Как составить схему образования химической связи в молекуле аммиака

• Предыдущее
• Следующее

Строение молекулы аммиака и иона аммония. Донорно-акцепторная связь

Формула аммиака — NH₃. Рассмотрим, как образуются ковалентные связи в молекуле аммиака. На внешнем электронном слое атома азота имеется три неспаренных электрона:

В атоме водорода — один неспаренный электрон:

Тогда схему образования ковалентных связей в молекуле аммиака можно представить следующим образом:

Из схемы видно, что три неспаренных электрона атома азота участвуют в образовании трёх ковалентных связей N—H. В то же время на внешнем слое атома азота остаётся электронная пара. Такая электронная пара называется неподелённой электронной парой. Структурная формула аммиака:Благодаря наличию неподелённой электронной пары атом азота молекулы аммиака может образовать ещё одну ковалентную связь. Например, молекула аммиака способна присоединять катион водорода H⁺, образуя ион аммония:

или

Из рисунка 45.2 видно, что все четыре ковалентные связи N—H в ионе аммония одинаковы. Они образованы посредством общих электронных пар между атомами азота и водорода. Однако механизм образования этих связей различается. Три связи N—H образуются за счёт неспаренных электронов атомов азота и водорода (рис. 45.1). Такой способ образования ковалентной связи называется обменным. Четвёртая связь N—H в ионе аммония образуется за счёт неподелённой электронной пары атома азота и свободной орбитали катиона H⁺ (рис. 45.2). Такой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным. При этом атом азота, предоставляющий электронную пару, называется донором, а катион водорода, принимающий электронную пару на свою свободную орбиталь, — акцептором.

Вещества, способные присоединять катион водорода H⁺, являются основаниями.  Следовательно,  аммиак  —  основание.  Оснóвные  свойства  аммиака проявляются в реакциях с кислотами. В этих реакциях образуются  соли аммония:

или

Видно, что в реакции с HCl молекула NH₃ присоединяет катион H⁺ и превращается в ион аммония NH₄⁺. В ионе аммония атом азота образует четыре ковалентные связи N—H, поэтому валентность азота равна IV. В хлориде аммония кроме ковалентных связей N—H имеется ионная связь между катионом NH⁺ и анионом Cl^–.

Аммиак  проявляет  оснóвные  свойства  не  только  при  взаимодействии с кислотами, но и с водой. Так, при растворении аммиака в воде протекает обратимая реакция:

или

Видно, что при взаимодействии с водой молекула аммиака присоединяет катион водорода. При этом образуются ион аммония NH⁺ и гидроксид-ион OH^–. Наличие ионов OH^– обусловливает щелочную реакцию водных растворов аммиака.

Перейдём к рассмотрению строения органических азотсодержащих веществ — аминов.

Аммиак

Строение молекулы и физические свойства

В молекуле аммиака NH₃ атом азота соединен тремя одинарными ковалентными полярными связями с атомами водорода:

Геометрическая форма молекулы аммиака — правильная треугольная пирамида. Валентный угол H-N-H составляет 107,3^о:

 У атома азота в аммиаке на внешнем энергетическом уровне остается одна неподеленная электронная пара. Эта электронная пара оказывает значительное влиение на свойства аммиака, а также на его структуру. Электронная структура аммиака — тетраэдр , с атомом азота в центре:

Аммиак – бесцветный газ с резким характерным запахом. Ядовит. Весит меньше воздуха. Связь N-H — сильно полярная, поэтому между молекулами аммиака в жидкой фазе возникают водородные связи. При этом аммиак очень хорошо растворим в воде, т.к. молекулы аммиака образуют водородные связи с молекулами воды.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поскольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например, аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

2NH₄Cl    +  Са(OH)₂   →   CaCl₂  + 2NH₃  +   2Н₂O

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например, гидролиз нитрида кальция:

Ca₃N₂    +   6H₂O  →  ЗСа(OH)₂    +    2NH₃

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

N₂    +   3Н₂    ⇄    2NH₃

Процесс проводят при температуре 500-550^оС и в присутствии катализатора.  Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Химические свойства аммиака

1. В водном растворе аммиак проявляет основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H⁺), он превращается в ион аммония. Реакция может протекать и в водном растворе, и в газовой фазе:

:NH₃   +   H₂O    ⇄    NH₄⁺   +   OH^–

Таким образом, среда водного раствора аммиака – щелочная. Однако аммиак – слабое основание. При 20 градусах один объем воды поглощает до 700 объемов аммиака.

