Реакция аммиака с натрием уравнение

Аммиак: получение и свойства

Аммиак

Строение молекулы и физические свойства

В молекуле аммиака NH₃ атом азота соединен тремя одинарными ковалентными полярными связями с атомами водорода:

Геометрическая форма молекулы аммиака — правильная треугольная пирамида. Валентный угол H-N-H составляет 107,3 о :

У атома азота в аммиаке на внешнем энергетическом уровне остается одна неподеленная электронная пара. Эта электронная пара оказывает значительное влиение на свойства аммиака, а также на его структуру. Электронная структура аммиака — тетраэдр , с атомом азота в центре:

Аммиак – бесцветный газ с резким характерным запахом. Ядовит. Весит меньше воздуха. Связь N-H — сильно полярная, поэтому между молекулами аммиака в жидкой фазе возникают водородные связи. При этом аммиак очень хорошо растворим в воде, т.к. молекулы аммиака образуют водородные связи с молекулами воды.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Химические свойства аммиака

1. В водном растворе аммиак проявляет основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион аммония. Реакция может протекать и в водном растворе, и в газовой фазе:

Таким образом, среда водного раствора аммиака – щелочная. Однако аммиак – слабое основание . При 20 градусах один объем воды поглощает до 700 объемов аммиака.

Видеоопыт растворения аммиака в воде можно посмотреть здесь.

2. Как основание, аммиак взаимодействует с кислотами в растворе и в газовой фазе с образованием солей аммония.

Например , аммиак реагирует с серной кислотой с образованием либо кислой соли – гидросульфата аммония (при избытке кислоты), либо средней соли – сульфата аммония (при избытке аммиака):

Еще один пример : аммиак взаимодействует с водным раствором углекислого газа с образованием карбонатов или гидрокарбонатов аммония:

Видеоопыт взаимодействия аммиака с концентрированными кислотами – азотной, серной и и соляной можно посмотреть здесь.

В газовой фазе аммиак реагирует с летучим хлороводородом. При этом образуется густой белый дым – это выделяется хлорид аммония.

NH₃ + HCl → NH₄Cl

Видеоопыт взаимодействия аммиака с хлороводородом в газовой фазе (дым без огня) можно посмотреть здесь.

3. В качестве основания, водный раствор аммиака реагирует с растворами солей тяжелых металлов , образуя нерастворимые гидроксиды.

Например , водный раствор аммиака реагирует с сульфатом железа (II) с образованием сульфата аммония и гидроксида железа (II):

4. Соли и гидроксиды меди, никеля, серебра растворяются в избытке аммиака, образуя комплексные соединения – аминокомплексы.

Например , хлорид меди (II) реагирует с избытком аммиака с образованием хлорида тетрамминомеди (II):

Гидроксид меди (II) растворяется в избытке аммиака:

5. Аммиак горит на воздухе , образуя азот и воду:

Если реакцию проводить в присутствии катализатора (Pt), то азот окисляется до NO:

6. За счет атомов водорода в степени окисления +1 аммиак может выступать в роли окислителя , например в реакциях с щелочными, щелочноземельными металлами, магнием и алюминием . С металлами реагирует только жидкий аммиак.

Например , жидкий аммиак реагирует с натрием с образованием амида натрия:

Также возможно образование Na₂NH, Na₃N.

При взаимодействии аммиака с алюминием образуется нитрид алюминия:

2NH₃ + 2Al → 2AlN + 3H₂

7. За счет азота в степени окисления -3 аммиак проявляет восстановительные свойства. Может взаимодействовать с сильными окислителями — хлором, бромом, пероксидом водорода, пероксидами и оксидами некоторых металлов. При этом азот окисляется, как правило, до простого вещества.

Например , аммиак окисляется хлором до молекулярного азота:

Пероксид водорода также окисляет аммиак до азота:

Оксиды металлов , которые в электрохимическом ряду напряжений металлов расположены справа — сильные окислители. Поэтому они также окисляют аммиак до азота.

Например , оксид меди (II) окисляет аммиак:

2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O

Реакция аммиака с натрием уравнение

Натрий и другие щелочные металлы способны обратимо растворяться в жидком аммиаке. Такие растворы обладают довольно необычными свойствами. Приведем фрагмент из книги М. Ситтиг Натрий, его производство, свойства и применение (1961) ссылка

При растворении натрия в жидком аммиаке металл диссоциирует на положительно заряженные ионы металла и электроны, причем последние улавливаются растворителем. Комплексные соединения натрия с аммиаком описаны у ряда авторов.

