Утворення солей амонію

До отвору пробірки з концентрованим розчином аміаку піднесіть скляну паличку, змочену концентрованою соляною кислотою.

Як пояснити утворення білого диму?

Досвід повторите, узявши замість соляний концентровану азотну кислоту. Напишіть рівняння виконаних реакцій.

Застосування. Нітрат амонію NH₄NO₃ і сульфат амонію (NH₄)2SO₄ застосовуються головним чином як добрива. Нітрат амонію NH₄NO₃ (у суміші з алюмінієм і вугіллям) застосовують для виготовлення вибухової речовини - амоналу. Хлорид амонію NH₄C₁ за назвою "нашатир" застосовують у процесі паяння для очищення поверхні паяльника.

Коли нагрітий паяльник опускають у нашатир NH₄C1, то сіль розкладається (див. вище). Що утворився хлороводорода АЛЕ взаємодіє з оксидом міді(ІІ) СuO, що покриває поверхня паяльника, у результаті чого з'являється хлорид міді(П) Сuс₁₂, що сплавляється з надлишком нашатирю NH₄C₁. У результаті поверхня паяльника звільняється від оксидів, і розплавлене олово пристає до очищеної міді.

Завдання для самоконтролю

77. Які солі називають солями амонію? Напишіть рівняння реакцій, що відбивають їх характерні хімічні властивості. Укажіть специфічні властивості.

78. Напишіть рівняння взаємодії аміаку із сірчаною кислотою. Врахуйте, можуть утворитися як середня, так і кисла солі амонію. Поясните, від чого це залежить.

79. Карбонат амонію (NH₄)₂CO₃ застосовують у кондитерській справі в якості распушителя тесту. На якій властивості засноване таке застосування солі? Відповідь проілюструйте рівнянням реакції.

80. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити наступні перетворення:

81. На сульфат амонію масою 33 м подіяли розчином лугу. При цьому виділився аміак обсягом (і. у.)

(а) 11,2 л; (в) 33,6 л;

(б) 22,4 л; (г) 44,8 л.

82. На 6,8 м аміаку подіяли хлороводородом. Отриманий хлорид амонію розчинили в 200 м води. Масова частка NH4CІ в отриманому розчині дорівнює

(а) 9,7 %; (в) 21,4 %;

(б) 10,7 %; (г) 53,5 %.

83. Аміак обсягом 11,2 л (н.у.) пропустили в розчин, що містить 35 м азотної кислоти. Визначите маси речовин, що знаходяться в розчині після закінчення реакції.

§ 13. ПРОМИСЛОВИЙ СИНТЕЗ АМІАКУ

У промисловості аміак синтезують із простих речовин - азоту N2 і водні Н2:

При яких умовах здійснюється цей синтез, можна визначити на підставі рівняння реакції. Але для виробництва цього мало, оскільки основна задача-ні просто одержати аміак, а одержати його найбільше економічно вигідним способом. Для цього необхідно з'ясувати оптимальні умови синтезу, тобто такі, при яких вихід аміаку максимальний і процес йде з великою швидкістю.

Звернемося до рівняння реакції. Що воно нам показує?

Ми бачимо, що: 1) ця оборотно, отже, до кінця не доходить, у процесі реакції встановлюється хімічна рівновага; 2) реакція відбувається між газами зі зменшенням обсягу; 3) реакція екзотермічна, відбувається з виділенням теплоти.

Як же керувати такою реакцією, якщо, як ми пам'ятаємо, виробництво аміаку повинне бути економічно вигідним?

Згадаємо теорію, а саме-принцип Ле Шателье: якщо система знаходиться в стані рівноваги, то в процесі дії на неї сил, що викликають зрушення рівноваги, система переходить у такий стан, у якому ефект цього впливу слабшає.

Виходячи з принципу Ле Шателье, міркуємо так: якщо реакція екзотермічна, то варто понизити температуру, щоб аміак не розклався. Але при зниженні температури швидкість реакції знизиться. Це, здавалося б, не страшно, оскільки можна застосувати каталізатор. Але адже відомо, що каталізатор виявляє свою активність тільки при нагріванні до визначеної температури. Отже, знижувати температуру треба тільки до визначеної межі.

