Страница 90 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Соединения, содержащие азот в минимальной степени окисления $-3$, могут проявлять только восстановительные свойства. Какие реакции характерны для таких соединений?

Соединения, в которых азот проявляет свою минимальную степень окисления $-3$ (к таким относятся аммиак $NH_3$, ион аммония $NH_4^+$, нитриды металлов), в окислительно-восстановительных реакциях могут быть только восстановителями. Это обусловлено тем, что атом азота, находясь в низшей степени окисления, может только отдавать электроны, то есть окисляться, повышая свою степень окисления (например, до $0, +1, +2, +4, +5$).

Решение

Для соединений азота со степенью окисления $-3$ характерны следующие типы реакций, демонстрирующие их восстановительные свойства.

1. Взаимодействие с кислородом

Аммиак способен гореть в кислороде, а его каталитическое окисление является важнейшим промышленным процессом.

• Горение без катализатора: азот окисляется до простого вещества $N_2$.

  $4\stackrel{-3}{N}H_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2\stackrel{0}{N_2} + 6H_2O$

• Каталитическое окисление (на платиновом катализаторе): азот окисляется до оксида азота(II).

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

2. Взаимодействие с другими окислителями

Аммиак и его производные реагируют со многими сильными окислителями, такими как галогены, оксиды металлов, перманганаты и др.

• С галогенами (на примере хлора):

  $2\stackrel{-3}{N}H_3 + 3Cl_2 \rightarrow \stackrel{0}{N_2} + 6HCl$

• С оксидами металлов (восстановление металлов):

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

3. Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции

Для солей аммония, в которых анион является окислителем (например, нитраты, нитриты, дихроматы), характерны реакции термического разложения, где ион аммония $NH_4^+$ выступает в роли восстановителя.

• Разложение дихромата аммония (реакция "вулкан"):

  $(\stackrel{-3}{N}H_4)_2\stackrel{+6}{Cr_2}O_7 \xrightarrow{t^{\circ}} \stackrel{0}{N_2} + \stackrel{+3}{Cr_2}O_3 + 4H_2O$

• Разложение нитрата аммония:

  $\stackrel{-3}{N}H_4\stackrel{+5}{N}O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} \stackrel{+1}{N_2}O + 2H_2O$

Помимо окислительно-восстановительных, для аммиака также характерны реакции, где он проявляет основные свойства (взаимодействие с кислотами) и выступает в качестве лиганда в реакциях комплексообразования, но эти процессы протекают без изменения степени окисления азота.

Ответ: Для соединений азота в минимальной степени окисления $-3$ характерны реакции с окислителями (кислородом, галогенами, оксидами металлов), в которых они проявляют исключительно восстановительные свойства, а также реакции внутримолекулярного окисления-восстановления (в солях аммония с анионом-окислителем). В результате этих реакций степень окисления азота повышается.

Лабораторный опыт 35

Соберите прибор для получения газа и проверьте его на герметичность. В пробирку прибора поместите смесь кристаллических хлорида аммония и щёлочи. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки поднимите вверх и наденьте на него сухую пробирку. Под тягой прогрейте пробирку со смесью, а затем нагревайте её в том месте, где находятся реагенты. Что ощущаете? Через минуту снимите пробирку с аммиаком и, не переворачивая, опустите отверстием в кристаллизатор с водой. Что наблюдаете? Закройте отверстие пробирки пальцем под водой, переверните её с полученным раствором, уберите палец и добавьте в раствор несколько капель раствора фенолфталеина. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции получения аммиака. Какой способ вы использовали для его собирания?

Что ощущаете?

При нагревании смеси кристаллического хлорида аммония со щёлочью начинается выделение газа с характерным резким, удушливым запахом. Это запах аммиака ($NH_3$). Опыт необходимо проводить в вытяжном шкафу, так как аммиак является токсичным веществом и раздражает дыхательные пути. Ответ: Ощущается резкий, удушливый запах аммиака.

Что наблюдаете? (при опускании пробирки в воду)

Когда пробирку, наполненную аммиаком, опускают отверстием в кристаллизатор с водой, вода быстро устремляется внутрь пробирки, заполняя её. Это явление, известное как «аммиачный фонтан», объясняется чрезвычайно высокой растворимостью аммиака в воде (при комнатной температуре в 1 объеме воды растворяется около 700 объемов аммиака). Из-за быстрого растворения газа давление внутри пробирки резко падает, и внешнее атмосферное давление «заталкивает» воду внутрь. Ответ: Вода быстро поднимается и заполняет пробирку.

Что наблюдаете? (при добавлении фенолфталеина)

При растворении аммиака в воде образуется гидрат аммиака, который является слабым основанием (щелочью). Происходит обратимая реакция с водой: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$. Наличие в растворе гидроксид-ионов ($OH^-$) создает щелочную среду. Фенолфталеин — это кислотно-основный индикатор, который в щелочной среде (pH > 8.2) изменяет свой цвет с бесцветного на малиновый. Поэтому при добавлении капель фенолфталеина в полученный раствор он окрашивается. Ответ: Раствор окрашивается в малиновый цвет.

Запишите уравнение реакции получения аммиака.

Получение аммиака в лабораторных условиях основано на реакции обмена между солью аммония и щёлочью при нагревании. В данном опыте используется кристаллический хлорид аммония ($NH_4Cl$) и твёрдая щёлочь, например, гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$). Уравнение реакции выглядит следующим образом: $2NH_4Cl_{(тв)} + Ca(OH)_{2(тв)} \xrightarrow{t} CaCl_{2(тв)} + 2NH_{3(г)}\uparrow + 2H_2O_{(г)}$. Ответ: $2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \xrightarrow{t} CaCl_2 + 2NH_3\uparrow + 2H_2O$.

Какой способ вы использовали для его собирания?

Для сбора аммиака использовался метод вытеснения воздуха. Пробирку-приёмник располагали вверх дном, а газоотводную трубку вводили в неё снизу вверх. Этот способ применяется для сбора газов, которые легче воздуха. Молярная масса аммиака $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль, что значительно меньше средней молярной массы воздуха ($M_{возд} \approx 29$ г/моль). Поэтому аммиак, будучи легче, поднимается и заполняет перевёрнутую пробирку, вытесняя из неё более тяжёлый воздух. Ответ: Использовался способ собирания газа методом вытеснения воздуха, так как аммиак легче воздуха.