Khimia_002
.pdf
утворені катіони Н+ та Cl– переходять у розчин, де катіон Гідрогену приєднується до молекули води:
Н2О + Н+ = Н3О+ (катіон гідроксонію)
Примітка: записуючи рівняння реакцій йонного обміну за участю кислот, зазвичай записують Н+, а не Н3О+.
Для тих, хто вивчає хімію на академічному рівні
Застосування й загальна схема добування амоніаку в промисловості. Амоніак у великій кількості викорис" товують для виробництва нітратної кислоти, мінераль" них добрив, вибухових речовин, пластмас, в агрегатах холодильних установок тощо. На задоволення потреб вітчизняної хімічної промисловості в амоніаці, а також з метою експорту його до багатьох країн світу працюють відкриті акціонерні товариства «Азот» (м. Черкаси), «Концерн Стирол» (м. Горлівка Донецької обл., де в 1933 р. став до ладу перший в Україні завод з виробниц" тва синтетичного амоніаку), Одеський припортовий завод (селище Южне Одеської обл.), Сєвєродонецьке об’єднання «Азот» (Луганська обл.), «Рівнеазот» (м. Рівне), «Дніпроазот» (м. Дніпродзержинськ Дніпро" петровської обл.).
Хімічні виробництва зазвичай характеризують за та" ким планом: 1) сировина; 2) апарати й установки, де від буваються хімічні реакції; 3) хімізм виробничого процесу;
4)продукція виробництва.
1.Сировина. Амоніак у промисловості синтезують з азоту та водню. Азот добувають із повітря. Для цього повітря зріджують (за допомогою охолодження й ви" сокого тиску переводять у рідкий стан). Зріджене повіт" ря нагрівають, першим з нього випаровується азот (тем" пература кипіння –196 °С), а кисень (температура кипін" ня –183 °С) та решта газів залишаються в рідкому стані.
Основну масу водню добувають з природного газу, який у спеціальних установках при температурі +800 °С піддають взаємодії з водою:
СН4 + Н2О = СО + 3Н2
51
2. Апарати та установки. Завод з виробництва амо ніаку — складний комплекс, основна установка якого — колона синтезу (рис. 17), де за добу виробляють майже 1500 т амоніаку. Це міцна споруда з корозійностійкої ста лі висотою 20–22 м і радіусом трохи більше 1 м. Усереди ні корпусу колони містяться теплообмінник і каталіза торна коробка.
Рис. 17. Завод з виробництва амоніаку (зліва — колона синтезу)
3. Хімізм виробництва амоніаку. На перший погляд взаємодія азоту з воднем може видатися простою реак цією сполучення, яких існує доволі багато. В дійсності ж цю реакцію тривалий час не могли здійснити в промис лових масштабах, бо вона належить до екзотермічних, оборотних, каталітичних реакцій, супроводжується зменшенням об’єму газуватих речовин:
|
t, кат., тиск |
N2 + 3H2 |
2NH3, Н = –92 кДж |
Німецькому вченому Фішеру Габеру все ж вдалося розробити оптимальні умови добування амоніаку, ураховуючи всі зазначені особливості реакції. Щоб зро зуміти всю складність вибору оптимальних умов, наведе мо лише один приклад: перед тим, як застосувати порис те залізо з домішками алюміній оксиду та калій оксиду як каталізатор, були випробувані понад 20 тис. різних ре човин. Відтепер синтез амоніаку здійснюють за темпера тури +500–550 °С, тиску 20–25 МПа та з використанням заліза як каталізатора.
52
За одне проходження азото водневої суміші через ко лону синтезу реагує майже 20 % суміші. Щоб досягти рентабельності виробництва, суміш газів, що не про реагували, циркулює через колону декілька разів.
4. Продукція. Продуктом цього виробництва є амо ніак, який на виході з колони синтезу перебуває в газу ватій суміші з азотом і воднем. Суміш охолоджують, амоніак переводять у рідкий стан і відділяють від азоту та водню. Його зберігають у рідкому стані в спеціальних посудинах. Транспортують у сталевих балонах, за лізничних та автомобільних цистернах, спеціальних танкерах (по воді), а також по трубопроводах.
Запитання і завдання для самоконтролю знань
1.На прикладі неметалічних елементів VI групи з’ясуйте, чи змі нюється валентність елементів однієї підгрупи в летких водневих сполуках.
2.Складіть формули сполук неметалічних елементів, утворених атомами:
а) Фосфору та Гідрогену; б) Йоду і Гідрогену. Напишіть рівняння їх одержання з простих речовин.
