Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Механизм образования донорно-акцепторной связи в ионе аммония.
|
|
Электронная структура молекулы аммиака:
H
H N
H
Точками обозначены электроны, первоначально принадлежавшие атому азота, а крестиками, принадлежавшие атомам водорода. Из восьми внешних электронов атома азота шесть образуют три ковалентные связи и являются общими для атома азота и атомов водорода. Но два электрона принадлежат только азоту и образуют неподеленную электронную пару. Такая пара электронов тоже может участвовать в образовании ковалентной связи с другим атомом, если во внешнем электронном слое этого атома есть свободная орбиталь. Незаполненная 1S-орбиталь имеется, например, у иона водорода H, вообще лишенного электронов:
1S
+
H
Поэтому при взаимодействии молекулы аммиака NH3 c ионом водорода между ними возникает ковалентная связь; неподеленная пара электронов атома азота становится общей для двух атомов, в результате чего образуется ион аммония NH4+.
H + H
H N + H H N H
H H
Здесь ковалентная связь возникла за счет пары электронов, первоначально принадлежавшей одному атому (донору электронной пары), и свободной орбитали другого атома (акцептора электронной пары).
В рассмотренном примере донор — азот, акцептор — водород.
Водный раствор аммиака обычно обозначают формулой NH4OH и называют гидроксидом аммония.
Щелочная реакция в водных растворах аммиака возникает за счет непосредственного захвата протонов молекулы воды молекулами аммиака. Никаких других химических форм, кроме молекул аммиака, катионов аммония и гидроксид-анионов, в водном растворе не обнаружено.
Катион аммония в пространстве представляет собой тетраэдр, в центре которого находится атом азота, а по вершинам располагаются атомы водорода:
б) с кислотами (в этом случае к молекуле аммиака присоединяется ион водорода кислоты, образуя ион аммония, входящий в состав соли):
NH3 + HCl = NH4Cl — хлорид аммония (нашатырь)
NH3 + HNO3 = NH4NO3 — нитрат аммония
NH3 + H3PO4 = NH4H2PO4 — дигидроортофосфат аммония или однозамещенный ортофосфат аммония.
в) с солями:
AgCl +2 NH3 = [Ag(NH3)2]Cl - аммиакат хлорида серебра - AgCl . 2NH3
CuSO4+4 NH3 = [Cu(NH3)4]SO4 -аммиакат сульфата меди - CuSO4 . 4NH3
Применение аммиака.
Аммиак используется для получения солей аммония, азотной кислоты, азотизации стальных изделий, в медицине, в быту как растворитель, в качестве хладагента в холодильных установках, как азотное удобрение (25% раствор распыляют как жидкое удобрение), в медицине при обмороках.
Соли аммония, применение, свойства.
Соли аммония образуются при взаимодействии аммиака с кислотами.
NH3 + HCl = NH4Cl — хлорид аммония (нашатырь)
NH3 + HNO3 = NH4NO3 — нитрат аммония (аммиачная селитра)
2 NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4 — сульфат аммония
2 NH3 + СO2 + H2O = (NH4)2CO3 — карбонат аммония
H2CO3 
СO2 + H2O
NH3 + H3PO4 = NH4H2PO4 — дигидроортофосфат аммония
2 NH3 + H3PO4 = (NH4)HPO4 — гидроортофосфат аммония
3 NH3 + H3PO4 = (NH4)3PO4 — фосфат аммония
NH4Cl — хлорид аммония (нашатырь) применяется в красильном деле, в ситцепечатании, при паянии и лужении, а также в гальванических элементах Лекланше и медицине. Применение его при паянии основано на том, что он способствует удалению с поверхности металла оксидных пленок, благодаря чему припой хорошо пристает к металлу. При соприкосновении сильно нагретого металла с хлоридом аммония оксиды, находящиеся на поверхности металла, либо восстанавливаются, либо переходят в хлориды. Последние, будучи более летучи, чем оксиды, удаляются с поверхности металла (смотри свойства аммиака — реакции восстановления).
t
4CuO + 2 NH4Cl = 3 Cu + CuCl2 + N2 + 4 H2O
t
NH4Cl NH3 + HCl (возгонка)
NH4NO3 — нитрат аммония (аммиачная селитра) применяется в качестве удобрения, кроме того образует взрывчатые смеси с горючими веществами (аммоналы).
t
NH4NO3 = N2O + 2 H2O
 |  | ||
2 N2 + O2
В состав аммоналов, кроме селитры, входят горючие материалы (алюминий, углерод и др.)
3 NH4NO3 + 2 Al = 3 N2 + Al2O3 + 6 H2O + Q
(NH4)2SO4 — сульфат аммония раньше применялся как азотное удобрение, сейчас снят с производства, т.к. подкисляет почву и ухудшает ее структуру.
(NH4)2CO3 — карбонат аммония применяется в хлебопечении.
2(NH4)2 CO3 = NH4HCO3 + 3NH3 + CO2 + H2O
(NH4)2 CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O
(NH2)2CO — карбамид или мочевина, применяется в сельском хозяйстве в качестве высококонцентрированного азотного удобрения и как добавка к корму жвачных животных. На его основе получают дешевые пластические массы.
Карбамид получают взаимодействием диоксида углерода с аммиаком под давлением:
CO2 + 2 NH3 = (NH2)2CO + H2O
(NH2)2CO + 2H2O = (NH4)2CO3 (в почве)
NH4H2PO4, (NH4)2HPO4 — аммофосы применяются как ценные азотнофосфорные удобрения.
