Действие аммиака на металл
Обновлено: 17.05.2024
Цели: формирование общеучебных умений и навыков.
образовательные: изучить строение и свойства аммиака; изучить новый вид связи – водородную; рассмотреть донорно-акцепторный механизм образования химической связи; развить умения по составлению окислительно-восстановительного баланса уравнений реакций, уравнивание МЭБ.
воспитательные: формирование умений работать с учебной и дополнительной литературой по составлению конспекта; провести профориентационную информацию.
познавательные: развивать интерес к предмету, умение высказывать свои мысли, логически рассуждать, соблюдать технику безопасности при встрече с аммиаком в быту.
Технологическая карта урока на столах учащихся (Приложение № 1); оборудование для химического эксперимента (аммиачная вода, кристаллические хлорид аммония и гидроксид кальция, фенолфталеин, лакмусовая бумажка, прибор для получения газов, стеклянные палочки, соляная кислота конц.); компьютерная презентация (Приложение № 2).
1. Организационный момент.
Вначале урока необходимо настроить учащихся на наиболее сложный тип урока-лекцию. Объяснить, что урок проходит строго по плану на столах учащихся и требует от них большой концентрации. Все вопросы, которые необходимо рассмотреть зафиксированы в технологической карте, и в ходе лекции они всегда будут перед глазами и не требуют запоминания. Для лучшего усвоения составляется конспект в технологической карте. В ходе лекции используются различные формы: компьютерная презентация, работа с учебной литературой, демонстрационные опыты.
2. Изучение нового материала.
План лекции (слайд № 2)
1. Состав молекулы аммиака
2. Строение молекулы аммиака
3. Водородная связь
4. Физические свойства аммиака
5. Химические свойства аммиака
а) аммиак-комплексообразователь.
б) аммиак-восстановитель
6. Получение аммиака
7. Применение аммиака
9. Домашнее задание
1. Состав молекулы аммиака
- запишите молекулярную формулу аммиака;
- укажите степень окисления элементов;
- дайте химически верное название и запись формулы аммиака.
NH3 = H3 +1 N -3 нитрид водорода (слайд № 3)
2. Строение молекулы аммиака
- запишите молекулярную, электронную, структурную формулы молекулы аммиака.
- укажите вид химической связи в молекуле и способы образования,
- укажите смещение электронной плотности к более электроотрицательному элементу.
NH3 - молекулярная формула
ковалентная полярная связь, одинарная, по обменному механизму.
3. Водородная связь
Учитель акцентирует внимание ребят на неподеленной электронной паре атома азота, сдвиге электронной плотности в сторону гораздо более электроотрицательного атома азота и возникновении в молекуле аммиака на атоме азота частично отрицательного заряда, а на атоме водорода частично положительного.
Учитель знакомит учащихся с новым для них видом химической связи – водородной связью, которая возникает между молекулами аммиака.
Отметьте особенности водородной связи:
1) между какими атомами возникает связь;
2) силу связи по сравнению с другими видами связи;
3) условное обозначению водородной связи;
4) следствие образования водородной связи в соединении.
- слабее ковалентной связи в 10 – 20 раз;
- условно обозначается тремя точками;
- вещества с водородной связью обладают хорошей растворимостью в воде, повышается их температура кипения и плавления. (слайд № 6)
4. Физические свойства аммиака
- изучите физические свойства аммиака по учебнику;
- рассчитайте его плотность по воздуху Dвозд = 29/МNН3;
- предложите способ собирания газа в лабораторных условиях.
NH3 – газ без цвета, с резким запахом, почти в два раза легче воздуха, при охлаждении до -33,6 о С он сжижается, а при температуре -77,8 о С превращается в твердое белое вещество, хорошо растворим в воде. (слайд № 7)
Учитель разъясняет ребятам, что поскольку аммиак легче воздуха, то при выделении он будет улетать вверх. Поэтому, для того чтобы собрать аммиак, пробирку необходимо держать перевернутой дном. (слайд № 8)
Учащиеся делают вывод, что при растворении аммиака в воде образовалась щелочь, т.к. фенолфталеин окрасился в малиновый цвет.