3.Порівняйте будову молекул і властивості хлороводню й амо
ніаку.
4.Обчисліть об’єм (н. у.), який займає амоніак масою 6,8 г, та кількість атомів і молекул у цій його порції.
5.Де більше молекул: у порції хлороводню масою 73 г чи в порції амоніаку кількістю речовини 2 моль?
6*. Який об’єм амоніаку синтезували з азоту та водню, якщо утво рена суміш газуватих речовин має на 10 л менший об’єм, аніж почат кова? Усі виміри зроблено за однакових умов.
7*. Обчисліть масову частку хлороводню в хлоридній кислоті, одержаній розчиненням 500 л гідроген хлориду (н. у.) в 1 л води.
53
§7. Солі амонію. Якісні реакції на йон амонію та хлорид%іон
Поняття про солі амонію. Те, що амоніак і хлороводень — речо вини з різними властивостями, доводить також їх взаємодія між со бою.
Виконаємо демонстраційний дослід. Ополоснемо одну чисто вимиту колбу концентрованим розчином амоніаку, іншу — кон центрованою хлоридною кислотою (рис. 18а). З’єднаємо отвори колб, як показано на рисунку 18б. Спостерігатимемо, як колби починають заповнюватися білим «димом» — такий вигляд мають дрібні кристалики амоній хлориду — продукту реакції сполучення цих двох летких водневих сполук неметалів:
NH3 + НCl = NH4Cl (амоній хлорид)
а |
б |
Рис. 18. Взаємодія амоніаку з гідроген хлоридом
У цій реакції катіони Гідрогену, на які дисоціював НCl, приєд налися до молекул амоніаку й утворили амоній катіони NH+4 .
Катіон NH+4 має радіус, близький до радіуса катіону Калію, і подібно до нього може утворювати солі, що дістали назву солі амонію. Назва цих солей складається зі слова «амоній» і назви кислотного залишку в називному відмінку, наприклад:
NH4NO3 — амоній нітрат (NH4)2SO4 — амоній сульфат
Солі амонію — кристалічні, добре розчинні у воді сполуки, сильні електроліти.
54
Хімічні властивості солей амонію.
1. Розкладання при нагріванні. Солі амонію — нестійкі до нагрівання, навіть незначного:
t°
(NH4)2SO4 = 2NH3 + H2SO4
t°
(NH4)2СO3 = 2NH3 + Н2О + СО2
2. Електролітична дисоціація. Майже всі солі амонію є силь ними електролітами, що у водних розчинах дисоціюють з утворен ням катіонів амонію й аніонів відповідних кислотних залишків:
(NH4)2SO4 = 2NH +4 + SO24–
3. Взаємодія з лугами (у розчині відбувається дуже швидко):
(NH4)2SO4 + 2КОН = К2SO4 + 2NH4ОН
2NH+4 + SO24– + 2К+ + 2ОН– = 2К+ + SO24–+ 2NH3 + 2Н2О 2NH+4 + 2ОН– = 2NH3 + 2Н2О
NH+4 + ОН– = NH3 + Н2О
Амоніак, який виділяється при цьому, виявляють за допомогою зволоженого індикаторного папірця.
Якісна реакція на йони амонію. А як взаємодіятимуть із луга ми інші солі амонію? Щоб відповісти на це запитання, проведемо демонстраційний дослід. Візьмемо розчин амоній карбонату й по діємо на нього розчином калій гідроксиду (рис. 19). Реакція відбу вається відразу й супроводжується виділенням газоподібного продукту. Спрямувавши до себе легким рухом руки повітря від
отвору стакана, де проводили реак |
|
|
цію, відчуємо запах амоніаку. Зволо |
|
|
жений лакмусовий папірець, підне |
|
|
сений до отвору стакана, набуває си |
|
|
нього забарвлення (рис. 19). Калій |
|
|
гідроксид не міг вплинути на нього, |
|
|
оскільки це нелетка сполука. Тож |
|
|
зміна кольору індикатору є резуль |
|
|
татом дії на нього амоній гідроксиду, |
|
|
що утворився з амоніаку й води, |
Рис. 19. Якісна реакція |
|
якою був змочений папірець. |
||
на йон амонію |
55
Напишемо молекулярне, повне та скорочене йонні рівняння проведеної реакції:
(NH4)2СO3 + 2КОН = К2СO3 + 2NH3 + 2Н2О
2NH+4 + СO23– + 2К+ + 2ОН– = 2К+ + СO23–+ 2NH3 + 2Н2О 2NH +4 + 2ОН– = 2NH3 + 2Н2О
NH +4 + ОН– = NH3 + Н2О
Повторимо дослід, але з іншою сіллю амонію — амоній орто фосфатом (NH4)3РО4. Як і в попередній реакції, виявимо утворен ня амоніаку. Запишемо рівняння проведеної реакції в йонно моле кулярній формі:
(NH4)3РО4 + 3КОН = К3РО4 + 3NH3 + 3Н2О
3NH+4 + РO34– + 3К+ + 3ОН– = 3К+ + РO34– + 3NH3 + 3Н2О
Скоротивши відразу коефіцієнти перед йонами, напишемо ско рочене йонне рівняння:
NH +4 + ОН– = NH3 + Н2О
Тож і в цьому досліді взаємодія солі амонію з лугом супрово джується виділенням амоніаку.