Далі звертаємо увагу, що реакція між газами йде зі зменшенням обсягу. Виходить, рівновага буде зміщатися убік утворення аміаку за умови підвищеного тиску. Однак навіть при дуже високому тиску зв'язати весь азот і водень не вдається. До того ж застосування високих тисків приводить до збільшення вартості устаткування і збільшенню витрат енергії на стиск газової суміші.

Отже, дійдемо висновку, що необхідно:

1) застосовувати не дуже великий тиск (30 Мпа), що дасть можливість змістити рівновага убік утворення аміаку;

2) використовувати каталізатор (губчате залізо з домішками А12ПРО3 і ДО2ПРО);

3) підвищувати температуру (до 450-500 °С).

Ці умови вважаються оптимальними для економічно доцільного синтезу аміаку.

Реакція відбувається в колоні синтезу (див. уклейку). Колона складається з теплообмінника (нижня частина) і катализаторной коробки (верхня частина), діаметр якого трохи менше, ніж внутрішній діаметр корпуса колони. Отже, між катализаторной коробкою і корпусом утвориться щілина. Холодна суміш азоту і водню надходить у колону через цю щілину і запобігає перегріву корпуса. Газова суміш йде вниз, проходить між гарячими трубками теплообмінника, нагрівається і попадає в катализаторную коробці. Тут на каталізаторі відбувається синтез аміаку. При цьому виділяється багато теплоти. Гаряча суміш аміаку, азоту і водню надходить у трубки теплообмінника, тому вони гарячі. Відбувається теплообмін, теплота реакції утилизируется - це один з найважливіших принципів сучасного виробництва.

Газ, що виходить з колони синтезу, містить - тільки 12-15 % аміаку. У гаком випадку незрозуміло, чому синтез вважається економічно доцільним. Справа" у тім, що надалі в процесі виробництва використовується принцип циркуляції, у результаті чого непрореагировавшие азот і водень відокремлюються від зрідженого аміаку і знову повертаються в колону синтезу. Завдяки принципу циркуляції на сучасних заводах вихід аміаку досягає 96-98 %.

В Україні перший завод з виробництва синтетичного аміаку вступив у лад у 1933 р. у Горлівці Донецької області. Пізніше з'явилися заводи в Дніпродзержинську (1938), Северодонецкс (1958), Черкасах (1962), Рівне (1965) і ін. У даний час продовжується робота з подальшого удосконалювання технології аміачного виробництва.

Завдання для самоконтролю

84. Які хімічні процеси лежать в основі лабораторного і промислового способів одержання аміаку?

85. Назвіть оптимальні умови промислового синтезу аміаку. Як вони погодяться з пришитому Ле Шателье? Дайте обґрунтовану відповідь, виходячи з рівняння реакції.

86. Користаючись схемою на кольоровій уклейці, спробуйте пояснити призначення кожного апарата технологічної схеми синтезу аміаку. Поясните принцип дії колонії синтезу.

87. Корпус колони синтезу аміаку зроблений зі сталі. Відомо, що при високій температурі і високому тиску водень і аміак руйнують сталь. Яке інженерне рішення дозволяє захистити колону від хімічного руйнування?

88. Який обсяг водню (н.у.) необхідний для виробництва аміаку масою 5 т, якщо вихід аміаку завдяки використанню циркуляції дорівнює 95 %?

§ 14. ОКСИДИ АЗОТУ І ФОСФОРУ

Азот з киснем утворить п'ять оксидів, у яких він виявляє ступінь окислювання від +1 до +5:

Різний кількісний склад оксидів азоту (і різна будівля їх) обумовлює розходження в їхній властивостях.

Всі оксиди азоту дуже отрутні, за винятком N₂O. З них розглянемо оксид азоту(П) N0 і оксид азоту(ГУ) NO₂.

Оксид азоту(П) N₀ - безбарвний газ, без запаху, у воді не розчиняється. Відноситься до несолеобразующим оксидів. На повітрі легко окисляється, перетворюючи в бурий газ - оксид азоту(ІV) N0₂:

Оксид азоту(ІV) NO₂ - бурий газ з характерним запахом. Відноситься до солі- утворюючим (кислотних) оксидам. Добре розчиняється у воді, тому що взаємодіє з нею, утворити суміш двох кислот - азотної й азотистий:

У присутності надлишку кисню у воді утвориться тільки азотна кислота:

Бурий газ NO₂ отрутний, дратує слизуваті оболонки очей і дихальних шляхів. Він є шкідливим відходом хімічного виробництва. У виді "лисого хвоста" бурий газ викидається заводами, що роблять азотну кислоту, в атмосферу. Він шкідливий для всього живих.

