Химия · Химия элементов · 8 класс

Азот, аммиак и азотная кислота

Как азот воздуха превращается в аммиак, селитру и удобрение для хлопка?

Ситуация

Три четверти воздуха, который мы вдыхаем при каждом вдохе, — азот. Азот нужен всем для белков, но ни хлопчатник, ни пшеница не могут взять его прямо из воздуха: молекула N₂ очень прочна. Заводы «Навоиазот», «Ферганаазот» и «Максам-Чирчик» производят из азота воздуха аммиак, из него — азотную кислоту и аммиачную селитру. Как инертный азот превращается в активные соединения и как они попадают на поле?

Тема

Азот, аммиак и азотная кислота. «Навоиазот» и «Максам-Чирчик»: аммиак из азота воздуха, из аммиака — азотная кислота и аммиачная селитра

Ключевые понятия

Тройная связь N≡N
Аммиачный фонтан
Метод Оствальда

Формулы

2 NH_{4} Cl + Ca (OH)_{2} \overset{\overset{}{t}}{\to} CaCl_{2} + 2 NH_{3} ↑ + 2 H_{2} O

Получение аммиака в лаборатории (лабораторная работа 9).

NH_{3} + H_{2} O \overset{}{⇌} NH_{4}^{+} + OH^{-}

Аммиачная вода — слабое основание: фенолфталеин становится малиновым.

4 NH_{3} + 5 O_{2} \overset{\overset{}{Pt - Rh}}{\to} 4 NO + 6 H_{2} O

Способ Оствальда, 1-я стадия: каталитическое окисление аммиака.

3 Cu + 8 HNO_{3} \overset{}{\to} 3 Cu (NO_{3})_{2} + 2 NO ↑ + 4 H_{2} O

Разбавленная азотная кислота растворяет медь: выделяется не водород, а NO.

NH_{3} + HNO_{3} \overset{}{\to} NH_{4} NO_{3} ω (N) = 35 %

Аммиачная селитра — азотное удобрение.

Теория

Азот и связь N≡N

Азот (Z = 7, $2 s^{2} 2 p^{3}$ ) — элемент V A группы, в соединениях его степень окисления от −3 до +5. 78,08 % объёма воздуха — азот. В молекуле N₂ атомы связаны тройной связью (одна σ и две π): чтобы её разорвать, нужно 945 кДж/моль — почти вдвое больше, чем для O=O (498). Поэтому азот в обычных условиях инертен: им заполняют упаковки чипсов и продовольственные склады. Кипит при −195,8 °C (при охлаждении до этой температуры сжижается); в промышленности его получают перегонкой жидкого воздуха, а в лаборатории — нагреванием нитрита аммония: $NH_{4} NO_{2} \overset{\overset{}{t}}{\to} N_{2} ↑ + 2 H_{2} O$ . При высокой температуре азот становится активным: $N_{2} + O_{2} \overset{}{⇌} 2 NO$ (в молнии), $3 Mg + N_{2} \overset{\overset{}{t}}{\to} Mg_{3} N_{2}$ , $N_{2} + 3 H_{2} \overset{}{⇌} 2 NH_{3}$ (катализатор, давление).

Круговорот азота в природе

Растения не могут усваивать N₂ напрямую — азот сначала нужно связать: 1) молния превращает N₂ и O₂ в NO, а дождь — в нитрат; 2) клубеньковые бактерии на корнях бобовых (люцерна, горох, маш) превращают N₂ в аммиак; 3) заводы синтезируют аммиак по способу Габера–Боша. Растение поглощает NO₃⁻ и NH₄⁺ и строит белок; при гниении остатков азот превращается в NH₄⁺, а с помощью бактерий — в NO₃⁻; денитрифицирующие бактерии снова восстанавливают нитрат до N₂. Выберите процесс перед диорамой.

