К категории летучих водородных соединений относится аммиак, который в больших объёмах используется в современной промышленности. В чистом виде это химическое вещество впервые было получено в 1774 году благодаря многочисленным экспериментам Д. Пристли. Молекула этого элемента состоит из трёх ковалентных полярных связей. Физические свойства, общую формулу и степень окисления аммиака изучают на уроках химии в 9 классе.
Краткое описание
Нитрид водорода (аммиак) представляет собой активное соединение, которое вступает в реакции со сложными и простыми химическими веществами. Окисление этого элемента происходит в присутствии кислорода. Пребывая в жидкой форме, молекулы аммиака (общая формула — NH3) соединены между собой водородной связью. У этого химического элемента вязкость, температура и плотность существенно ниже, нежели у Н2О.
Плавится NH3 начинает при -77.73 °C, а закипает при -33.4 °C. Аммиак обладает низкими показателями диэлектрической проводимости, из-за чего в жидком состоянии бинарное неорганическое химическое соединение характеризуется недостаточной прочностью связей.
Молекула нитрид водорода под микроскопом выглядит как пирамида, на вершине которой расположен атом азота. Благодаря своей структуре и высоким показателям полярности NH3 быстро растворяется в водной среде. Плотность химического элемента находится в пределах 0.7723 г/см3. Аммиак является газом, который гораздо легче за воздух. NH3 может быстро трансформироваться в бесцветную жидкость, способную сильно преломлять прямые солнечные лучи. В большом количестве аммиак является опасным для живых организмов, так как он токсичен.
Спрос на NH3 постоянно возрастает, так как именно это химическое вещество ежедневно используют многие промышленные объекты в разных уголках мира. В год производят более 180 млн тонн аммиака. Транспортируют нитрид водорода в специальных цистернах из высококачественного сплава, так как NH3 может расщеплять большинство металлов. Для безопасной перевозки химического элемента контролируется давление и температура внутри цистерны. Такой подход позволяет обеспечить максимальный уровень защиты для человечества и окружающей среды. Валентность NH3 — III. Степень окисления NH4 (аммония) — -3.
Химические свойства
По своим характеристикам аммиак является качественным растворителем для неорганических и органических составов. NH3 взаимодействует с хлоридом, кислородом, серной кислотой. Аммиак реагирует на соляные и водные растворы. Среди основных химических свойств нитрид водорода можно выделить:
- Амиды образуются в результате соединения аммиака с металлами. Например, 2NH3 +2К →2KNH2 +Н2.
- Аммиак может использоваться в химических реакциях в качестве комплексообразователя или нуклеофила. При условии присоединения протона можно получить аммоний: NH3 + H+ → NH4+.
- В растворе NH3 происходит слабая щелочная реакция. Например, NH3 + H2О → NH4+ +ОН-.
- Если на аммиак воздействуют кислоты, тогда образуются соли аммония. Эту химическую реакцию можно записать так: NH3 + HNO3 → NH4NO3.
В жидком состоянии аммиак может проявлять все ионизирующие функции растворителя, который наиболее эффективен в отношении щёлочноземельных и щелочных металлов. Концентрированный раствор имеет характерный блеск металла.
Физические характеристики
Нитрид водорода практически в 2 раза легче воздуха, имеет резкий запах. Если охладить аммиак до отметки -78 °C, тогда можно будет получить твёрдое вещество белого цвета, которое можно легко растворить в Н2О. Пары NH3 способны существенно ухудшить состояние человека, так как они раздражают слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей, повреждают кожные покровы. При использовании неорганического соединения необходимо придерживаться элементарных правил безопасности.
NH3 обладает следующими физическими характеристиками:
- Молекулярная масса — 17 г/моль.
- Вода плюс азот образуется при нагревании аммиака, который постепенно разлагается на отдельные элементы.
- В нормальных условиях бинарное неорганическое химическое соединение азота и водорода представляет собой газ с резким запахом.
- Аммиак является легкоплавким и непроточным, так как обладает молекулярной кристаллической решёткой.
- В лабораторных условиях можно добиться сгорания NH3.
- Температура кипения химического вещества находится в пределах -33 °C.
Гидрид азота легко растворяется в Н2О. Полученный раствор называют аммиачной водой, которую активно используют в различных отраслях. Запрещено собирать и хранить NH3 над Н2О, так как это газообразное химическое вещество обладает высокими показателями растворимости.
Окисление элемента
Степень окисления NH3 зависит от характеристик входящих в его состав химических элементов. Сразу пять электронов расположены на внешнем энергетическом уровне азота. В составе NH3 атом азота проявляет валентность III. Дополнительно к N2 присоединяется водород. Это повлияло на то, что в результате синтеза аммиака происходит окисление азота при участии водорода. Например, 3H2 + N2 → 2NH3. Водород имеет степень окисления +1, а азот — -3.
