $HCl$) имеет формулу $Cl^-$ и заряд -1. Заряды катиона аммония (+1) и хлорид-иона (-1) уравновешивают друг друга.

Ответ: $NH_4Cl$

Сульфат аммония

Сульфат-ион (остаток серной кислоты $H_2SO_4$) имеет формулу $SO_4^{2-}$ и заряд -2. Для компенсации заряда -2 сульфат-иона необходимо два катиона аммония с общим зарядом 2∙(+1)=+2. Группу $NH_4$ в формуле заключаем в скобки.

Ответ: $(NH_4)_2SO_4$

Карбонат аммония

Карбонат-ион (остаток угольной кислоты $H_2CO_3$) имеет формулу $CO_3^{2-}$ и заряд -2. Аналогично сульфату аммония, для составления электронейтральной формулы требуется два катиона аммония на один карбонат-ион.

Ответ: $(NH_4)_2CO_3$

Фосфат аммония

Фосфат-ион (остаток ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$) имеет формулу $PO_4^{3-}$ и заряд -3. Чтобы уравновесить заряд фосфат-иона, необходимо взять три катиона аммония с общим зарядом 3∙(+1)=+3.

Ответ: $(NH_4)_3PO_4$

4. Предложите способ очистки воздуха от примеси аммиака.

Решение

Очистку воздуха от примеси аммиака ($NH_3$) целесообразно проводить, используя его химические свойства. Аммиак проявляет свойства основания, поэтому он эффективно взаимодействует с кислотами.

Самый действенный способ очистки — это пропускание загрязненного воздуха через раствор сильной нелетучей кислоты, например, серной ($H_2SO_4$) или фосфорной ($H_3PO_4$). Этот метод называется хемосорбцией. Установка для этого процесса, называемая скруббером или промывной склянкой, обеспечивает хороший контакт между газом и жидкостью.

При контакте с раствором кислоты аммиак вступает в реакцию нейтрализации, образуя соль, которая остается в растворе. Например, реакция с серной кислотой выглядит следующим образом:

$2NH_3 \text{ (газ)} + H_2SO_4 \text{ (раствор)} \rightarrow (NH_4)_2SO_4 \text{ (раствор)}$

В результате образуется сульфат аммония — нелетучая, хорошо растворимая в воде соль. Таким образом, аммиак удаляется из газовой смеси (воздуха) и переходит в жидкую фазу. Этот метод отличается высокой эффективностью, так как химическая реакция является практически необратимой и протекает с большой скоростью.

Также возможен способ очистки путем пропускания воздуха через воду. Аммиак обладает очень высокой растворимостью в воде (этот процесс называется абсорбцией):

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4OH \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Однако этот процесс обратим, и полного удаления аммиака из воздуха таким способом достичь сложнее, чем при использовании кислотного раствора. Эффективность поглощения водой сильно зависит от температуры (чем ниже, тем лучше) и давления.

Следовательно, химический метод с использованием раствора кислоты является предпочтительным для надежной и полной очистки воздуха от аммиака.

Ответ: Наиболее эффективный способ очистки воздуха от примеси аммиака — это пропускание газовой смеси через скруббер (промывную склянку) с раствором сильной нелетучей кислоты, например, серной ($H_2SO_4$). В результате химической реакции аммиак превратится в нелетучую соль (сульфат аммония) и останется в растворе, а воздух будет очищен.

5. Сколько граммов нитрата аммония образуется при взаимодействии 6,8 г аммиака с азотной кислотой?

Дано:

$m(NH_3) = 6,8$ г

Найти:

$m(NH_4NO_3)$ - ?

Решение:

1. Сначала запишем уравнение химической реакции взаимодействия аммиака с азотной кислотой. Это реакция соединения, в результате которой образуется соль — нитрат аммония:

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

Уравнение уже сбалансировано, все стехиометрические коэффициенты равны 1. Это означает, что 1 моль аммиака реагирует с 1 моль азотной кислоты, образуя 1 моль нитрата аммония.