При низких температурах наиболее концентрированные растворы натрия в жидком аммиаке разделяются на две жидкие фазы. Более разбавленный раствор темно-голубого цвета оказывается на дне, а над ним располагается концентрированный раствор цвета бронзы. У этой системы, содержащей 4.15 ат. % натрия, верхняя критическая точка наблюдается при температуре минус 41.6°С.

Растворы натрия в жидком аммиаке подразделяются на две категории — катализированные и некатализированные. Некатализированные растворы натрия создают темно-голубые разбавленные и медно-бронзовые насыщенные растворы. Однако активные металлы, такие как железо, кобальт и никель, катализируют перевод аммиачных растворов в амид натрия.

За исключением возможной реакции натрия с аммиаком, жидкий аммиак представляет собой очень хорошую среду для осуществления восстановительных реакций с использованием натрия. При этом образуются стабильные растворы металла, которые в свою очередь обладают высокой растворимостью в органических соединениях. Для жидких аммиачных растворов натрия можно использовать такие разбавители, как петролейный эфир, бензол, простой эфир и амины. Влияние их на растворимость не изучено, но в некоторых случаях они, по-видимому, оказывают непосредственнее воздействие на реакции. Основную реакцию могут осложнять побочные реакции, в том числе аммонолиз растворителя, приводящий к расщеплению последнего.

При низкой температуре реакции могут проводиться в сосудах Дьюара. В тех случаях, когда требуется изоляция от воздуха и влаги, реакционная ванна погружается в жидкий аммиак или в смесь сухого льда с органическим растворителем. Реакции могут проводиться и при комнатной температуре, но при использовании изолированных стеклянных трубок Фарадея или автоклавов. Автоклавы должны быть эмалированными или сделанными из коррозионностойкого металла, так как растворы натрия в аммиаке взаимодействуют с металлами, в особенности в присутствии водорода.

В книге Б.В. Некрасов Основы общей химии ссылка приводятся следующие интересные факты:

Особенностью жидкого аммиака является его способность растворять наиболее активные металлы, причем последние подвергаются ионизации. Например, разбавленный раствор металлического натрия имеет синий цвет, проводит электрический ток подобно растворам обычных электролитов и содержит, по-видимому, катионы Na + (сольватированные аммиаком) и анионы (NH₃) — _x.

Центральной частью такого сложного аниона является свободным электрон, находящийся в поляризационном взаимодействии с окружающей средой (т.н. полярон). При более высоких концентрациях Na его раствор приобретает вид бронзы и проявляет металлическую электропроводность, т.е. наряду с сольватированным аммиаком содержит, по-видимому, и свободные электроны. Интересно, что ниже минус 42°С синяя и бронзовая фазы способны сосуществовать, не смешиваясь. Длительное хранение растворов натрия в жидком аммиаке сопровождается их обесцвечиванием в результате очень медленной реакции по схеме:

С цезием (растворимость 25 г-атомов на 1000 г NH₃ при минус 50°С) аналогичная реакция протекает за несколько минут.

Тенденция растворенного в аммиаке металла к отщеплению валентных электронов создает возможность проведения своеобразных реакции вытеснения. Например, пользуясь растворимостью в жидком аммиаке KCl и нерастворимостью CaCl₂. можно осуществить вытеснение калия кальцием но схеме:

Было бы интересно получить раствор натрия в жидком аммиаке, используя трубку Фарадея (тем более, что прямое указание на такую возможность есть в книге Ситтига — см. цитату, приведенную выше).

Мы сделали трубку по схеме, описанной в предыдущих частях статьи. Поскольку использовать водный раствор аммиака в данном случае абсолютно недопустимо (это приведет к взрыву), в качестве источника аммиака служила смесь хлорида аммония с избытком негашеной извести (по-видимому, лучше было использовать сульфат аммония, но его не оказалось под рукой).

При нагревании смеси извести и хлорида аммония в холодном колене образовалось немного жидкого аммиака. В результате кусочек натрия растворился с образованием почти черного раствора. После прекращения нагрева смеси аммиак быстро испарился, и получился желтоватый зеркальный слой натрия. Заметив, что он довольно быстро корродирует, мы разбили трубку. Удалось сделать только одну фотографию (к сожалению, плохого качества).

На следующий день мы получили комплекс хлорида серебра с аммиаком, и использовали его в качестве источника аммиака в трубке Фарадея (с натрием). Как выяснилось, аммиак получился недостаточно сухим.

Первоначально все шло нормально. Полученный комплекс был нагрет в запаянной трубке, жидкий аммиак сконденсировался в холодном колене, однако внезапно трубка взорвалась. Опыт делали на улице, так что взрыв обошелся без последствий (не считая потери 3.0 г хлорида серебра). Видимо, причиной взрыва стала капля воды, коснувшаяся нагретого стекла.