Вопрос 45. Соединения азота с водородом: аммиак, гидразин, гидроксиламин, азотоводородная кислота. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства.

1. Аммиак

М олекула аммиака – тригональная пирамида (искаженный тетраэд) с валентным углом 107,3^◦_, что соответствует sp³-гибридизации атома азота. Молекула полярна, проявляет электродонорные свойства.

Водородная связь между молекулами аммиака слабее, чем в воде, поэтому вязкость аммиака меньше, а температура плавления ниже, чем у воды. Аммиак легко сжижается.

При обычных условиях аммиак – газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде. При 20^◦С в одном литре воды растворяется до 700л газообразного аммиака. В водном растворе аммиака устанавливается равновесие NH₃ + H₂O ↔^K=0,2 NH_3*H₂O ↔^{K=1,8*10^(-5)} NH₄⁺ + OH^-

Получение аммиака

Промышленный синтез аммиака – каталитический процесс, протекающий при высоких давлениях и температурах в присутствии катализатора (98% Fe₃O₄ + 2% KAlO₂) N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

В лаборатории аммиак получают, действуя на соли аммония растворами щелочей NH₄Cl + KOH = NH₃ + KCl + H₂O

Химические свойства аммиака

Аммиак вступает в реакции присоединения, проявляя свойства основания NH₃ + HCl = NH₄Cl CuSO₄ + 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄]SO₄

Газообразный или жидкий аммиак вступает в реакции замещения водорода активными металлами 2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂ В зависимости от количества замещенных атомов различают амиды NaNH₂, имиды Na₂NH и нитриды Na₃N. Как и нитриды, амиды и имиды разлагаются водой NaNH₂ + H₂O = NH₃ + NaOH

В ОВР аммиак, амиды, имиды и нитриды проявляют восстановительные свойства, окисляясь до азота

Соли аммония термически неустойчивы. Если анион окислитель, то при нагревании идет ОВР NH₄NO₃ =^t N₂O + 2H₂O В других случаях происходит отщепление аммиака (NH₄)₃PO₄ =^t NH₃ + (NH₄)₂HPO₄ (NH₄)₂CO₃ =^t 2NH₃ + CO₂ + H₂O NH₄Cl =^t NH₃ + HCl

2 . Гидразин

Гидразин N₂H₄ – бесцветная, дымящая на воздухе жидкость. Соединение менее устойчивое, чем аммиак.

Степень окисления азота в гидразине -2

Гидразин – слабое двухкислотное основание, с кислотами образует соли гидразиния, например N₂H_2*H₂SO₄ – сульфат гидразиния С водой образует гидразин-гидрат N₂H_4*H₂O

Получение

Гидразин получают окислением водного раствора аммиака гипохлоритом натрия в присутствии желатина 2NH₃ + NaClO = N₂H₄ + NaCl + H₂O

Химические свойства

В ОВР гидразин – сильный восстановитель 2CuSO₄ + N₂H_4*H₂SO₄ = 2Cu + N₂ + 3H₂SO₄

В реакциях с сильными восстановителями гидразин может проявлять окислительные свойства N₂H₄ + H_{2 (в момент выделения)} = 2NH₃

3. Гидроксиламин

Гидроксиламин NH₂OH – кристаллическое вещество. Слабое основание. Степень окисления азота -1

Получение

Гидроксиламин NH₂OH получают электролитическим восстановлением азотной кислоты на свинцовом катоде HNO₃ + 6H_* = NH₂OH + 2H₂O

Может быть получен при медленном разложении HN₃ водой HN₃ + H₂O = NH₂OH + N₂

Химические свойства

В щелочной среде гидроксиламин хороший восстановитель 2NH₂OH + I₂ + 2KOH = N₂ + 2KI + 4H₂O

В кислой среде гидроксиламин может быть и окислителем – до аммиака 4FeSO₄ + 2NH₂OH + 3H₂SO₄ = 2Fe₂(SO₄)₃ + (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O

Азид водорода (азотоводородная кислота)

HN₃ – бесцветная жидкость с резким запахом, токсичен, распадается со взрывом

Л инейное строение азид-ионы по методу валентных связей объясняется следующим образом. Центральный атом азота (N⁺) имеет 4 неспаренных электрона. Две его sp-гибридные орбитали образуют -связи, а две p-орбитали – -связи с атомами азота.

Получение

Азид водорода получают окислением азотистой кислотой гидразина N₂H₄ + HNO₂ = HN₃ + 2H₂O

Химические свойства

В водном растворе азид водорода – слабая кислота. Под действием воды медленно разлагается HN₃ + H₂O = N₂ + NH₂OH

В ОВР проявляет окислительные свойства подобно азотной кислоте HN₃ + 2HI = I₂ + NH₃ + N₂

При взаимодействии с металлами образуются азиды, азот и аммиак 3HN₃ + Mg = Mg(N₃)₂ + N₂ + NH₃

Азиды тяжелых металлов, как и сама кислота – взрывчатые вещества

В ряду NH₃, N₂H₄, NH₂OH, HN₃ основные свойства ослабевают. HN₃ уже проявляет слабые кислотные свойства. Свойства восстановителя также ослабевают. NH₂OH проявляет восстановительные свойства в щелочной среде, а в кислой может окисляться до аммиака. HN₃ проявляет свойства окислителя, окисляясь до N₂ и NH₃.