Порівняйте скорочені йонні рівняння реакцій амоній сульфату, амоній карбонату, амоній ортофосфату з лугами. Однакові вони чи різні?
Порівняння дає змогу стверджувати, що, незалежно від того, яка сіль амонію взаємодіє з лугом, реакція відбувається за однако вим скороченим йонним рівнянням:
NH+4 + ОН– = NH3 + Н2О
Реакції, що дають змогу виявити конкретну речовину чи сполу ки одного класу або одного катіону чи аніону, дістали назву якісні реакції. Вони відбуваються за одним і тим самим скороченим рівнянням.
Якісною реакцією на солі амонію (амоній–катіони)
євзаємодія з розчином лугу. Реакція супроводжується виділенням амоніаку, який виявляють за запахом
або посинінням зволоженого індикаторного папірця. Скорочене йонне рівняння якісної реакції таке:
NH+4 + OH– = NH3 + H2O
56
Ознайомлюючись у 9 класі з найважливішими органічними спо луками, ви вже проводили якісні реакції з виявлення ненасиче них вуглеводнів, гліцерину, глюкози, сахарози, крохмалю. Пригадайте та назвіть їх.
За допомогою якісних реакцій можна також виявляти аніони. Проведемо демонстраційний дослід, у якому до хлоридної кислоти додамо кілька крапель розчину аргентум(І) нітрату (розчини солей Аргентуму чутливі до дії світла, тому їх зберігають у посуді з тем ного скла). Відразу спостерігатимемо випадання сирнисто білого осаду. 
Повторимо демонстраційний до+ слід, але вже з розчином кальцій хлориду (рис. 20). Результат буде аналогічний першому.
Щоб зрозуміти, який з продуктів реакції випадає в осад, напишемо молекулярні та йонні рівняння проведених реакцій обміну:
НCl + AgNO3 = AgCl + НNO3
H+ + Cl– + Ag+ + NO–3 = AgCl + H+ + NO–3
Ag+ + Cl– = AgCl
СaCl2 + 2AgNO3 = 2AgCl + Сa(NO3)2
Сa2+ + 2Cl– + 2Ag+ + 2NO–3 = 2AgCl + Сa2+ + 2NO–3 Ag+ + Cl– = AgCl
З рівнянь бачимо, що обидві реакції відбуваються за одним і тим самим скороченим йонним рівнянням, а серед продуктів обох реакцій нерозчинною речовиною є лише аргентум(І) хлорид AgCl.
Якісною реакцією на хлорид%іони (хлоридну кислоту та її солі) є взаємодія з розчином аргентум(І) нітрату. Реакція супроводжується випаданням сирнисто білого осаду нерозчинної у воді та в сильних кислотах солі аргентум(І) хлориду AgCl.
Скорочене йонне рівняння якісної реакції таке:
Ag+ + Cl– = AgCl
На уроках хімії в основній школі вам часто доводилося виявляти наявність лугу в розчині. Як ви це робили? Самостійно сформу люйте висновок про якісну реакцію на гідроксид аніони.
57
Потренуйтеся в проведенні якісних реакцій, виконавши лабо+ раторні досліди 2 і 3, інструкцію з виконання яких подано в рубри ці «Досліджуємо речовини та їх властивості».
Застосування солей амонію. Солі амонію широко застосовують як нітрогеновмісні добрива (амоній нітрат, амоній сульфат), як ком поненти вибухових сумішей (амоній нітрат), у виробництві сухих гальванічних елементів, при паянні (амоній хлорид, або нашатир), у хлібопекарському та кондитерському виробництвах (амоній гідрогенкарбонат).
Досліджуємо речовини та їх властивості
Лабораторний дослід 2. Виявлення хлорид%іонів у
розчині.
