Соли аммония

                                            Введение

 

Соли  аммония – производные элемента азота. Имеют большое практическое значение, потому что азот - основа живой  материи. Эти соли состоят из иона аммония и кислотного остатка.

 

  Из истории названия солей аммония.

Соли аммония получили свое название в честь египетского бога Аммона. Еще в глубокой древности люди получали хлорид аммония путем сжигания верблюжьего навоза. Они использовали его в своих священных ритуалах, происходящих в храме бога Аммона, находящегося в Ливийской пустыне. Это название позднее отразилось в словах «аммиак», «соли аммония». Поклоняющихся богу Аммону называли «аммонианами».

Официально соли аммония получили свое название в 1808 году. Оно было предложено знаменитым английским химиком Хэмфри Дэви.

 

Почти все соли аммония используют в качестве азотных удобрений. Растения способны усваивать азот только в связанном виде, т. е. в виде ионов NН₄⁺ или N0₃^-. Замечательный русский агрохимик Д. Н. Прянишников выяснил, что если у растения есть выбор, то оно предпочитает катион аммония нитрат-аниону, поэтому использование солей аммония в качестве азотных удобрений особенно эффективно. Очень ценным азотным удобрением является нитрат аммония NH₄NO₃.

Усвоение растениями солей аммония, благотворно влияющих на их рост и развитие, связано в первую очередь с тем, что соли аммония играют важную роль в круговороте азота, непрерывно происходящим в природе. (рис.1)

                              

                           Рис. 1.  Круговорот азота в природе

 

 

Круговорот  азота в природе

 Из-за того, что  связи между двумя атомами молекулы азота очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете. Соли аммония играют в этом немаловажную роль.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова.

Таким образом, в результате естественных природных процессов  связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу. Больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой Мировой Войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

 

Аммиак.

Азот образует несколько  соединений с водородом; из них наибольшее значение имеет аммиак – бесцветный газ с характерным резким запахом (запах «нашатырного спирта»). Именно он нужен для получения солей аммония. Поэтому остановимся на строении этой молекулы.

Строение молекулы NH₃. Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Три неспаренных p-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподеленной (рис. 2) она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH₄⁺.  Молекула аммиака также обладает высокой полярностью, что приводит к его хорошей растворимости в воде.

Валентный угол в молекуле NH₃ равен 107.8º, длина связи N-H составляет 101.7 нм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               Рис. 2. Строение молекулы аммиака

 

Физические  свойства аммиака. Масса 1 л аммиака при нормальных условиях равна 77г. Поскольку этот газ значительно легче воздуха, то его можно собирать в перевернутые вверх дном сосуды.

При охлаждении до -33,5ºС аммиак под обычным давлением превращается в прозрачную жидкость, затвердевающую при -77,8º С.

В отличие от азота в химическом отношении аммиак довольно активен; он вступает во взаимодействия со многими веществами. В аммиаке азот имеет самую низкую степень окисления (-3). Поэтому проявляются только восстановительные свойства. При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соли аммония.

Синтезируют  аммиак из простых веществ:

 N₂+3H₂        2NH₃+92.1 кДж  (Fe³⁺, 300º C, 20-30 МПа)

 

Рис. 3. Колонна синтеза аммиака

Это промышленный способ получения аммиака носит название процесс (или синтез) Габера (рис.3). Газовую смесь пропускают через так называемую колонну синтеза аммиака – цилиндрическое сооружение диаметром немного меньше 1 м и высотой 10 – 15м. Внутри колонны находится пористое железо, которое играет роль катализатора.

Итак, аммиак необходим для получения солей аммония. Схематично реакцию можно записать следующим образом:

                                  NH₃+ кислота = соль аммония

                  

 

                                       СОЛИ АММОНИЯ           

Образование иона NH₄⁺

Образование ионов аммония при  взаимодействии аммиака с водой  или кислотами объясняется парой  свободных электронов азота (рис. 4), остающихся после соединения с тремя атомами водорода. Ион водорода, не имеющий своих электронов, присоединяется к аммиаку, представляя свои орбитали для движения электронов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Рис. 4. Схема образования иона аммония из молекулы аммиака

 

Такая связь называется донорно-акцепторной и характерна для комплексных соединений вообще. Простейшими комплексными соединениями и являются соли аммония.

 

Рассмотрим свойства конкретных солей.

 

 

  NH₄NO₃ – нитрат аммония (аммиачная селитра).

Впервые получена Глаубером  в 1659 году. Представляет собой кристаллическое вещество белого цвета. Температура плавления 169.6 °C. Температура кипения при повышенном давлении 235 °C. Содержание элементов в нитрате аммония в массовых процентах: O – 60%, N – 35%, H – 5%.