Учитель демонстрирует учащимся аммиачную воду (25% раствор аммиака) и нашатырный спирт (10% раствор аммиака). Напоминает, как правильно обращаться с растворами сильно пахнущих веществ.
5. Химические свойства аммиака
Особое внимание уделяется химическим свойствам аммиака:
а) аммиак – комплексообразователь
необходимо рассказать об особом ионе – ионе аммония NH4 +. Отметить его уникальность: ион, образованный только неметаллами, играет роль металла. Разъяснить, что ион аммония, так же как ионы металлов образует свои соли. (слайд № 10)
• Запишите уравнение реакции взаимодействия аммиака с соляной кислотой:
аммиак + соляная кислота = хлорид аммония,
• Рассмотрите механизм реакции.
• Отметьте образование ковалентной полярной связи по донорно-акцепторному механизму (по учебнику)
Аммиак – комплексообразователь. (слайд № 11)
б) Аммиак – восстановитель (в реакциях окисления).
• Запишите уравнение реакции горение аммиака:
аммиак + кислород = азот + вода
• Составьте электронный баланс к этому уравнению.
1) Окисление аммиака без катализатора. (слайд № 12)
2) Окисление аммиака в присутствии катализатора
• Запишите уравнение реакции каталитического окисления аммиака:
аммиак + кислород = оксид азота (II) + вода.
Составьте электронный баланс к этому уравнению. (слайд № 13)
6. Получение аммиака
В промышленности аммиак получают прямым синтезом из простых веществ – азота и водорода. Реакция идет только в присутствии катализатора, при температуре 500 о и повышенном давлении.
• Запишите уравнение реакции получение аммиака:
а) в промышленности (дайте классификацию реакции по всем известным признакам и предложите оптимальные условия проведения реакции);
б) в лаборатории (отметьте способы распознавания аммиака).
а) в промышленности
Р соединения, экзотермическая, гомогенная, обратимая, окислительно-восстановительная, каталитическая. (слайд № 14)
б) в лаборатории получают действием щелочей на соли аммония
Собирание - в перевернутую кверху дном пробирку. (слайды № 15, 16)
Распознавание аммиака:
б) по посинению влажной лакмусовой бумажки
в) по появлению белого дыма от поднесенной стеклянной палочки, смоченной HCl (конц.) (слайд № 17)
7. Применение аммиака
Учитель предлагает учащимся самостоятельно ознакомиться с применением аммиака по схеме в учебнике.
1) в холодильных установках;
2) в медицине и быту;
3) для производства азотной кислоты, солей аммония;
4) как удобрение (слайд № 18)
Профориентационная информация. Растворы аммиака довольно широко используются в медицине. Разведенный раствор аммиака, издавна называемый нашатырным спиртом, дают нюхать при обморочных состояниях и алкогольном опьянении; при этом происходит рефлекторное возбуждение сердечной деятельности и центра дыхания. При тяжелом алкогольном отравлении практикуют прием внутрь слабых растворов аммиака (3 капли на полстакана).
Более слабые растворы аммиака дают отхаркивающий эффект (нашатырно-анисовые капли).
Местнораздражающее действие аммиака используют для приготовления препаратов, применяемых как отвлекающие средства (при артритах, невралгиях и т.п.).
Хлористый аммоний – белый кристаллический порошок. Слегка гигроскопичен. Имеет солоноватый вкус, легко растворим в воде. Применяется в качестве диуретического и отхаркивающего средства.
8. Закрепление.
Для закрепления предлагается решить фронтально ряд задач:
1) При синтезе аммиака промышленном способом азот объемом 56 л. (н.у.) прореагировал с водородом взятом в избытке. Массовая доля выхода аммиака составила 50%. Рассчитайте объем и массу полученного аммиака.
2) Какая масса хлорида аммония получится при взаимодействии 3 моль аммиака с соляной кислотой?