В даний час знайдений ряд хімічних способів боротьби з "лисими хвостами" і захисту навколишнього середовища. Наприклад, оксид азоту(ІV), що міститься в газах, що відходять, розкладається за допомогою каталізатора (палладированный оксид алюмінію) на азот і кисень:

Цей спосіб боротьби з забрудненням атмосфери застосовується на багатьох сучасних підприємствах.

Оксид азоту(1) N₂O - безбарвний газ із приємним запахом. Відноситься до несолеобразующим оксидів. За назвою "звеселяючий газ" N2O застосовується в медицині для наркозу. Не отрутний.

Оксид азоту(Ш) N₂O₃ - хитлива темно-синя рідина при низьких температурах, солеобразующий (кислотний) оксид. При розчиненні у воді утворить азотисту кислоту:

Азотиста кислота HNO₂ - слабка одноосновна кислота. Її солі - нітрити (наприклад, NaNO₂ - нітрит натрію) отрутні.

Оксид азотасу) N₂O₅ - білі кристали, також солеобразующий (кислотний) оксид, взаємодіє з водою з утворенням азотної кислоти HNO₃:

Азотна кислота HNO₃ - сильна одноосновна кислота. Її солі - нітрати (наприклад, NaNO₃ - нітрат натрію) також отрутні.

З оксидів фосфору (Р₂О₅ и Р₂О₃) найбільше значення має оксид фосфору(V).

Оксид фосфору (V) Р₂О₅ - білий мелко-кристаллический порошок, дуже гигроскопичный, тому застосовується для осушування газів. Являє собою типовий кислотний оксид. Енергійно взаємодіє з водою, утворити різні фосфорні кислоти, у залежності від співвідношення і температури води:

НРО₃ - найпростіша формула, який умовно виражають склад метафосфорных кислот із загальною формулою (НРО₃)_n. У даному випадку при взаємодії оксиду фосфору(V) з холодною водою утвориться тетраметафосфорная кислота.

• Оксид фосфору(V) і оксид азоту(V) - типові кислотні оксиди. Напишіть рівняння взаємодії їх з типовими основними оксидами і лугами.

§ 15. АЗОТНА І ФОСФОРНА КИСЛОТИ

Фізичні властивості. Безводна азотна кислота HNO3-безбарвна летуча рідина, з різким запахом, на повітрі "димить", дуже добре розчиняється у воді, змішуючи з нею в будь-яких співвідношеннях.

Ортофосфорна кислота Н₃РО₄, що звичайно називають просто фосфорної тверде, безбарвне, кристалічне речовину. Вона нелетуча, теж дуже добре розчиняється у воді і змішується з нею в будь-яких співвідношеннях.

Хімічні властивості

1. Дисоціація на іони. Азотна кислот-сильний електроліт, у водяному розчині практично цілком диссоциирует на іони:

Сумарне іонне рівняння дисоціації фосфорної кислоти:

Дисоціація відбувається в основному по першій ступіні, по другий - менше, по третьої - ще менше.

• Які кислі солі може утворювати фосфорна кислота з магнієм? Напишіть формули цих солей і вкажіть їхньої назви. Чому азотна кислота не утворить кислих солей?

2. Взаємодія з основними оксидами і підставами.

У даному випадку азотна і фосфорна кислоти виявляють властивості, типові для кислот.

• Напишіть рівняння реакцією азотної і фосфорної кислот з оксидами натрію і барію і гідроксидами калію і кальцію.

3. Взаємодія із солями. Азотна і фосфорна кислоти вступають і реакцію обміну з обмеженим числом солей. Це порозумівається тим, що азотна кислота сильна, але летуча, а фосфорна кислота середньої сили, але нелетуча. Взаємодія азотної і фосфорної кислот із солями відбувається за умови, що береться сіль більш слабкої чи більш летучої кислоти:

4. Термічне розкладання. Азотна кислота при нагріванні (і під впливом світла) розкладається з виділенням бурого газу NO₂. Через це при збереженні вона поступово

жовтіє:

При нагріванні фосфорної кислоти з ніс виділяється вода й утвориться дифосфорная кислота:

5. Взаємодія з металами. Азотна кислота реагує з металами інакше, чим інші кислоти. Це порозумівається тим, що азотна кислота - сильний окислювач. Вона окисляє майже всі метали (за винятком золота, платин і деяких інших), перетворюючи їх у солі -нітрати. При цьому водень не виділяється, тому що відновлюється в ній азот, а не водень. Причому азот відновлюється тим повніше, ніж активніше метал і чим більш розведений кислота. Отже, продукти відновлення азотної кислоти можуть бути різні. Але концентрована кислота при взаємодії з важкими металами звичайно відновлюється до NO₂.

Якщо на дно колби опустити обрізки мідного дроту і долити до них концентрованої азотної кислоти (у витяжній шафі!), те відразу ж почне виділятися бурий газ NO₂, а розчин офарбиться в синій колір:

У даному випадку азот N відновлюється до ступеня окислювання +4, а мідь окисляється. Виходить, мідь - востановитель, a HNO₃ -окислювач.

У процесі взаємодії концентрованої азотної кислоти з активними металами (лужними і щелочноземельными) утвориться оксид азоту(1) N₂O, наприклад:

Якщо ж узяти розведену азотну кислоту, то при взаємодії з міддю¹ замість оксиду азоту(ІV) NO₂ виділяється оксид азоту(П) N₀:

• У приведеній схемі реакції розставте коефіцієнти на основі електронного балансу. Вкажіть окислювач і востановитель.

Яскраво виражені окисні властивості азотної кислоти роблять на деякі метали (алюміній, хром, залізо) вплив, що пасивує. Особливо це характерно для концентрованої HNO₃. Під її впливом на поверхні металів утвориться дуже щільна захисна оксидна плівка, стійка до дії кислоти.

Азотна кислота настільки сильний окислювач, що здатна окисляти різні органічні речовини і матеріали. Так, при дії концентрованої азотної кислоти воспламеняются солома, папір, обпилювання, скипидар (мал. 8). Вона руйнує бавовну, роз'їдає шкіру, офарблюючи її в жовтий колір і утворити на ній довго що не гояться виразки. Тому з азотною кислотою потрібно звертатися дуже обережно.

Фосфорна кислота Н₃РО₄, на відміну від азотної, окисні здатності виявляє значно слабкіше, тому вступає в реакції тільки з активними металами, утворити сіль і водень:

Фосфат магнію - нерозчинна сіль, викликає пасивацію металу, і реакція припиняється. А в надлишку кислоти реакція відбувається, але з утворенням кислої солі¹:

Застосування. Азотну кислоту використовують для виробництва добрив, барвників, пороху й інших вибухових речовин, пластмас, штучної пряжі, лікарських препаратів (стрептоцид), кіно - і фотоплівки. Вона застосовується і як сильний окислювач у самозаймистих ракетних паливах.

Фосфорна кислота також використовується для виробництва добрив, а крім того - для виробництва кормових добавок, як каталізатор в органічному синтезі, для додання кислуватого присмаку безалкогольним напоям, для освітлення цукру.

Завдання для самоконтролю

89. Напишіть рівняння реакцій концентрованої і розведеної азотної кислоти зі сріблом.

90. Приведіть по трьох способу одержання: а) нітрату міді(П); б) фосфату магнію.

91. Напишіть рівняння реакції між азотною кислотою і гідроксидом кальцію в молекулярної, повної і скорочений іонних формах.

92. Напишіть рівняння реакцій, що характеризують хімічні властивості фосфорної кислоти.

93. Обсяг оксиду азоту(ІІ), що виділяється в результаті взаємодії міді і 2 моль розведеної азотної кислоти, дорівнює (н.у.)

(а) 5,6 л; (в) 22,4 л;

(б) 11,2 л; (г) 44,8 л.

94. Маса азотної кислоти, одержуваної з 1 м аміаку при 70 % - ном виході, дорівнює

(а) 1 м; (в) 2,6 м;

(б) 1,3 м; (г) 3,9 р.

95. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити наступні перетворення:

96. Яка сіль вийде, якщо до розчину, що містить 4,9 м ортофосфорної кислоти, долити розчин, що містить 2,8 м гідроксиду калію? Обчислите масу солі, що утворилася.

97*. У концентровану азотну кислоту помістили суміш міді з оксидом меди(П) масою 32 м, масова частка міді в який 20 %. Який обсяг і який газ виділиться при нормальних умовах? Визначите кількість речовини солі, що утворилася при цьому.

98*. Обчислите масову частку ортофосфорної кислоти в розчині, що утворився в результаті розчинення 71 м оксиду фосфору(V) у 600 мол розчину ортофосфорної кислоти з масовою часткою Н₃РО₄ 85 % і щільністю 1,7 г/мл.

§ 16. НІТРАТИ. АЗОТНІ ДОБРИВА

Солі азотної кислоти називають нітратами. Нітрати можна одержати в результаті дії азотною кислотою на метали, основні оксиди, підстави, аміак і деякої солі, наприклад:

Нітрати утворяться також і при взаємодії оксиду азоту(V) з лугами, гак як N2O5 - кислотний оксид:

Усі нітрати - тверді кристалічні речовини, добре розчинні у воді, токсичні (отрутні).

Характерною хімічною властивістю нітратів є їхня здатність розкладатися при нагріванні з виділенням кисню й інших продуктів. Продукти розкладання залежать від положення металу солі у витіснітельном ряду металів:

тобто солі таких металів, що у вытеснительном ряду коштують левее магнію Mg, при розкладанні утворять нітрити і кисень О2; від магнію Mg до міді Си - оксид металу, бурий газ NO2 і кисень О2, а праве міді Си - вільний метал; бурий газ NO2 і кисень ПРО2.

Напишіть рівняння реакцій розкладання при нагріванні нітратів калію, міді, срібла і ртуті.

Азот-один з хімічних елементів, необхідних для росту і життєдіяльності рослин. Як правило, зміст його в ґрунті невеликою, і рослинам не вистачає азоту. Приходиться вносити його в ґрунт у виді азотних добрив.

ЛИБИХ ЮСТУТ

(1803-1873)

Видатний німецький хімік, президент Баварської Академії наук (1860), один із засновників агрохімії. Розробив теорію мінерального харчування рослин, що сприяло розвитку виробництва мінеральних добрив і впровадженню їх у землеробство. Вважав принципово можливим синтез будь-яких агрохімічних з'єднань. Поряд з цим допускав існування "життєвої сили". Відкрив ізомерію (1823). Автор хімічної теорії шумування і гниття, один із творців теорії радикалів. Одержав багато органічних речовин.

Речовини, що містять азот і вносяться в ґрунт для підвищення врожайності, називаються азотними добривами.

Азотні добрива поділяються на двох груп:

1) мінеральні добрива-селітри1 KNO₃, NaNO₃, NH₄NO₃, Ca(NO₃)₂; солі амонію (NH₄)₂SO₄; рідкий аміак NH₃, аміачна вода NH₃ • Н₂О и ін.;

2) органічні добриво-гній, компост2, кал і зелені добрива (люпин, сочевиця, горох, конюшина, сераделла). Крім азоту, вони містять ще інші елементи, необхідні для харчування рослин.

Наука про харчування рослин і застосування добрив з метою підвищення врожайності сільськогосподарських культур і поліпшення якості врожаю називається агрохімією.

Величезну роль у становленні агрохімії зіграли французький ученый Ж. Буссенго, що досліджував круговорот речовин у землеробстві і роль азоту в харчуванні рослин, і німецький хімік Ю. Либих, що обґрунтував теорію виснаження ґрунтів (1840 р.) унаслідок виносу живильних.

БУССЕНГО ЖАН БАТИСТ

(1802-1887)

Французький учений, один із засновників агрохімії, член Паризької АН (1839). Досліджував харчування рослин. Першим став вивчати круговорот речовин у землеробстві. Довів, що всі рослини (крім бобових) мають потребу в ґрунтовому азоті, а бобові самі здатні накопичувати його. Довів, що зміст вуглецю у врожаї не зв'язано зі змістом його в гної і що джерелом вуглецю для зелених рослин є вуглекислий газ повітря. Вивчав газообмін у рослин і тварин, вплив на розвиток рослин нітратів і фосфатів.

Лабораторна робота 5