Видеоопыт растворения аммиака в воде можно посмотреть здесь.

2. Как основание, аммиак взаимодействует с кислотами в растворе и в газовой фазе с образованием солей аммония.

Например, аммиак реагирует с серной кислотой с образованием либо кислой соли – гидросульфата аммония (при избытке кислоты), либо средней соли – сульфата аммония (при избытке аммиака):

NH₃    +    H₂SO₄    →    NH₄HSO₄

2NH₃   +   H₂SO₄    →   (NH₄)₂SO₄

Еще один пример: аммиак взаимодействует с водным раствором углекислого газа с образованием карбонатов или гидрокарбонатов аммония:

NH₃    +    H₂O   + CO₂  →    NH₄HCO₃

2NH₃   +   H₂O   + CO₂    →   (NH₄)₂CO₃

Видеоопыт взаимодействия аммиака с концентрированными кислотами – азотной, серной и и соляной можно посмотреть  здесь.

В газовой фазе аммиак реагирует с летучим хлороводородом. При этом образуется густой белый дым – это выделяется хлорид аммония. 

NH₃   +   HCl  →   NH₄Cl

Видеоопыт взаимодействия аммиака с хлороводородом в газовой фазе (дым без огня) можно посмотреть здесь.

3. В качестве основания, водный раствор аммиака реагирует с растворами солей тяжелых металлов, образуя нерастворимые гидроксиды.

Например, водный раствор аммиака реагирует с сульфатом железа (II) с образованием сульфата аммония и гидроксида железа (II):

FeSO₄  + 2NH₃  + 2H₂O  →  Fe(OH)₂  + (NH₄)₂SO₄

4. Соли и гидроксиды меди, никеля, серебра растворяются в избытке аммиака, образуя комплексные соединения – аминокомплексы.

Например, хлорид меди (II) реагирует с избытком аммиака с образованием хлорида тетрамминомеди (II):

4NH₃    +  CuCl₂  →  [Cu(NH₃)₄]Cl₂

Гидроксид меди (II) растворяется в избытке аммиака:

4NH₃    +   Cu(OH)₂   → [Cu(NH₃)₄](OH)₂

5. Аммиак горит на воздухе, образуя азот и воду:

4NH₃    +   3O₂    →  2N₂   +   6H₂O

Если реакцию проводить в присутствии катализатора (Pt), то азот окисляется до NO:

4NH₃    +   5O₂    →    4NO  +   6H₂O

6. За счет атомов водорода в степени окисления +1 аммиак может выступать в роли окислителя, например в реакциях с щелочными, щелочноземельными металлами, магнием и алюминием. С металлами реагирует только жидкий аммиак.

Например, жидкий аммиак реагирует с натрием с образованием амида натрия:

2NH₃   +    2Na   →   2NaNH₂   +  H₂

 Также возможно образование Na₂NH,  Na₃N.

При взаимодействии аммиака с алюминием образуется нитрид алюминия:

2NH₃    +   2Al   →   2AlN   +   3H₂

7. За счет азота в степени окисления -3 аммиак проявляет восстановительные свойства. Может взаимодействовать с сильными окислителями — хлором, бромом, пероксидом водорода, пероксидами и оксидами некоторых металлов. При этом азот окисляется, как правило, до простого вещества.

Например, аммиак окисляется хлором до молекулярного азота:

2NH₃    +   3Cl₂    →  N₂   +   6HCl

Пероксид водорода также окисляет аммиак до азота:

2NH₃    +   3H₂O₂    →  N₂   +   6H₂O

Оксиды металлов, которые в электрохимическом ряду напряжений металлов расположены справа — сильные окислители. Поэтому они также окисляют аммиак до азота.

Например, оксид меди (II) окисляет аммиак:

2NH₃    +   3CuO   →    3Cu   +   N₂   +   3H₂O

ГДЗ Химия 9 класc Габриелян О.С. , Остроумов И.Г., Сладков С.А., 2018, §30 АММИАК. СОЛИ АММОНИЯ

ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ
Упражнение 1 Составьте схему образования химической связи в молекуле аммиака.