3) Какой объем кислорода потребуется для сжигания 34 г. аммиака? (слайд № 19)
9. Домашнее задание
П. 25, упр. 1-6 (устно), 7-8 (письменно), повторить конспект (слайд № 20)
1. Габриелян О.С. Настольная книга учителя химии 9 класс, М., 2001, “Блик и К о ”.
Коррозионное разрушение
Особую опасность представляет высокая агрессивность аммиака, воздействующего на медь, серебро, цинк и другие металлы и сплавы. Чугун и сталь наиболее пригодны в качестве материалов для изготовления оборудования и трубопроводов, предназначенных для аммиака. Однако безводный аммиак оказывает сильное коррозионное воздействие на стальные трубопроводы в присутствии двуокиси углерода и воздуха. Для предотвращения коррозионного растрескивания углеродистой стали сжиженный аммиак, транспортируемый по трубопроводам, должен содержать не менее 0,2% (масс.) воды. При меньшем содержании воды в аммиаке в присутствии воздуха возможно коррозионное растрескивание. Для транспортирования сжиженного аммиака применяют трубы, химический состав которых соответствует определенным требованиям. Трубы для аммиакопровода должны изготовляться по специальным техническим условиям, в которых помимо химического состава должны быть оговорены требования к механическим свойствам металла и сварке, допускам толщин стенок, диаметров труб и т. д.
Известные до настоящего времени случаи отказов магистральных газопроводов по причине стресс-коррозии были вызваны развитием продольных трешин. Однако, как показали проведенные нами исследования, в двух случаях разрушения были вызваны развитием поперечных трешин, зарождение и развитие которых инициировалось под воздействием высоких изгибающих напряжений в стенке трубопровода на аварийном участке. Об этом свидетельствует обнаруженная гофра, расположенная на диаметрально противоположной очаговой зоне поверхности трубы. Потеря устойчивости трубы с образованием подобных гофр всегда является признаком достижения металлом трубы предельного состояния и развития высоких пластических деформаций в ее стенке. Причем на диаметрально противоположной гофре поверхности это вызывает появление .продольных растягивающих напряжений, превышающих предел текучести стали, которые в сочетании с воздействием коррозионной среды вызывают коррозионное растрескивание металла. Такой "поперечный" тип стресс-коррозии является следствием нарушения строительно-монтажных норм укладки газопровода на аварийном участке, приведшего к возникновению высоких продольных растягивающих напряжений на нижней образующей трубы. Этот неизвестный до настоящего времени тип стресс-коррозии может вызвать разрушение газопровода не только в 20-30 км зоне за компрессорной станцией, айв других местах трассы со сложным рельефом. Для предотвращения разрушений нами был дан ряд рекомендаций.
Причиной образования трех последних, как впрочем, и первой группы, может являться коррозионное растрескивание, усталость или механические повреждения, возникающие по вине производственного персонала.
Известные до настоящего времени случаи отказов магистральных газопроводов по причине стресс-коррозии были вызваны развитием продольных трещин. Однако, как показали проведенные нами исследования, в двух случаях разрушения были вызваны развитием поперечных трещин, зарождение и развитие которых инициировалось под воздействием высоких изгибающих напряжений в стенке трубопровода на аварийном участке. Об этом свидетельствует обнаруженная гофра, расположенная на диаметрально противоположной очаговой зоне поверхности трубы. Потеря устойчивости трубы с образованием подобных гофр всегда является признаком достижения металлом трубы предельного состояния и развития высоких пластических деформаций в ее стенке. Причем на диаметрально противоположной гофре поверхности это вызывает появление .продольных растягивающих напряжений, превышающих предел текучести стали, которые в сочетании с воздействием коррозионной среды вызывают коррозионное растрескивание металла. Такой "поперечный" тип стресс-коррозии является следствием нарушения строительно-монтажных норм укладки газопровода на аварийном участке, приведшего к возникновению высоких продольных растягивающих напряжений на нижней образующей трубы. Этот неизвестный до настоящего времени тип стресс-коррозии может вызвать разрушение газопровода не только в 20-30 км зоне за компрессорной станцией, айв других местах трассы со сложным рельефом. Для предотвращения разрушений нами был дан ряд рекомендаций.