   Способы получения:

Основной промышленный способ получения:

                                      NH₃+HNO₃=NH₄NO₃+Q

Нитрофосфатный метод  или способ Одда:

                   Ca(NO₃)₂+4H₃PO₄+8NH₃=CaHPO₄+2NH₄NO₃+3(NH₄)₂HPO₄

      Термическое разложение:

• NH₄NO₃ → N₂O↑ + 2H₂O  (ниже 270º С)
• 2NH₄NO₃ → 2N₂ + O₂ + 4H₂O (выше 270º С)

Применение аммиачной селитры

Универсальное аммиачно-нитратное азотное удобрение для всех видов сельскохозяйственных культур. Содержит 34.4% азота. Применяется во всех почвенно-климатических зонах России на всех видах почв. Способствует хорошему росту растений, улучшению качества продукции.

Нитрат аммиака, как и многие другие азотосодержащие соединения, и, в частности, соли аммония, используются в качестве взрывчатых веществ.   Наиболее широко в промышленности и горном деле применяются смеси аммиачной селитры с различными видами углеводородных горючих материалов, других взрывчатых веществ, а также многокомпонентные смеси: смесь с алюминиевой пудрой (аммонал), жидкая смесь аммиачной селитры и гидрозина (астролит), а также смеси с аммонитом и детонитом.

Взаимодействие нитрата аммония с реактивами:

                             NH₄NO₃+NaOH_(конц.) =NaNO₃+ NH₄OH

                   NH₄NO₃ +Be(NO₃)₂+Na₃PO₄=Be(NH₄)PO₄+2NaNO₃

 

NH₄NO₂ – нитрит аммония(аммоний азотистокислый)

Белые или слегка желтоватые кристаллы. Температура плавления 70º С.   Содержание элементов в нитрате аммония в массовых процентах:  O – 64%, N – 28%, H – 8%.

Способы получения:

• В лабораторных условиях:

                                       NaNO₂ + NH₄Cl = NaCl + NH₄NO₂

• Восстановлением свежевыделенным водородом нитрата аммония из слабо кислых растворов: 

                                  NH₄NO₃+2Hº = NH₄NO₂+H₂O  (Zn, HCl)

• Поглощение смеси газообразных окислов NO и NO₂ (или неустойчивого N₂O₃) водным раствором аммиака:

                                    2NH₄OH+NO+NO₂= 2NH₄NO₂+2H₂O

• Обменными реакциями:

                          KNO₂+NH₄ClO₄          NH₄NO₂+KClO4

Термическое разложение:

                    NH₄NO₂=N₂+2H₂O+334.4 кДж (60-70ºC) Это лабораторный способ получения азота.

Применение нитрита аммония

Нитрит аммония используется в качестве родентицида, дезинфектора и сельскохозяйственного пестицида. Родентициды – средства от грызунов, пестициды – химические вещества, используемые для борьбы с вредителями. Также нитрит аммония является токсином для человека и для водных организмов.

Реакции, характерные для нитрита аммония:

                                 NH₄NO₂ +HCl=NH₄Cl+HNO₂

                                 NH₄NO₂ +NaOH=NH₃+NaNO₂

                                    2 NH₄NO₂+O₂=2NH₄NO₃

 

NH₄Cl – хлорид аммония (хлористый аммоний, нашатырь)

Белый кристаллический порошок без запаха. Летучий, хорошо растворим в воде, этаноле, метаноле, термически неустойчивый. Гидролизуется по катиону.

Способ получения:

        NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NaHCO₃+NH₄Cl (промышленный способ)

      Термическое разложение:

                                      NH₄Cl         NH3+HCl (335ºC)

Применение хлорида аммония

Нашатырь (тривиальное название хлорида аммония) в первую очередь применяется в качестве азотного удобрения, содержащего до 25% азота для нейтральных и щелочных почв. В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E510.  Его используют также при пайке для удаления оксидной плёнки с поверхностей и в гальванических элементах (как компонент электролита).

Нашатырь находит применение и в медицине (водный раствор 2.5-5%). Применяют внутрь при отеках сердечного происхождения, бронхите, пневмонии. Фармакологическое действие: отхаркивающее и диуретическое.

Опыт «дым без огня».

В 1673 английский физик и химик Роберт Бойль наблюдал, как дымится палочка, смоченная соляной кислотой, над горящим навозом. «Дым» был результатом образования мельчайших кристалликов хлорида аммония при реакции, выделяющегося из навоза аммиака с хлороводородом.

Реакции, характерные для хлорида аммония:

                        2 NH₄Cl+CaOH=2NH₃+CaCl+H₂O  (200ºC)

                              2 NH₄Cl_(конц.)+Mg=H₂+MgCl₂+2NH₃

                                 2 NH₄Cl+KNO₃=N₂O+2H₂O+KCl

            2 NH₄Cl+CO₂=(NH₂)₂CO+2HCl+H₂O (образование мочевины)

     Гидролиз (среда кислая): NH₄Cl + Н₂O = NH₄OH + HCl

(NH₄)₂CO₃ – карбонат аммония (углекислый аммоний)

Бесцветные кристаллы. Хорошо растворим в воде. Очень неустойчив как на воздухе, так и в растворе. Подвергается гидролизу.

     Способ получения:

                               NH₄HCO_3(конц.) + NH₃         (NH₄)₂CO₃