2. Далее вычислим молярные массы аммиака ($NH_3$) и нитрата аммония ($NH_4NO_3$), используя относительные атомные массы элементов из Периодической таблицы (округлим до целых): $Ar(N) = 14$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

Молярная масса аммиака:

$M(NH_3) = Ar(N) + 3 \cdot Ar(H) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль

Молярная масса нитрата аммония:

$M(NH_4NO_3) = 2 \cdot Ar(N) + 4 \cdot Ar(H) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 14 + 4 \cdot 1 + 3 \cdot 16 = 28 + 4 + 48 = 80$ г/моль

3. Теперь найдем количество вещества (число моль) аммиака массой 6,8 г по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(NH_3) = \frac{m(NH_3)}{M(NH_3)} = \frac{6,8 \text{ г}}{17 \text{ г/моль}} = 0,4$ моль

4. Согласно уравнению реакции, количество вещества образовавшегося нитрата аммония равно количеству вещества прореагировавшего аммиака, так как их стехиометрические коэффициенты равны (1:1):

$n(NH_4NO_3) = n(NH_3) = 0,4$ моль

5. Наконец, рассчитаем массу нитрата аммония, которая образуется в результате реакции, используя формулу $m = n \cdot M$:

$m(NH_4NO_3) = n(NH_4NO_3) \cdot M(NH_4NO_3) = 0,4 \text{ моль} \cdot 80 \text{ г/моль} = 32$ г

Ответ: образуется 32 г нитрата аммония.

6. Сравните по химическим свойствам аммиак, хлороводород и сероводород.

Для сравнения химических свойств аммиака ($NH_3$), хлороводорода ($HCl$) и сероводорода ($H_2S$) рассмотрим их ключевые характеристики: кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства, термическую устойчивость и реакции с солями металлов.

Кислотно-основные свойства

Свойства этих соединений в качестве кислот и оснований кардинально различаются.

• Аммиак ($NH_3$) проявляет основные свойства. Атом азота имеет неподеленную электронную пару, благодаря чему молекула аммиака способна присоединять протон ($H^+$), являясь основанием по Брёнстеду-Лоури. Его водный раствор, гидрат аммиака, является слабым основанием:

  $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

• Хлороводород ($HCl$) — это типичная сильная кислота. В водном растворе (соляная кислота) он полностью диссоциирует на ионы, отдавая протон молекуле воды:

  $HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-$

• Сероводород ($H_2S$) — это очень слабая двухосновная кислота. Его диссоциация в воде протекает в две ступени, и оба равновесия сильно смещены влево, что указывает на незначительную степень ионизации:

  $H_2S + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + HS^-$

  $HS^- + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + S^{2-}$

Противоположный характер свойств аммиака и хлороводорода ярко проявляется в их реакции друг с другом с образованием соли хлорида аммония (реакция «дым без огня»):

$NH_3(г) + HCl(г) \rightarrow NH_4Cl(тв)$

Ответ: Аммиак является основанием, хлороводород – сильной кислотой, а сероводород – очень слабой кислотой. Их кислотно-основные свойства принципиально различны.

Окислительно-восстановительные свойства

Во всех трёх соединениях центральный атом неметалла находится в своей низшей степени окисления: азот в $N^{-3}H_3$, хлор в $HCl^{-1}$ и сера в $H_2S^{-2}$. По этой причине все три вещества в окислительно-восстановительных реакциях могут быть только восстановителями, повышая свою степень окисления.

• Сероводород ($H_2S$) является сильным восстановителем. В зависимости от силы окислителя и условий реакции, он может окисляться до серы ($S$), диоксида серы ($SO_2$) или сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$). Например, при горении в избытке кислорода:

  $2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$

• Аммиак ($NH_3$) также является активным восстановителем. Он горит в кислороде с образованием азота, а в присутствии катализатора окисляется до оксида азота(II):

  $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t} 4NO + 6H_2O$

• Хлороводород ($HCl$) — самый слабый восстановитель из этой тройки. Это связано с высокой электроотрицательностью хлора. Он окисляется до свободного хлора ($Cl_2$) только под действием очень сильных окислителей, например, диоксида марганца или перманганата калия:

  $MnO_2 + 4HCl_{конц} \xrightarrow{t} MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: Все три соединения являются восстановителями. Сила восстановительных свойств убывает в ряду: $H_2S > NH_3 > HCl$.

Термическая устойчивость

Термическая устойчивость водородных соединений определяется энергией связи между водородом и центральным атомом. Чем прочнее связь, тем более устойчиво соединение.

• Хлороводород ($HCl$) — наиболее устойчивое соединение. Для его разложения на простые вещества необходимы очень высокие температуры (выше $1500^{\circ}C$).

• Аммиак ($NH_3$) менее устойчив. Он обратимо разлагается на азот и водород при нагревании выше $400-500^{\circ}C$ (в присутствии катализатора реакция начинается уже при $200^{\circ}C$):

  $2NH_3 \rightleftharpoons N_2 + 3H_2$

• Сероводород ($H_2S$) — наименее устойчивое соединение. Он начинает разлагаться на водород и серу уже при температуре около $400^{\circ}C$:

  $H_2S \rightleftharpoons H_2 + S$

Ответ: Термическая устойчивость соединений уменьшается в ряду: $HCl > NH_3 > H_2S$.

Реакции с солями металлов

Различия в химических свойствах обуславливают их разное поведение в реакциях с растворами солей, что широко используется в аналитической химии для разделения и идентификации ионов.

• Водный раствор аммиака, являясь слабым основанием, осаждает из растворов солей нерастворимые гидроксиды многих металлов. Например, гидроксид железа(III):

  $FeCl_3 + 3(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NH_4Cl$

  С некоторыми катионами (например, $Cu^{2+}$, $Ag^+$, $Zn^{2+}$) аммиак образует растворимые комплексные соединения (аммиакаты), растворяя первоначально выпавший осадок гидроксида.

• Раствор хлороводорода (соляная кислота) используется для осаждения катионов, образующих нерастворимые хлориды (например, $Ag^+$, $Pb^{2+}$, $Hg_2^{2+}$).

  $AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl\downarrow + HNO_3$

• Сероводород и его водный раствор применяют для осаждения сульфидов металлов. Поскольку растворимость сульфидов сильно различается, изменяя кислотность среды, можно добиться селективного (избирательного) осаждения катионов. Например, в кислой среде осаждается черный сульфид меди(II):

  $CuSO_4 + H_2S \rightarrow CuS\downarrow + H_2SO_4$

Ответ: Все три вещества могут использоваться как реагенты-осадители, но они осаждают разные классы неорганических соединений: аммиак – гидроксиды, хлороводород – хлориды, а сероводород – сульфиды.

7. Какие частицы присутствуют в водном растворе аммиака? Ответ подтвердите уравнением реакции.

Решение

При растворении аммиака ($NH_3$) в воде ($H_2O$) происходит обратимая химическая реакция. Аммиак является слабым основанием и частично взаимодействует с водой, которая в данном случае выступает в роли кислоты (согласно теории Брёнстеда-Лоури). Молекула аммиака принимает от молекулы воды протон ($H^+$), превращаясь в ион аммония ($NH_4^+$), а от молекулы воды остается гидроксид-ион ($OH^-$). Этот процесс приводит к установлению химического равновесия.

Уравнение этой реакции, подтверждающее образование ионов, выглядит следующим образом:

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Поскольку реакция обратима и равновесие сильно сдвинуто влево (так как аммиак – слабое основание), в водном растворе одновременно присутствуют все участники этого равновесия. Таким образом, в растворе находятся: молекулы воды ($H_2O$) как растворитель; большая часть аммиака в виде непрореагировавших молекул ($NH_3$); ионы аммония ($NH_4^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$), образовавшиеся в результате реакции. Наличие гидроксид-ионов обуславливает щелочную среду раствора.

Кроме того, в любом водном растворе в ничтожно малой концентрации присутствуют ионы водорода ($H^+$) или гидроксония ($H_3O^+$) вследствие автоионизации самой воды ($H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$).

Ответ: В водном растворе аммиака присутствуют: молекулы воды ($H_2O$), молекулы аммиака ($NH_3$), ионы аммония ($NH_4^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$). Также в очень малом количестве присутствуют ионы водорода ($H^+$).

8. Что общего в свойствах гидроксида натрия и водного раствора аммиака? Напишите уравнения реакций взаимодействия этих веществ с серной кислотой, сульфатом алюминия.

Общим в свойствах гидроксида натрия ($NaOH$) и водного раствора аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$) является то, что оба эти вещества проявляют свойства оснований. Это обусловлено их способностью диссоциировать в водном растворе с образованием гидроксид-ионов ($OH^-$), которые создают щелочную среду.

Гидроксид натрия является сильным основанием (щёлочью) и в воде диссоциирует практически полностью: $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$.

Водный раствор аммиака, который также называют гидратом аммиака или гидроксидом аммония, является слабым основанием, его диссоциация в воде протекает обратимо: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.

Из-за наличия общих функциональных ионов ($OH^-$), оба раствора имеют схожие химические свойства: они изменяют окраску индикаторов (например, фенолфталеин становится малиновым), вступают в реакции нейтрализации с кислотами, а также реагируют с растворами солей металлов, если в результате реакции образуется нерастворимый гидроксид.