Аммиак

NH₃ — тригональная пирамида (H–N–H 106,7°), у азота есть неподелённая электронная пара. Бесцветный газ с резким запахом, легче воздуха (M = 17 г/моль < 29), кипит при −33,3 °C, под давлением легко сжижается (используется в холодильниках). Очень хорошо растворим в воде: при 20 °C в 1 объёме воды ≈ 700 объёмов NH₃ — на этом основан опыт «фонтан». Его раствор — аммиачная вода (10 %-ная — «нашатырный спирт»), слабое основание: $NH_{3} + H_{2} O \overset{}{⇌} NH_{4}^{+} + OH^{-}$ . С кислотами образует соли аммония: $NH_{3} + HCl \overset{}{\to} NH_{4} Cl$ — в воздухе появляется белый «дым» из мелких кристаллов NH₄Cl. Горит в кислороде: $4 NH_{3} + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 N_{2} + 6 H_{2} O$ , а на платине окисляется до NO. Лабораторная работа 9: смесь NH₄Cl и гашёной извести нагревают в пробирке (отверстием чуть вниз), аммиак собирают в сухую колбу, расположенную отверстием вниз; влажный красный лакмус синеет, палочка, смоченная HCl, даёт белый дым. Распознавание солей аммония: при нагревании со щёлочью выделяется NH₃.

Оксиды азота и способ Оствальда

Азот образует пять оксидов: N₂O (+1) и NO (+2) — безразличные (несолеобразующие), N₂O₃ (+3), NO₂ (+4) и N₂O₅ (+5) — кислотные оксиды. NO бесцветен, на воздухе мгновенно превращается в бурый NO₂: $2 NO + O_{2} \overset{}{\to} 2 NO_{2}$ . NO₂ ядовит, он виновник кислотных дождей и смога; в двигателях образуется так же, как в молнии. Азотную кислоту получают способом Оствальда: 1) $4 NH_{3} + 5 O_{2} \overset{}{\to} 4 NO + 6 H_{2} O$ — на сетке Pt–Rh при ≈ 850–900 °C; 2) $2 NO + O_{2} \overset{}{\to} 2 NO_{2}$ ; 3) $4 NO_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 HNO_{3}$ . «Навоиазот» и «Максам-Чирчик» производят азотную кислоту и из неё аммиачную селитру. В лаборатории раскалённая платиновая спираль над парами аммиака сама остаётся раскалённой — реакция выделяет теплоту.

Азотная кислота и нитраты

HNO₃ — сильная кислота и сильный окислитель: с металлами водород не выделяется, азот восстанавливается. Концентрированная: $Cu + 4 HNO_{3} \overset{}{\to} Cu (NO_{3})_{2} + 2 NO_{2} ↑ + 2 H_{2} O$ — бурый газ; разбавленная: $3 Cu + 8 HNO_{3} \overset{}{\to} 3 Cu (NO_{3})_{2} + 2 NO ↑ + 4 H_{2} O$ — бесцветный NO, буреющий у отверстия пробирки. Холодная концентрированная HNO₃ пассивирует железо и алюминий — её перевозят в алюминиевых цистернах. На свету разлагается ( $4 HNO_{3} \overset{}{\to} 4 NO_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O$ ), поэтому хранится в тёмном стекле. Аммиачная селитра: $NH_{3} + HNO_{3} \overset{}{\to} NH_{4} NO_{3}$ , ω(N) = 28 : 80 = 35 % (в продаваемом удобрении ≈ 34 %). Практическая работа 4: ион NH₄⁺ — при нагревании со щёлочью выделяется NH₃ (влажный лакмус синеет); ион NO₃⁻ — при нагревании с медью и концентрированной H₂SO₄ выделяется бурый NO₂.

Безопасность и модель

Безопасность: аммиак и оксиды азота ядовиты — работайте в вытяжном шкафу; нюхая газ, не подносите пробирку к лицу, а направляйте пары к себе движением руки; концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ обжигают кожу — нужны очки и перчатки; не направляйте отверстие нагреваемой пробирки на себя и на других. Модель: скорости выделения газа схематичны (время сокращено); объёмы приведены к н. у. ( $V_{m}$ = 22,4 л/моль), газ в колбе — при 20 °C; колба заполняется аммиаком вытеснением воздуха с частичным перемешиванием; в фонтане аммиак растворяется полностью, в колбу входит вода объёмом, равным объёму, который занимал NH₃; pH аммиачной воды рассчитан с $K_{b}$ = 1,8·10⁻⁵; процесс NO → NO₂ и температура платины схематичны.

Знаете ли вы?

Азот открыл в 1772 году шотландский химик Дэниел Резерфорд. Лавуазье назвал его «azote» — по-гречески «безжизненный»: в этом газе гаснет свеча и не могут жить животные.
Способ получения азотной кислоты окислением аммиака на платине создал в начале XX века немецкий химик Вильгельм Оствальд; в 1909 году он получил Нобелевскую премию за работы по катализу.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс