Страница 68 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

4. Заполните схему «Основные области применения азота».

$N_2$

б)

в)

Пожаротушение

Хранение биологических объектов

Получение аммиака

Производство минеральных удобрений

Наполнение шин

Создание инертной среды

Медицина

Криогенная техника

Азот ($N_2$) — двухатомный газ, составляющий около 78% земной атмосферы. Благодаря своим физическим и химическим свойствам он находит широкое применение в различных отраслях промышленности и науки. Ниже представлены основные области его использования.

Производство аммиака
Это крупнейшая область применения азота. В процессе Габера-Боша азот из воздуха соединяется с водородом при высокой температуре и давлении в присутствии катализатора для получения аммиака. Уравнение реакции: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Аммиак является важнейшим сырьем для химической промышленности.
Ответ: Синтез аммиака ($NH_3$) для дальнейшего использования.

Производство минеральных удобрений
Значительная часть произведенного аммиака перерабатывается в азотные удобрения, такие как аммиачная селитра ($NH_4NO_3$) и карбамид (мочевина, $(NH_2)_2CO$). Эти вещества вносят в почву для повышения плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур.
Ответ: Азотные удобрения для сельского хозяйства.

Создание инертной среды
Газообразный азот химически малоактивен, поэтому его используют для вытеснения кислорода и создания инертной атмосферы. Это предотвращает процессы окисления, коррозии и горения. Применяется при упаковке пищевых продуктов (для увеличения срока хранения), в электронике, в химической промышленности, а также для накачки шасси самолетов и автомобильных шин.
Ответ: Инертная среда для хранения продуктов, безопасности химических процессов и в электронике.

Применение в жидком виде (криогеника)
Жидкий азот, имеющий очень низкую температуру кипения ($-196^\circ C$), используется как хладагент. В медицине его применяют для криоконсервации биологических образцов (клеток, тканей) и в криохирургии для удаления новообразований. В технике и пищевой промышленности — для быстрой заморозки и охлаждения.
Ответ: Хладагент (жидкий азот) в медицине, науке и промышленности.

Синтез других азотсодержащих соединений
Азот является основой для производства множества важных химических продуктов. Из аммиака получают азотную кислоту ($HNO_3$), которая используется для создания взрывчатых веществ (нитроглицерин, тротил), полимеров (капрон, нейлон), красителей и лекарственных препаратов.
Ответ: Производство азотной кислоты, взрывчатых веществ, полимеров, красителей и лекарств.

Часть I

1. Молекулярная формула аммиака .

а) Электронная формула аммиака:

б) Структурная формула аммиака:

Геометрическая форма молекулы с обозначением атомов и частичных зарядов:

1. Молекулярная формула аммиака $NH_3$

а) Электронная формула аммиака:

Электронная формула, также известная как формула Льюиса, отображает распределение валентных электронов в молекуле. Атом азота (N), элемент 15-й группы, имеет 5 валентных электронов. Атом водорода (H) имеет 1 валентный электрон. В молекуле аммиака ($NH_3$) атом азота образует три одинарные ковалентные связи с тремя атомами водорода. Для этого используются 3 электрона азота и по одному электрону от каждого из трех атомов водорода. Оставшиеся 2 валентных электрона азота образуют неподеленную (свободную) электронную пару. В результате атом азота имеет завершенный электронный октет (8 электронов), а каждый атом водорода — завершенный дублет (2 электрона).

Ответ: Электронная формула аммиака, где черточки обозначают связывающие электронные пары, а точки — неподеленную электронную пару: $$ \Large \begin{array}{c} \cdot\cdot \\ \text{H}-\text{N}-\text{H} \\ | \\ \text{H} \end{array} $$

б) Структурная формула аммиака:

Структурная формула показывает порядок соединения атомов в молекуле. Ковалентные связи между атомами изображаются в виде черточек. Для аммиака она показывает, что центральный атом азота соединен с тремя атомами водорода. Часто в структурной формуле также указывают неподеленные электронные пары, так как они важны для понимания геометрии и реакционной способности молекулы.

Ответ: Структурная формула аммиака (с указанием неподеленной электронной пары): $$ \Large \begin{array}{c} \cdot\cdot \\ \text{H}-\text{N}-\text{H} \\ | \\ \text{H} \end{array} $$ Или в упрощенном виде (без указания неподеленной пары): $$ \Large \begin{array}{c} \text{H}-\text{N}-\text{H} \\ | \\ \text{H} \end{array} $$

Геометрическая форма молекулы с обозначением атомов и частичных зарядов:

Геометрическая форма молекулы определяется взаимным отталкиванием электронных пар валентной оболочки центрального атома (теория VSEPR). В молекуле аммиака у центрального атома азота имеется четыре электронные пары: три связывающие (с атомами водорода) и одна неподеленная. Эти четыре пары располагаются в пространстве, образуя тетраэдрическую электронную геометрию. Однако форма самой молекулы определяется положением атомных ядер, поэтому она является тригональной (треугольной) пирамидой. Атом азота находится в вершине этой пирамиды, а три атома водорода образуют ее основание. Неподеленная пара электронов отталкивается сильнее связывающих пар, что приводит к уменьшению валентного угла H-N-H до $107,8^\circ$ (вместо идеального тетраэдрического угла $109,5^\circ$).
Связи N-H полярны из-за разницы в электроотрицательности между азотом (ЭО = 3.04) и водородом (ЭО = 2.20). Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому азота, в результате чего на нем возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на каждом из атомов водорода — частичный положительный заряд ($\delta+$). Асимметричное строение молекулы и полярность связей делают молекулу аммиака в целом полярной.

Ответ: Геометрическая форма — тригональная пирамида. Ниже приведена структурная формула с обозначением атомов и частичных зарядов, которая, однако, является плоской проекцией и не передает реального пространственного строения молекулы: $$ \Large \begin{array}{c} \cdot\cdot \\ \text{H}^{\delta+}-\text{N}^{\delta-}-\text{H}^{\delta+} \\ | \\ \text{H}^{\delta+} \end{array} $$

2. Физические свойства аммиака.

a)

б)

в)

г) $D_{\text{(возд.)}} = $ , поэтому аммиак со-
бирают в сосуд

а) Аммиак в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ, обладающий характерным резким и едким запахом, который хорошо знаком по нашатырному спирту. Ответ: Бесцветный газ с резким удушливым запахом.

б) Важнейшим свойством аммиака является его чрезвычайно высокая растворимость в воде. Это объясняется образованием водородных связей между полярными молекулами аммиака и воды. Так, при 20°C в 1 объеме воды растворяется около 700 объемов аммиака. Ответ: Очень хорошо растворим в воде.

в) Аммиак имеет относительно высокую температуру кипения для своего молекулярного веса (–33,4°C), что позволяет ему легко сжижаться под давлением уже при комнатной температуре. Также он значительно легче воздуха, что важно для способа его собирания. Ответ: Легче воздуха, легко сжижается.

г) Чтобы заполнить пропуски, необходимо рассчитать относительную плотность аммиака по воздуху и на основе этого значения определить способ его собирания.

Дано:

Химическая формула аммиака: $NH_3$

Средняя молярная масса воздуха: $M_{возд.} \approx 29 \text{ г/моль}$

Найти:

Относительную плотность аммиака по воздуху $D_{возд.}(NH_3)$.

Решение:

Относительная плотность газа по воздуху ($D_{возд.}$) — это безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз молярная масса данного газа больше или меньше средней молярной массы воздуха. Формула для расчета:

$D_{возд.}(газ) = \frac{M(газ)}{M_{возд.}}$

1. Вычислим молярную массу аммиака ($M(NH_3)$), используя значения относительных атомных масс: $Ar(N) \approx 14$, $Ar(H) \approx 1$.

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

2. Подставим значения в формулу для относительной плотности:

$D_{возд.}(NH_3) = \frac{M(NH_3)}{M_{возд.}} = \frac{17 \text{ г/моль}}{29 \text{ г/моль}} \approx 0.586 \approx 0.59$.

Поскольку относительная плотность аммиака по воздуху $D_{возд.}(NH_3) \approx 0.59$, что меньше 1, аммиак значительно легче воздуха. Газы, которые легче воздуха, собирают методом вытеснения воздуха, располагая сосуд-приемник (например, пробирку) вверх дном.

Ответ: $D_{(возд.)} = 0.59$, поэтому аммиак собирают в сосуд, перевернутый дном вверх.