Налийте в пробірку 1 мл розчину амоній хлориду, до дайте 2–3 краплі розчину аргентум(І) нітрату. Що спо стерігаєте?
Запишіть у зошитах йонно молекулярні рівняння проведеної вами реакції.
Чи підтвердили результати дослідження здобуті ва ми знання про якісну реакцію на хлорид іони?
Лабораторний дослід 3. Виявлення йонів амонію в
розчині.
Завдання 1. Налийте в пробірку 1 мл розчину амоній хлориду. Додайте до нього 1 мл розчину натрій гідрокси ду. До отвору пробірки піднесіть зволожений індикатор ний папірець. Що спостерігаєте?
Поясніть результат спостереження, запишіть у робо чий зошит молекулярне та йонні рівняння проведеної ва ми реакції.
Чи підтвердили результати дослідження здобуті ва ми знання про якісну реакцію на амоній катіони?
Завдання 2. Закріпіть уміння експериментально визначати кислоти, хлорид аніони, амоній іони в проце сі розв’язування експериментальних задач.
Задача 1. У якій з пробірок без етикеток міститься хло ридна кислота, а в якій — розчин її солі кальцій хлориду?
Задача 2. У якій з пробірок без етикеток містяться розчини амоній гідроксиду, амоній хлориду та натрій хлориду?
Одержані результати, молекулярні та йонні рівняння проведених реакцій запишіть у робочий зошит.
58
Для тих, хто вивчає хімію на академічному рівні
Розрахункові задачі: Обчислення виходу продукту реакції від теоретично можливого.
Через неминучі виробничі втрати маса (об’єм чи кількість речовини) продуктів реакції менша порівняно з обчисленими за рівнянням реакції. Тому одержану в дійсності продукцію назвали практичним виходом, а обчислену за рівнянням реакції, тобто без урахування виробничих втрат, — теоретичним виходом.
Теоретичний вихід продукту реакції дорівнює 100 %, тоді як практичний — завжди менший за 100 %.
Для хімічного виробництва важливим є обчислення масової η (ета) та об’ємної ϕ (фі) часток виходу продук ту реакції.
Масова частка практичного виходу η — це відношення маси практично одержаного продукту реакції до його маси, обчисленої за рівнянням реакції:
η= mпракт. , або η = mпракт. · 100 % mтеор. mтеор.
Об’ємна частка практичного виходу ϕ — це відношення об’єму практично одержаного продукту реакції до його об’єму, обчисленого за рівнянням реакції:
ϕ = Vпракт. , або ϕ = Vпракт. · 100 %
Vтеор. Vтеор.
Масову й об’ємну частки практичного виходу обчис люють у частках від 1 або у відсотках від 100.
Розглянемо приклади.
Задача 1. Із водню масою 180 г синтезували амоніак масою 1000 г. Обчисліть масову частку практичного ви ходу продукту реакції.
Ро з в’ я з а н н я
1.Запишемо скорочений запис умови задачі.
Дано:
mH2 = 180 г mNH3 = 1000 г
η — ?
59
2. Запишемо рівняння реакції:
N2 + 3H2 = 2NH3
3 моль 2 моль
3. За рівнянням реакції обчислимо масу теоретично го виходу продукту реакції:
а) νH2 = 180 : 2 = 90 (моль);
б) оскільки νH2 : νNH3 = 3 : 2, то νNH3 становить 60 моль; νNH3 = 903 · 2 = 60 (моль);
в) mNH3 = 60 · 17 = 1020 (г).
4. Обчислимо масову частку практичного виходу продукту реакції:
η= mпракт. = 1000 г = 0,98, або 98 %
mтеор. 1020 г
Відповідь: масова частка практичного виходу продук ту реакції становить 98 %.
Задача 2. З азоту об’ємом 10 м3 одержали амоніак об’ємом 16,4 м3. Обчисліть об’ємну частку практичного виходу продукту реакції, якщо всі виміри зроблено за од накових умов.
Ро з в’ я з а н н я
1.Запишемо скорочений запис умови задачі.
Дано:
νΝ2 = 10 м3
νΝΗ3 = 16,4 м3
ϕ — ?
2. Запишемо рівняння реакції:
N2 + 3H2 = 2NH3
3. Обчислимо теоретичний вихід продукту реакції. Оскільки всі речовини перебувають у газоподібному
стані, скористаємося законом об’ємних відношень газів:
N2 + 3H2 = 2NH3
1V 2V
Як бачимо, об’єм амоніаку вдвічі більший за об’єм азоту й дорівнює 20 л (10 · 2 = 20).
60