322. Скалли Дж. Коррозионное растрескивание. Там же, с. 83. 108.
• они предназначены для эксплуатации в средах, вызывающих коррозионное растрескивание;
Примечание. Допускается не подвергать термической обработке горячедеформированные днища из аустениткых сталей с отношением внутреннего диаметра к толщине стенки более 28, если они не предназначены для работы в средах, вызывающих коррозионное растрескивание.
Обычно коррозионно-усталостные повреждения, трещины (коррозионное растрескивание) имеют жесткую привязку к концентраторам напряжения в виде царапин, вмятин, сварных швов и т.д.
* Обычно коррозионно-усталостные повреждения, трещины (коррозионное растрескивание) имеют жесткую привязку к концентраторам напряжения в виде царапин, вмятин, сварных швов и т.д.
Межкристаллитная щелочная коррозия в паровых котлах, или как ее иногда называют «каустическая хрупкость металла», «щелочная хрупкость металла» или коррозионное растрескивание, является следствием одновременного' воздействия на металл повышенных местных механических напряжений, достигающих предела текучести и даже превышающих его, и щелочно-агрес-сивной котловой воды, то есть способной вызывать меж-кристаллитное разрушение металла при наличии неплотности в заклепочных швах или вальцовочных соединениях.
Коррозионное разрушение конденсационно-холодильного оборудования охлаждающей водой является одной из причин уменьшения межремонтного пробега установок. Срок службы секций погружных конденсаторов-холодильников из-за интенсивной коррозии составляет 3—5 лет. В последние годы, как у нас в стране, так и за рубежом, в качестве замедлителя коррозии нашли применение соли различных фосфорных кислот. Механизм действия фосфатов заключается в образовании тонкой
Комиссия, расследовавшая аварию, предложила ряд мер по усилению технического надзора за состоянием трубопроводов и аппаратов, работающих в коррозионной среде. Для сокращения сроков периодических осмотров и ревизий трубопроводов было предложено пересмотреть графики на проведение этих работ и внедрить неразрушающие методы контроля трубопроводов. Коррозионное воздействие агрессивных сред на углеродистую сталь, применяемую для изготовления аппаратов и трубопроводов в установках водной очистки, не может быть устранено. Поэтому целесообразно разработать более совершенные способы антикоррозионной защиты металлов и изготавливать оборудование из лепированных сталей. Для действующих установок на основе опыта эксплуатации рекомендовано регламентировать сроки ревизии и замены трубопроводов с тем, чтобы не допускать коррозионное разрушение до аварийного состояния трубопровода.
Опасность абсорбции выхлопных газов была связана с их агрессивным воздействием на материал выхлопных труб, стволы которых были выполнены из пропитанной смолой древесины. Под воздействием окислов азота происходило нитрование древесины, которая после года эксплуатации превращалась в труху. Кроме того, газы вызывали коррозионное разрушение основания трубы, выполненного из углеродистой стали, а также несущих конструкций. В дальнейшем эти трубы были заменены трубами из стали ЭИ-943, обеспечивающими необходимую стойкость установки в течение длительной эксплуатации.
/Высокая агрессивность среды в хлораторе может приводить к коррозионному разрушению трубок теплообменных устройств и попаданию бензола в системы водопровода и холодильные станции, охлаждающие рассол, подаваемый в трубки Фильда. Для предупреждения загораний и взрывов по этой причине применяют обкладку хлоратора свинцом и свинцовые теплообменные трубки. Однако полностью исключить коррозионное разрушение деталей хлоратора не удается, поскольку свинец не является достаточно стойким в этих условиях материалом. Поэтому для предупреждения аварий, связанных с разгерметизацией и попаданием бензола в воду и рассол, следует строго контролировать содержание бензола в этих охлаждающих агентах.
19.10.70 Коррозионное разрушение вентиля; утечка 2 т жидкого
служба аппаратов и трубопроводов. Коррозионное разрушение часто имеет локальный характер и при достаточной прочности всей конструкции аппарата или системы трубопроводов не может привести к серьезной аварии.
