Соединения азота - III

При высоких температурах азот окисляет многие металлы и неметаллы, образуя нитриды:

3 Mg + N₂ = Mg₃N₂

2 B + N₂ = 2 BN

3 H₂ + N₂ = 2 NH₃

Свойства нитридов более или менее закономерно изменяются по периодам и группам периодической системы. Например, в малых периодах наблюдается переход от основных нитридов к кислотным:

Na₃N, Mg₃N₂ AlN Si₃N₄, P₃N₅, S₄N₄, Cl₃N

основные амфотерные кислотные

Нитриды щелочных и щелочноземельных металлов образованы с помощью ионных связей. Азот в них проявляет степень окисления -3 и существует в виде ионов N^3-. С элементами третьей группы азот образует нитриды BN, AlN при помощи ковалентных связей, а с металлами Ti, Hf, U и другими образует нитриды, имеющие структуру сплавов внедрения.

Все нитриды – твердые кристаллические вещества с высокой температурой плавления; многие из них представляют собой высокомолекулярные вещества. Они проводят электрический ток и устойчивы к нагреванию. Нитриды металлов получили значительное распространение в машиностроительной и химической промышленности. В машиностроении прибегают к получению нитридов металлов непосредственно на готовых изделиях из стали, легированной хромом, алюминием, ванадием, молибденом и другими металлами. Нитриды получаются при нагревании деталей до 490 - 560⁰С в атмосфере аммиака, который диссоциирует:

2 NH₃ = N₂ + 3 H₂

Выделившийся атомарный азот образует нитриды алюминия, хрома, железа и других элементов. Образовавшаяся пленка твердого раствора азота в стали, содержащая нитриды металлов, повышает поверхностную твердость металлов, сопротивление истиранию и антикоррозионную устойчивость. Процесс получения нитридов непосредственно на поверхности металлов называется азотированием.

В химической промышленности нитрид железа применяется в качестве катализатора при ожижении твердого топлива.

Аммиак

Строение молекулы

Азот образует с водородом несколько соединений, из которых важнейшим является аммиак. Электронная формула молекулы аммиака такова:

H

. ..

:N· + 3H· ® :N:Н

· ××

Н

Видно, что из четырех электронных пар при азоте три общие (связывающие) и одна неподеленная (несвязывающая).

Молекула аммиака имеет форму пирамиды:

N H H   H

Аммиак очень хорошо растворяется в воде (при 20°С в 1 л воды растворяется ~ 700л аммиака).

25%-ный водный раствор называют «нашатырным спиртом».

Химическая связь N-Н полярна: положительный заряд сосредоточен на атомах водорода, отрицательный – на атоме азота. Вследствие этого между молекулами аммиака образуется водородная связь, что можно изобразить так:

Поэтому аммиак существует в водном растворе в виде гидрата NH₃•H₂O.

Благодаря водородным связям аммиак имеет сравнительно высокие температуры плавления и кипения, а также высокую теплоту испарения, он легко сжижается.

Способы получения

1. Промышленный синтез

N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q

2. В лабораторных условиях аммиак получают действием щелочей на твердые соли аммония:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O

Химические свойства

I. Аммиак – сильный восстановитель

В жидком аммиаке растворяются щелочные и щелочноземельные металлы, неметаллы (фосфор, сера, йод) и многие неорганические и органические соединения.

1. аммиак сгорает в кислороде и в воздухе (предварительно подогретом) с образованием азота и воды (без катализатора):

4 NH₃ + 3 О₂ = 2 N₂ + 6 Н₂О

2. с кислородом (в присутствии катализаторов)

4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O

3. с галогенами

8NH₃ + 3Cl₂ = N₂ + 6NH₄Cl

4. при нагревании он восстанавливает оксид меди (II), а сам окисляется до свободного азота:

_{+2 -3 0 0}

3 CuO + 2 NH₃ = 3 Cu + N₂ + 3 H₂O

5. растворенный в воде аммиак реагирует с различными окислителями, например:

10NH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ = 5N₂↑ + 6MnSO₄ + 3K₂SO₄ + 24H₂O

При окислении аммиака гипохлоритом натрия получают другое водородное соединение азота – гидразин N₂H₄

2NH₃ + 6NaOCl = 5N₂H₄ + NaCl + H₂O

II. Водный раствор аммиака – слабое основание

Образующийся при взаимодействии с водой гидрат аммиака частично диссоциирует:

..

H₃N: + H-O: ®[NH₄]⁺ + [OH]^-

|

H

Комплексный катион NH₄⁺ - продукт присоединения ионов Н⁺ к молекуле NH₃ по донорно-акцепторному механизму. За счет освобождающихся из молекул воды ионов ОН^- раствор аммиака приобретает слабощелочную реакцию и проявляет свойства оснований.

1. Важным химическим свойством аммиака является его взаимодействие с кислотами с образованием солей аммония. В этом случае к молекуле аммиака присоединяется ион водорода кислоты, образуя ион аммония, входящий в состав соли:

NH₃ + HCl = NH₄Cl;

NH₃ + H₃РО₄ = NH₄Н₂РО₄

2. При пропускании аммиака в водные растворы солей металлов, гидроксиды которых очень плохо растворяются в воде, происходит осаждение Me(OH)_x:

3NH₃ + 3H₂O + AlCl₃ = Al(OH)₃↓ + 3NH₄Cl

III. NH₃ – лиганд в комплексных соединениях

Молекулы NH₃ способны образовывать донорно-акцепторные связи не только с ионами Н⁺, но и с катионами целого ряда переходных металлов (Ag⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Co²⁺ и др.). Это приводит к возникновению комплексных ионов – [Ag(NH₃)₂]⁺, [Cu(NH₃)₄]²⁺, [Cr(NH₃)₆]³⁺ и др., которые входят в состав комплексных соединений – аммиакатов.

Благодаря образованию растворимых аммиакатов в водном растворе аммиака растворяются нерастворимые в воде оксиды, гидроксиды, соли металлов-комплексообразователей.

В частности, в аммиаке легко растворяются Ag₂O, Cu₂O, Cu(OH)₂, AgCl:

Ag₂O + 4NH₃ + H₂O = 2[Ag(NH₃)₂]OH

Cu(OH)₂ + 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄](OH)₂

AgCl + 2NH₃ = [Ag(NH₃)₂]Cl

Аммиачные растворы Ag₂O, Cu₂O, Cu(OH)₂ используются как реактивы в качественном анализе (обнаружение альдегидов, многоатомных спиртов).