Благодаря способности атома азота отдавать оставшиеся электроны и легко отделять молекулы водорода аммиак занимает позицию хорошего восстановителя. В химическом отношении NH3 является весьма активным, так как может вступать в реакцию со многими элементами. Аммиак притягивает катион водорода из кислоты либо воды, образуя при этом аммоний (NH4). Этот химический элемент является производным аммиака, который входит в состав солей:
- Хлорид аммония (NH3 + HCl → NH4Cl).
- Гидроксид аммония (NH3 + Н2О → NH4OH).
- Сульфат аммония (2NH4OH + H2SO4 → 2H2O + (NH4)2SO4).
- Нитрид аммония (NH3 + HNO3 → NH4NO3).
- Гидрокарбонат аммония (NH4HCO3).
При условии взаимодействия с кислородом NH3 может образовывать свободный азот. Финальный продукт химической реакции зависит от первоначального количества элементов и созданных условий. На открытом воздухе NH3 не горит. Дополнительно в химических реакциях может использоваться производный элемент — гидроксиламин (NH2OH).
Если в присутствии катализатора попробовать нагреть концентрированный раствор аммиака, тогда можно будет получить азот. Первым делом жидкость доводят до определённой температуры, а только потом помещают в условия чистого кислорода. Во время химического эксперимента можно увидеть, что NH3 горит пламенем жёлто-зелёного цвета. Эту реакцию можно записать следующим образом: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O.
Способы получения
Производство нитрид водорода по всему миру достигает отметки 180 млн тонн в год. Выпускается это химическое вещество исключительно в жидком виде. Концентрация раствора может варьироваться в зависимости от назначения. Для получения востребованного бинарного соединения могут быть использованы различные технологии:
- Синтез азота и водорода. В процессе этой химической реакции выделяется много тепла. Для получения NH3 нужна не только высокая температура, но и соответствующее давление. Обязательно используется катализатор, с помощью которого можно ускорить химическую реакцию. Изобразить это можно так: N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q.
- Коксование угля. Эта горная порода не имеет в своём составе аммиака, но содержит большое количество различных органических веществ, для которых свойственно нахождение азота и нитрид водорода. В результате постепенного нагревания угля образуется аммиак, который представляет собой побочный продукт.
- В пределах лаборатории получить NH3 можно благодаря воздействию высоких температур на хлорид аммония и гидроксид кальция. Записывают эту химическую реакцию только так: 2NH4Cl + Ca (OH)2 → CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O. Дополнительно можно постепенно нагреть концентрированную щёлочь вместе с хлоридом аммония: H4Cl + NaOH = NaCl + NH3↑ + H2O.
Определить аммиак можно несколькими доступными способами: по резкому запаху, а также по белому дыму, который образуется после поднесения к огню смоченной в концентрированном растворе HCl стеклянной палочки. При использовании лакмусовой бумажки она должна окраситься в синий цвет.
Сферы применения
Нитрид водорода активно используется в промышленности для изготовления различных товаров. Области применения аммиака поражают своей масштабностью, так как NH3 пользуется спросом практически в каждом производственном процессе, начиная с фармацевтической отрасли и заканчивая заводами, лабораториями. Главным преимуществом аммиака является то, что это химическое вещество доступно и при осторожном использовании абсолютно безопасно для людей и окружающей среды.
В больших объёмах NH3 применяется в следующих отраслях:
- Серийное изготовление холодильных устройств. Среди основных свойств аммиака можно выделить то, что он постепенно испаряется, поглощая при этом большое количество тепла из окружающей среды. Эти характеристики NH3 тесно связаны с термодинамическими свойствами химического элемента. Аммиак присутствует в различных холодильных установках, которые являются весьма доступными, долговечными и эффективными.
- Химическая отрасль. Раствор NH3 получил огромный спрос в сфере производства азотной кислоты, удобрений, полимеров и взрывчатых веществ. В качестве эффективного растворителя используется раствор аммиака.
- Благодаря использованию NH3 можно получить синтетические волокна. В текстильной промышленности аммиак применяется для окрашивания и очистки тканей.
- В медицинской отрасли большой спрос получил нашатырный спирт 10%, который используется для выведения человека из обморока. Эта жидкость также применяется для стимуляции рвотного рефлекса, обработки рук хирурга.
Аммиак используют для серийного производства солей аммония, мочевины и уротропина. Только при осторожном применении NH3 можно снизить вероятность негативного воздействия компонентов химического вещества на организм человека и окружающую среду.