Высокая интенсивность внутренней коррозии оборудования и коммуникаций служит причиной утечки нефти, газа, воды и выделения сероводорода в окружающую среду. Коррозионное разрушение нефтепромыслового оборудования снижает срок его службы, а аварийные изливы и выбросы нефти, сточных вод и газа загрязняют окружающую среду и являются причинами несчастных случаев.
Необходимо постоянно контролировать коррозионное разрушение оборудования, периодически очищать внутренние полости труб, емкостей и арматуры от отложений пирофора, парафина, солей и т. п. без их разборки.
Коррозионное разрушение конструкционных материалов оценено по следующей формуле:
с водяным паром, дает 15 л 4%-ной соляной кислоты. Пары соляной кислоты вместе с другими продуктами горения разносятся на значительные расстояния от очага пожара, проникают внутрь помещений и конденсируются на оборудовании и приборах, вызывая их коррозионное разрушение. Удаление продуктов
Аммиак. Отгаданные загадки
Будет ли аммиак реагировать с металлами? У атома азота в этом соединении формально восемь внешних электронов (пять своих и три оттянуты от атомов водорода), а металлы стремятся свои валентные электроны отдать. С одной стороны, атому азота уже некуда их принять. С другой – в аммиаке есть атомы водорода, частично обедненные электронами, т. е. имеющие возможность принять их.
Известно, что активные металлы вытесняют водород из воды, а чем аммиак хуже? Ну только разве тем, что аммиак газообразен при температурах выше его точки кипения, равной –33,4 °С. Соответственно газ NH3 рассредоточен в пространстве, и требуется дополнительный подогрев, чтобы реакция пошла. Именно накаливанием металлов в атмосфере аммиака чаще всего и получают нитриды. (Нитриды – это соединения, состоящие из двух элементов, один из которых азот, причем атомы азота имеют в этом соединении отрицательный заряд.) Например:
2. Реакции с неметаллами.
Формальная степень окисления азота в аммиаке –3. Следовательно, аммиак может реагировать с кислородом (и другими окислителями!), увеличивая при этом степень окисления азота, т. е. отдавая электроны. Однако на пути к положительным степеням окисления находится нулевая – простое вещество азот, как мы уже выяснили, необычайно устойчиво.
Можно предположить, что при реакции аммиака с кислородом будут образовываться азот и вода. Именно так и происходит в действительности. Следует добавить, что аммиак горит только в чистом кислороде, а не на воздухе:
Как быть, если надо получить из аммиака оксиды азота? Вспомним о катализаторах – веществах, которые ускоряют реакцию или меняют ее направление. Катализаторы используют и при получении оксидов азота из аммиака и кислорода. Реакцию каталитического окисления проводят на металлической платине:
Интересна реакция аммиака с другим простым веществом – озоном, более агрессивным окислителем, чем кислород. Озон переводит азот из степени окисления –3 в степень окисления +5. Но не весь! В результате получается нитрат аммония:
3. Реакция с водой.
Мы уже говорили о хорошей растворимости аммиака в воде. Но почему фенолфталеин становится в таком растворе малиновым? Загадка?
Попробуем разобраться, откуда появилась в растворе щелочная среда. Для начала вспомним теорию электролитической диссоциации. В водных растворах все ионы и молекулы гидратированы – окружены «шубой» из молекул воды, сориентированных соответствующим образом: к атомам водорода потянулись «кислородные половинки», а к атому азота – «водородная половинка» (рис. 5).
