Одним из важнейших соединений азота является аммиак. По физическим свойствам это - бесцветный газ с резким, удушающим запахом (это запах водного раствора гидроксида аммония NH₃·H₂O). Газ хорошо растворяется в воде. В водном растворе аммоний является слабым основанием. Является одним из важнейших продуктов химической промышленности.
NH₃ - хороший редуктор, как в молекуле аммония, азот имеет самую низкую степень окисления -3. Многие характеристики аммиака определяются парой одиночных электронов в атоме азота – реакции присоединения с аммиаком происходят из-за его присутствия (эта пара одиночек расположена на свободной орбите Протона H⁺).
Как получить аммиак
Существуют два основных практических метода получения аммиака: один в лаборатории, другой - в промышленности.
Рассмотрим получение аммиака в промышленности. Взаимодействие молекулярного азота и водорода: N₂ + 2H₂ = 2NH₃ (обратимая реакция). Этот метод получения аммиака называется реакцией Хабера. Для молекулярного азота и водорода, которые должны прореагировать, их необходимо нагреть к 500 ᵒC или 932 ᵒF, давлению MPA 25-30 необходимо создаться. Пористый утюг должен присутствовать как катализатор.
Получение в лаборатории – это реакция между хлоридом аммония и гидроксидом кальция: СА(OH)₂ + 2NH₄Cl = CaCl₂ + 2NH₄OH (как NH₄OH - очень слабое соединение, оно сразу же распадается на газообразный аммиак и воду: NH₄OH = NH₃ + H₂O).
Реакция окисления аммиака
Они протекают с изменением состояния окисления азота. Так как аммиак - хороший редуктор, его можно использовать для уменьшения тяжелых металлов от их окисей.
Уменьшение металлов: 2NH₃ + 3CuO = 3Cu + N₂ + 3H₂O (когда меди (II) оксид нагревают в присутствии аммиака, металлическая медь красного цвета уменьшается).
Окисление аммиака в присутствии сильных окислителей (например, галогенов) происходит по уравнению: 2NH₃ + 3Cl₂ = N₂ + 6HCl (для проведения этой окислительно-восстановительной реакции требуется нагрев). При воздействии перманганата калия на аммиак в щелочной среде наблюдается образование молекулярного азота, марганцовокислого калия и воды: 2NH₃ + 6KMnO₄+ 6KOH = 6K₂MnO₄+ N₂ + 6H₂O.
При интенсивном нагревании (до 1200 °C или 2192 ᵒF) аммиак может распадаться на простые вещества: 2NH₃ = N₂ + 3H₂. На 1000 oC или 1832 аммиак реагирует с метаном CH4:2CH₄ + 2NH₃ + 3O₂ = 2HCN + 6H₂O (синильной кислоты и воды). Путем оксидации аммиака с гипохлоритом натрия гидразин Н₂Х₄ можно получить: 2NH3 + NaOCl = N2H4 + NaCl + H2O
Сжигание аммиака и его каталитическое окисление кислородом
Окисление аммиака кислородом имеет определенные особенности. Существует два различных типа окисления: каталитический (с катализатором), быстрый (горение).
При горении происходит окислительно-восстановительная реакция, продуктами которой являются молекулярный азот и вода: 4NH3 + 2O2 = 2N2 + 6H2O (пламя желто-зеленое, горение начинается при 651 или 103,8 градусов по Фаренгейту, так как это температура самовоспламенения аммиака). Каталитическое окисление кислородом также происходит при нагревании (около 800 ᵒC или 1472 ᵒF), но один из продуктов реакции отличается: 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (в присутствии платины или оксидов железа, марганца, хрома или кобальта в качестве катализатора продуктами окисления являются оксид азота (II) и вода).
Рассмотрим однородное окисление аммиака кислородом. Бесконтрольная однотипная оксидация участка газа аммиака - относительно медленная реакция. О ней не сообщается подробно, но нижний предел воспламеняемости аммиачно-воздушных смесей при 25 оС составляет около 15 % в интервале давлений 1-10 бар и уменьшается по мере повышения начальной температуры газовой смеси.
Если CNH~ - это молевая доля NH3 в смеси воздух-аммиак с температурой tmixed (OC), то из данных CNH = 0.15-0 следует, что предел воспламеняемости низкий. Поэтому разумно работать с достаточным запасом прочности ниже нижнего предела воспламеняемости, как правило, данные о смешивании аммиака с воздухом часто далеки от совершенства.
Химические свойства
Рассмотрим контактное окисление аммиака до оксида азота. Типичные химические реакции с аммиаком без изменения степени окисления азота:
- Реакция с водой: NH₃ + H₂O = NH₄OH = NH₄⁺ + он⁻ (реакция обратима, так как гидроксид аммония NH₄OH - это нестойкое соединение).
- Реакция с кислотами с образованием нормальных и кислых солей: NH₃ + HCl = NH₄Cl (нормальный хлорид аммония соли сформирован);NH₃ + H₂SO₄ = NH₄HSO₄ (в реакции аммиака с холодной концентрированной серной кислотой образуется кислотная соль гидросульфат аммония); 2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄.
- Реакции с солями тяжелых металлов с образованием комплексов: 2NH₃ + AgCl = [Ag(NH₃)₂]Cl (сложные соединения серебра (I) хлоридные формы диамина).
- Реакция с галогеналканами: NH3 + CH3Cl = [CH3NH3]Cl (формы гидрохлорида метиламмония – это замещенный ион аммония NH4=).
- Реакция со щелочными металлами: 2NH₃ + 2K = 2KNH₂ + H₂ (образуется амид калия KNH₂; азот не изменяет состояние окисления, хотя реакция окислительно-восстановительная). Реакции присоединения происходят в большинстве случаев без изменения состояния окисления (все вышеперечисленные, кроме последней, классифицируются данным типом).
Заключение
Аммиак - популярное вещество, которое активно используется в промышленности. На сегодняшний день она занимает особое место в нашей жизни, так как большинство продуктов ее деятельности мы используем каждый день. Эта статья будет полезна для прочтения многим, кто захочет узнать о том, что нас окружает.