Химические свойства солей аммония.
1. реагируют с кислотами:
(NH4)2CO3 + 2 HCl = 2 NH4Cl + CO2 + H2O
2 NH4Cl + H2SO4 = (NH4)2SO4 + 2 HCl
2. реагируют с другими солями:
NH4Cl + AgNO3 = AgCl + NH4NO3
Ag+ + Cl - = AgCl
(NH4)2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2 NH4Cl
Ba 2+ + SO4 2- = BaSO4
3. при высокой температуре разлагаются (чем слабее кислота, тем быстрее разложение)
t
NH4Cl NH3 + HCl
При охлаждении NH3 снова реагирует с HCl.
(NH4)2Cr2O7 Cr2O3 + N2 + 4H2O
4. реагируют со щелочами (это качественная реакция на соли аммония. При этом выделяется аммиак, который можно определить по запаху или посинению красной лакмусовой бумажки).
 |
NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O
NH4NO3 + KOH = KNO3 + NH3 + H2O
+ -
NH4 + OH = NH3 + H2O
5. соли аммония подвергаются гидролизу:
 |
NH4Cl + HOH NH3 + HCl + H2O
Производство аммиака.
Аммиак образуется при гниении органических веществ, содержащих азот.
В лаборатории его получают:
1. взаимодействием солей аммония со щелочами:
t
2 NH4Cl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2 NH3 + 2 H2O
2. гидролизом нитридов и цианамидов:
 |
Mg3N2 + 6 H2O = 3 Mg(OH)2 + 2 NH3
 |
CaCN2 + 3 H2O = CaCO3 + 2 NH3
В промышленности аммиак получают методом Габера-Боша:
450-550 C, 10- 100 MПа
N2 + 3 H2 2 NH3
Fe, K2O, Al2O3
Сырьем для получения аммиака являются азот и водород. Азот получают из жидкого воздуха, водород из метана:
t 1000 C
CH4 = C + 2 H2 CH4 + H2O = CO + 3 H2
1000 C
CO + H2O = CO2 + H2
Fe2O3
Добавки оксидов калия и алюминия повышают активность и стабильность железного катализатора (активаторы и промоторы).
В настоящее время синтез аммиака проводят в колоннах синтеза, высотой до 20 м. Они сконструированы из особых сортов стали, т.к. синтез проводят при высоких температуре и давлении. Колонна синтеза состоит из двух цилиндров: внутреннего и внешнего. Внешний цилиндр сделан из цельного куска стали, из которого высверливается внутренняя часть. Внутренний цилиндр, в свою очередь, состоит из катализаторной коробки и теплообменника, соединенных патрубком.
Чтобы материал, из которого изготовлена колонна, мог долгое время сохранять прочность при таких условиях работы, в колонне синтеза между цилиндрической коробкой с катализатором и корпусом колонны оставляют щель (зазор). Холодная азотоводородная смесь турбокомпрессором подается в колонну синтеза через эту щель и предохраняет стенки от чрезмерного нагревания. Внутри колонны есть также трубки теплообменника, между которыми в катализаторную коробку подается азотоводородная смесь, которая подогревается за счет выходящего по этим трубкам горячего циркуляционного газа (NH3, H2, N2), т.к. реакция экзотермическая.
Азотоводородная смесь поступает в колонну синтеза сверху, проходит вниз в кольцевом пространстве между стенками основного корпуса и катализаторной коробки и снизу вверх поступает в межтрубное пространство теплообменника. Затем по патрубку проходит в верхнюю часть катализаторной коробки, откуда поступает через слой катализатора сверху вниз и, пройдя по трубам теплообменника, выходит снизу колонны синтеза.
Циркуляционный газ из колонны синтеза подается в холодильник, снабженный " рубашкой", где охлаждается за счет циркуляции воды. Затем смесь поступает в сепаратор, где аммиак сжижается и отправляется на склад. Циркуляционный газ содержит 10 - 12 % аммиака, поэтому, после его отделения, не прореагировавшая смесь азота и водорода вновь отправляется в колонну синтеза помощью циркуляционного компрессора.
Такой технологический процесс, в котором не прореагировавшие вещества отделяются от продуктов реакции и вновь возвращаются в реакционный аппарат, называется циркуляционным.
Основные научные принципы производства аммиака.
1. Оптимальные условия:
а) температура t = 450 - 5500 C (если t< 450 C, то процесс протекает медленно, если t> 5500 C, то идет обратная реакция)
б) давление 10 -100 МПа (наибольшее распространение получили системы, работающие при среднем давлении 30 МПа; в экономическом отношении они наиболее целесообразны),
в) применение катализатора (порошкообразное железо с примесью оксидов алюминия и калия) Необходима тщательная очистка веществ, 1% серы полностью отравляет катализатор.
2. Использование теплообмена в теплообменнике и холодильнике.
3. Принцип циркуляции.
После реакции смесь газов охлаждается. Аммиак, содержащийся в ней, конденсируется и отделяется, а не прореагировавшие азот и водород смешиваются со свежей порцией газов и снова подаются в колону синтеза. Удаление аммиака из реакционной смеси сдвигает равновесие реакции вправо. За счет этого принципа достигают более высокого выхода аммиака и снижения давления.
4. Непрерывность процесса.
5. Автоматизация производства (контрольно-измерительные приборы следят за температурой и давлением).
|