Упражнение 2 Охарактеризуйте физические и химические свойства аммиака. Свяжите их с областями применения этого соединения.
Физические свойства аммиака.
Аммиак ― бесцветный газ с резким характерным запахом, легче воздуха, хорошо растворяется в воде. 
Водный раствор аммиака используется в медицине и в быту под названием аммиачная вода, а 10%-ный раствор аммиака в воде более известен под названием нашатырный спирт. Аммиак используется в качестве хладагента в промышленных холодильных установках, т.к. легко сжижается при повышении давления, а испарение сопровождается поглощением теплоты, в результате чего и происходит охлаждение.
Химические свойства аммиака.
1. Водный раствор аммиака изменяет окраску индикатора, т.к. гидрат аммиака – слабый электролит, он незначительно диссоциирует на катион аммония и гидроксид-анион:
NH₃•H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH^–
2. Горит в избытке кислорода, при этом образуется азот и водяные пары:
4HN₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O
3. Восстанавливает металлы с их оксидов:
2NH₃ + 3CuO = N₂ + 3Cu + 3H₂O
Схема окислительно-восстановительной реакции.
N^-3H₃ + Cu⁺²O → N₂⁰ + Cu⁰ + H₂O
2N^-3 -6ē → N₂⁰          |6|6|1 ― процесс окисления
Cu⁺² +2ē → 2Cu⁰       |2| |3 ― процесс восстановления
В приведённой реакции аммиак (за счёт атомов азота в степени окисления -3) — восстановитель.
4. Водный раствор аммиака реагирует с кислотами, образуя соли аммония:
NH₃ + HCl = NH₄Cl
2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ 
Аммиак ― исходное вещество для солей аммония, которые используют в качестве удобрений (фосфаты, хлорид, нитрат аммония), как компоненты взрывчатых веществ (нитрат аммония или аммиачная селитра), в пищевой промышленности (гидрокарбонат, карбонат, хлорид аммония), при выделке кож и (сульфат аммония).

Упражнение 3 Почему аммиак в окислительно-восстановительных реакциях проявляет свойства восстановителя? В аммиаке атом азота обладает минимальной степенью окисления (-3), поэтому он проявляет только восстановительные свойства.

Упражнение 4 В чём состоит донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи? Подтвердите свои рассуждения рассмотрением строения катиона аммония.
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи состоит в том, что связь формируется за счёт неподелённой пары электронов атома-донора и свободной орбитали атома-акцептора.
Например, образование катиона аммония происходит в результате возникновения ковалентной связи между атомом азота, имеющим свободную электронную пару (она называется неподелённой), и катионом водорода, который переходит к аммиаку от молекул кислоты. Первый атом называется донором, а второй ― акцептором.

Какой ещё механизм образования ковалентной связи вам известен? Обменный механизм образования ковалентной связи. Например, образование молекулы хлороводорода.

Упражнение 5 Запишите сокращённое ионное уравнение качественной реакции на катион аммония.
NH₄⁺ + OH^– = NH₃↑ + H₂O

ПРИМЕНИТЕ СВОИ ЗНАНИЯ
Упражнение 1 Напишите уравнения реакций получения нитрида натрия и его взаимодействия с водой.
6Na + N₂ = 2Na₃N
Na₃N + 3H₂O = 3NaOH + NH₃↑
Какая из этих реакций является окислительно-восстановительной?
Реакция получения нитрида натрия, т.к. в ходе химического превращения происходит изменение степени окисления атомов элементов натрия и азота:
6Na + N₂ = 2Na₃N
Схема окислительно-восстановительной реакции.
Na⁰ + N₂⁰ ⟶ Na₃⁺¹N^-3
Восстановитель Na⁰ – 1ē ⟶ Na⁺¹   |1|6|6 ― процесс окисления
Окислитель N₂⁰ + 6ē ⟶ 2N^-3           |6|  |1 ― процесс восстановления
Проводим вертикальную черту и пишем за ней число электронов, которые отдали и присоединили атомы натрия и азота. Находим наименьшее общее кратное для чисел 1 и 6 . Это число 6, которое записываем за второй вертикальной чертой посередине, и поделив его поочередно на 1 и 6, записываем результат за третьей чертой в строках, касающихся элементов натрия и азота. Множители 6 и 1 являются искомыми коэффициентами. Поскольку эти элементы изменили степень окисления полностью (в правой части схемы этот элемент ни в одном веществе не проявляет такую же степень окисления, как в исходном веществе) и разными являются индексы этих элементов в формуле исходного вещества и продукта реакции, поэтому ставим коэффициент 6 перед формулой натрия Na и коэффициент 1 (который обычно не пишем) перед формулой азота N₂. Подбираем коэффициенты для остальных соединений.