Взаимодействие с серной кислотой

И гидроксид натрия, и водный раствор аммиака вступают в реакцию нейтрализации с серной кислотой. При полном нейтрализации образуются средние соли (сульфаты) и вода.

Гидроксид натрия: $2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Водный раствор аммиака: $2(NH_3 \cdot H_2O) + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4 + 2H_2O$

Взаимодействие с сульфатом алюминия

Оба основания реагируют с солью сульфатом алюминия, образуя в ходе реакции ионного обмена нерастворимый гидроксид алюминия (белый студенистый осадок).

Гидроксид натрия: $Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3Na_2SO_4$

Водный раствор аммиака: $Al_2(SO_4)_3 + 6(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3(NH_4)_2SO_4$

Ответ: Общим свойством гидроксида натрия и водного раствора аммиака является их основный характер, обусловленный наличием гидроксид-ионов ($OH^-$) в растворе, что позволяет им вступать в реакции с кислотами и солями. Уравнения реакций:

$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$;

$2(NH_3 \cdot H_2O) + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4 + 2H_2O$;

$Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3Na_2SO_4$;

$Al_2(SO_4)_3 + 6(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3(NH_4)_2SO_4$.

9. Напишите уравнения реакций, соответствующих схеме превращений:

$N_2 \rightarrow NH_3 \rightarrow NH_4NO_3 \rightarrow NH_3 \rightarrow NO.$

Для осуществления данной цепи превращений необходимо последовательно провести четыре химические реакции:

1. N₂ → NH₃

   Первое превращение — это синтез аммиака из азота и водорода. Данная реакция является обратимой и проводится в промышленности при высоком давлении, повышенной температуре и с использованием катализатора (процесс Габера-Боша).

   Ответ: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ (условия: p, t, катализатор Fe)

2. NH₃ → NH₄NO₃

   Аммиак проявляет основные свойства и реагирует с кислотами с образованием солей аммония. Для получения нитрата аммония необходимо провести реакцию аммиака с азотной кислотой.

   Ответ: $NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

3. NH₄NO₃ → NH₃

   Чтобы выделить аммиак из его соли, необходимо подействовать на соль сильным основанием, например, щёлочью (гидроксидом натрия или калия). Реакция протекает при нагревании.

   Ответ: $NH_4NO_3 + NaOH \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + NaNO_3 + H_2O$

4. NH₃ → NO

   Последний этап — это каталитическое окисление аммиака кислородом. Эта реакция является ключевой стадией в промышленном производстве азотной кислоты. В качестве катализатора обычно используют платину или платино-родиевый сплав.

   Ответ: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{t, kat. (Pt/Rh)} 4NO + 6H_2O$

10. Неизвестная соль при нагревании разлагается, с раствором нитрата серебра даёт белый творожистый осадок, а с гидроксидом натрия реагирует с выделением газа. Назовите соль и напишите уравнения реакций.

Решение

Для того чтобы определить формулу неизвестной соли, проанализируем её химические свойства, описанные в задаче.

1. Реакция с раствором нитрата серебра ($AgNO_3$) с образованием белого творожистого осадка. Это является качественной реакцией на хлорид-ион ($Cl^-$). Белый творожистый осадок — это хлорид серебра ($AgCl$). Следовательно, наша соль является хлоридом.

2. Реакция с гидроксидом натрия ($NaOH$) с выделением газа. Это качественная реакция на ион аммония ($NH_4^+$). При взаимодействии солей аммония со щелочами выделяется аммиак ($NH_3$) — бесцветный газ с резким характерным запахом.

Сопоставив эти два факта, делаем вывод, что катионом в соли является ион аммония ($NH_4^+$), а анионом — хлорид-ион ($Cl^-$). Таким образом, неизвестная соль — это хлорид аммония с химической формулой $NH_4Cl$.

Напишем уравнения всех упомянутых реакций:

1. Реакция разложения хлорида аммония при нагревании на аммиак и хлороводород:

$NH_4Cl \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + HCl \uparrow$

2. Реакция обмена с нитратом серебра с образованием осадка хлорида серебра:

$NH_4Cl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NH_4NO_3$

3. Реакция обмена с гидроксидом натрия с выделением аммиака (реакция ускоряется при нагревании):

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

Ответ: Неизвестная соль — хлорид аммония ($NH_4Cl$).

Уравнения реакций:

$NH_4Cl \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + HCl \uparrow$

$NH_4Cl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NH_4NO_3$

$NH_4Cl + NaOH \rightarrow NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$