7.5. Аммиак и его соединения

Аммиак NH₃ — легко сжижаемый (т. кип. —33,4°С, т. пл. —77,7°С) и хорошо растворимый в воде газ. Он бесцветен, имеет резкий запах, часто обнаруживаемый около скотных дворов и навозохранилищ, где он образуется при разложении органических веществ. Раствор аммиака в воде, называемый раствором гидроокиси аммония (иногда аммиачной водой), содержит молекулярные частицы NН₃, NН₄ОН (гидроокись аммония), ионы NH₄⁺ и ОН^-. Гидроокись аммония — слабое основание, лишь частично диссоциирующее на ионы NH₄⁺ и ионы гидроксила ОН^-

NH₃  + H₂O ⇔ NН₄ОН ⇔ NH₄⁺ + ОН^-

Ион аммония имеет конфигурацию правильного тетраэдра. Ион NH₄⁺ можно описать как ион, имеющий четыре электрона на четырех тетраэдрических sр³-орбиталях. В молекуле гидроокиси аммония ион аммония и ион гидроксила удерживаются водородной связью (разд. 9.6).

Получение аммиака

В лабораторных условиях аммиак легко можно получить нагреванием аммонийной соли, например хлорида аммония NН₄Cl, с сильным основанием, например с гидроокисями натрия или кальция

2NН₄Cl + Са(ОН)₂ → СаСl₂ + 2Н₂O + 2NH₃ (г.)

Газообразный аммиак можно получить также нагреванием концентрированной гидроокиси аммония.

Основной промышленный метод производства аммиака — процесс Габера — заключается в непосредственном соединении азота и водорода под высоким давлением (несколько сот атмосфер) в присутствии катализатора (обычно железа, содержащего молибден или другие вещества, повышающие его каталитическую активность). Используемые газы должны быть тщательно очищены для предотвращения «отравления» катализатора. Выход аммиака в условиях равновесного протекания процесса (гл. 10) при высоких температурах меньше, чем при низкой температуре. Однако при низких температурах эти газы взаимодействуют очень медленно, и поэтому данную реакцию можно использовать в промышленном процессе лишь в том случае, если подобрать катализатор, удовлетворительно ускоряющий процесс при 500°С. Даже при этой относительно низкой температуре равновесие оказывается неблагоприятным, если газовая смесь находится под низким давлением: при 1 атм в аммиак превращается менее 0,1% исходной смеси. Увеличение общего давления способствует образованию аммиака; при 500 атм равновесная смесь более чем на одну треть состоит из аммиака.

Небольшие количества аммиака образуются как побочный продукт при производстве кокса и светильного газа путем сухой перегонки угля, а также в цианамидном производстве. При получении цианамида смесь извести и кокса нагревают в электрической печи, в результате чего образуется ацетилид (карбид) кальция СаС₂

CaO + 3С → СО + СаС₂

Азот, полученный фракционированием жидкого воздуха, пропускают над нагретым карбидом кальция, в результате чего образуется цианамид кальция CaCN₂

СаС₂ + N₂ → CaCN₂ + С

Цианамид кальция можно применять непосредственно в качестве удобрения или же использовать для производства аммиака посредством обработки паром под давлением

CaCN₂ + ЗН₂O → СаСO₃ + 2NH₃

Соли аммония

По кристаллической форме, мольному объему, цвету и другим свойствам соли аммония подобны солям калия и рубидия. Такое сходство объясняется тем, что размер иона аммония (радиус 148 пм) весьма близок к размерам ионов упомянутых щелочных металлов (радиус К⁺=133 пм, радиус Rb⁺=148 пм). Все аммонийные соли растворимы в воде и полностью диссоциируют в водном растворе.

Хлорид аммония NH₄Cl — белая соль с горьковато-соленым вкусом. Его используют в сухих батареях и в качестве флюса при пайке и сварке. Сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ является эффективным удобрением, а нитрат аммония NH₄NO₃ в смеси с другими веществами используют при изготовлении взрывчатых веществ и в качестве удобрения.

Жидкий аммиак как растворитель

Жидкий аммиак (т. кип. —33,4°С) имеет высокую диэлектрическую проницаемость и является хорошим растворителем для солей, образующих ионные растворы. Он обладает также необычной способностью растворять щелочные и щелочноземельные металлы, не вызывая химической реакции; при этом образуются голубые растворы, обладающие исключительно высокой электропроводностью и металлическим блеском. Эти растворы металлов медленно разлагаются с выделением водорода и образованием амидов, подобных амиду натрия NaNH₂, образующемуся по уравнению

2Na + 2NH₃ → 2Na⁺ + 2NH₂^- + H₂

В растворе амиды диссоциируют на ион натрия и амид-ион, 

аналогичный иону гидроксила в водных системах. Ион аммония в жидком аммиаке аналогичен иону гидроксония в водных системах (см. гл. 9 и 12).