Упражнение 2 С какими из перечисленных веществ реагирует аммиак: водород, азотная кислота, кислород, гидроксид натрия, вода, хлорид калия, оксид меди (II), железо, сульфат аммония? Запишите уравнения соответствующих реакций.
NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃
4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O
NH₃ + H₂O ⇄ NH₄OH
2NH₃ + 3CuO = N₂ + 3Cu + 3H₂O

Упражнение 3 В двух пробирках без подписи находятся растворы хлорида аммония и хлорида натрия. Какими способами можно распознать эти вещества? Распознать хлорид аммония можно с помощью щелочи NaOH. В пробирке с раствором хлорида аммония выделяющийся аммиак обнаруживают по запаху или посинению влажной красной лакмусовой бумаги. В пробирке с хлоридом натрия никаких изменений не наблюдаем.
Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
NH₄Cl + NaOH = NaCl + H₂O + NH₃↑
NH₄⁺ + Cl^– + Na⁺ + OH^– = Na⁺ + Cl^– + H₂O + NH₃↑
NH₄⁺ + OH^– = H₂O + NH₃↑

Упражнение 4 В 150 мл воды растворили 67,2 л аммиака (н.у.). Рассчитайте массовую долю аммиака в полученном растворе.
Дано: V(H₂O)=150 мл, V(NH₃)=67,2 л
Найти: ω(NH₃)-?
Решение
1. Вычисляем количество вещества аммиака объёмом 67,2 л по формуле: ʋ=V:V_M, где V_M=22,4 л/моль при н.у.
ʋ(NH₃)=V(NH₃):V_M=67,2 л : 22,4 л/моль=3 моль
2. Вычисляем массу аммиака в количестве вещества 3 моль по формуле: ʋ=m/M, где M=M_r г/моль.
M(NH₃)=17 г/моль
m(NH₃)=ʋ(NH₃)•M(NH₃)=3 моль • 17  г/моль=51 г
3. Рассчитываем массу воды:
m(H₂O)=V(H₂O)•ρ(H₂O)=150 мл•1 г/мл=150 г. Поскольку ρ(Н₂О)=1 г/мл, то для воды объём численно равен массе, поэтому данное действие не является обязательным.
4. Рассчитываем массу раствора:
m(раствора)=m(H₂O)+m(NH₃)=150 г + 51 г = 201 г
5. Вычисляем массовую долю аммиака в полученном растворе:
ω(NH₃)=m(NH₃):m(раствора)•100%=51 г : 201 г • 100%=25,4%  
Ответ: 25,4%

ВЫРАЗИТЕ МНЕНИЕ
Упражнение 1 Постройте круговые диаграммы, отражающие массовые доли химических элементов в следующих солях: нитрат калия, нитрат аммония, нитрат кальция, сульфат аммония.
M_r(KNO₃)=101, M_r(NH₄NO₃)=80, M_r(Ca(NO₃)₂)=164,  M_r((NH₄)₂SO₄)=132
ω₁(N)=A_r(N):M_r(KNO₃)=14:101=0,139, или 13,9%
ω₂(N)=2•A_r(N):M_r(NH₄NO₃)=2•14:80=0,35, или 35%
ω₃(N)=2•A_r(N):M_r(Ca(NO₃)₂)=2•14:164=0,171, или 17,1%
ω₄(N)=2•A_r(N):M_r((NH₄)₂SO₄)=2•14:132=0,212, или 21,2%
ω₃(N)<ω₁(N)<ω₄(N)<ω₂(N)
Какую из этих солей вы бы рекомендовали использовать в качестве азотного удобрения? Лучше всего использовать нитрат аммония, т.к. в нем наибольшее содержание азота (35%).