Рис. 5. Аммиак в воде:
атом азота – черный шар; атомы кислорода – большие белые шары; атомы водорода – малые белые шары
В какой-то момент образовалась конструкция Н3N•••НОН. Далее, известно, что вода слабо, но диссоциирует по реакции:
Поскольку электроотрицательность кислорода больше, чем азота, связь кислорода с водородом полярнее, чем связь азота с водородом. Можно предположить, что равновесие в реакции диссоциации гидратированной молекулы аммиака будет больше смещено в сторону образования ионов (по сравнению с водой):
В растворе появляется весьма ощутимый избыток ионов ОН – , и фенолфталеин сигнализирует об этом малиновой окраской. Стоит подчеркнуть, что все эти реакции обратимые. Поэтому вместе со щелочной реакцией среды (правая часть уравнения) растворы аммиака обладают еще и характерным запахом аммиака, выделяющегося из раствора (левая часть уравнения), и заметным количеством нестойкого гидратированного молекулярного аммиака (это подтверждается, например, реакциями образования аммиачных комплексов с ионами металлов).
4. Реакции с кислотами.
Как слабое, но все же основание, водный раствор аммиака реагирует с кислотами с образованием соли и воды:
Соли аммония, подобно солям натрия и калия, хорошо растворяются в воде, но при этом частично гидролизуются:
С кислотами реагирует и газообразный аммиак, причем не только с растворами, но и с газообразными кислотами. В лабораториях, в которых работают с растворами соляной кислоты и аммиака, постоянно появляется белый налет на окружающих предметах. Даже небольших количеств аммиака и хлороводорода в воздухе достаточно для протекания реакции:
5. Реакции со щелочами.
Газообразный аммиак со щелочами не реагирует. А вот водный раствор аммиака «откликается» на добавление щелочи. Поскольку при растворении аммиака в воде протекает обратимая реакция образования иона аммония и гидроксид-иона, то добавление последнего в раствор смещает равновесие, растворимость аммиака уменьшается (а интенсивность запаха соответственно увеличивается):
NН4OH + NaOH = NH3 + H2O + NaOH.
Физические свойства аммиака в цифрах
Молярная масса M(NH3) = 17 г/моль. Температура плавления равна –78 °C, температура кипения –33 °С. Плотность газообразного аммиака при нормальных условиях (0 °С, 1 атм) 0,771 г/л (аммиак легче воздуха почти в два раза). Растворимость при атмосферном давлении и 0 °С около 90 л (!) газа в 100 г воды, при 20 °С – 65 л в 100 г воды.
При сравнении физических свойств аммиака и азота в первую очередь обращает на себя внимание температура кипения. Почему у аммиака она настолько выше? У азота – почти –200 °С, а у аммиака – только –33 °С. Загадка? Попробуем отгадать.
Для начала сопоставим температуры кипения соединений с водородом элементов V, VI и VII групп главных подгрупп периодической системы (рис. 6).
Рис. 6. Графики зависимости температур кипения
водородных соединений элементов V( · ), VI( C )и VII( Д ) групп
главных подгрупп от номера периода (массы атома)
Если экстраполировать графики такой зависимости, можно оценить, какими должны бы быть эти температуры, исходя из общей закономерности. Из графика видно, что аммиак, вода и фтороводород имеют аномально высокие температуры кипения: аммиак – примерно на 50 °С выше «теоретической», фтороводород – на 100 °С, а вода – на 160 °С. Во-первых, видно, что аммиак не одинок, а во-вторых, вспоминается, что у азота, кислорода и фтора самая высокая электроотрицательность. Значит, и связи этих элементов с водородом самые полярные. Водород в таких соединениях почти без электрона и поэтому сильно притягивается к неподеленным парам электронов, которые есть и у азота, и у кислорода, и у фтора. Образуются водородные связи. Они, конечно, слабее обычных ковалентных связей, но их много. И это «много» многое значит.
Водородные связи играют в природе огромную роль. Например, спираль из двух молекул ДНК образуется только за счет водородных связей. Такие связи сравнительно легко разрываются, когда происходит считывание информации с определенного участка ДНК. Когда водородных связей много, получается крепкое связывание в целом.
В заключение стоит сказать, что связь водорода с фтором полярнее, чем связь азота с водородом, и соответственно притяжение сильнее, а температура кипения HF выше, чем NH3. У воды же самая высокая температура кипения из этой троицы, потому что молекулы воды образуют водородные связи сразу «двумя руками» – две неподеленные пары электронов и два атома водорода в каждой молекуле! Аммиак и фтороводород по своему строению «однорукие».
Химические свойства аммиака (дополнение)
Аммиак сам по себе устойчив и разлагается только при очень высоких температурах. Но если проводить нагревание в присутствии обыкновенного железа, он разлагается на азот и водород при значительно более низких температурах. Интересно, что при каталитическом разложении небольшая часть аммиака всегда остается в смеси газов, независимо от времени и температуры проведения реакции. Именно этот факт подсказал ученым мысль о возможности связывания атмосферного азота через аммиак. Действительно, логично предположить, что разложение аммиака – процесс обратимый, тогда изменением условий и подбором катализатора можно сместить процесс в сторону образования аммиака до такой степени, что это станет выгодно для его промышленного получения.
Еще немного о реакциях аммиака с простыми веществами. Интересны реакции аммиака с галогенами. Йод не может изменить степень окисления азота! Он просто сам диспропорционирует:
Нитрид йода (по названию понятно, что у йода в этом соединении степень окисления положительная), или иначе йодистый азот, в сухом виде разлагается со взрывом даже от простого сотрясения.
Бром и хлор могут отнять у азота только по три электрона, переведя в простое вещество. И только фтору под силу перевалить через эту сверхустойчивую нулевую степень окисления азота. Получается трифторид. И это максимально возможный, просто потому, что у атомов второго периода нет «запасных» орбиталей. Не бывает поэтому и пятивалентного азота!
Жидкий аммиак – хороший растворитель. Реакции в жидком аммиаке идут по тем же законам, что и в воде, а вот растворимость в воде и в жидком аммиаке у соединений различная. Например, реакция
в воде идет в сторону образования нерастворимого бромида серебра, а в жидком аммиаке – в сторону образования нерастворимого бромида бария.
Из жидкого аммиака, как и из воды, активные металлы вытесняют водород. Например, реакция с цезием протекает за несколько минут:
А вот аналогичная реакция с натрием протекает значительно дольше. При этом образуется сольватированный электрон! (Сольватация – процесс, аналогичный гидратации, только в других растворителях.)
Экологические свойства аммиака
Аммиак – активное и «едкое» соединение (едкость кислот и щелочей проявляется в том, что большие количества ионов Н + или ОН – разъедают живую ткань растений, животных и, естественно, человека; впрочем, неживую «ткань» они тоже разъедают). Однако если заменить в аммиаке один, два или все три атома водорода на органические радикалы, то «едкость» существенно снижается, а основные свойства остаются. Такие соединения выполняют в живой природе функции оснований.
Животные и человек используют уже приготовленные растениями азотсодержащие органические соединения, поэтому для нас с вами аммиак, безусловно, яд. При попадании на кожу концентрированный раствор аммиака вызывает химические ожоги, при вдыхании большого количества аммиака может наступить отек легких – реакция организма на вдыхание почти всех едких веществ.
Однако, как и многие другие яды, в малых дозах аммиак оказывает положительное влияние на организм: 10%-й раствор аммиака в воде используют в медицине для стимуляции дыхания (его не пьют, конечно, а просто дают понюхать), центральной нервной системы и т. п.
В больших количествах аммиак вреден и для растений. Но в небольших количествах он им необходим. Ведь без азота, и в частности без аммиака, не построить те органические соединения, которые потом превращаются в растительные белки, а в дальнейшем – в белки животных. Большим количествам газообразного аммиака растения противостоят по-разному. Некоторые стараются прекратить ему доступ внутрь (например, закрывают устьица на листьях). Другие растения перерабатывают аммиак с помощью соответствующих ферментов в нитрат-ионы, которые для растений не ядовиты, тем самым запасая ценный для своего развития элемент.
Аммиак: получение и 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
Почему аммиачная коррозия характерна для меди и ее сплавов?
Аммиак является важным сырьем для производства азотной кислоты, соли аммония и амина. Аммиак является газом при комнатной температуре и может быть сжижен под давлением. Большинство металлов, таких как нержавеющая сталь, алюминий, магний, титан и т. Д., Имеют отличную коррозионную стойкость к газообразному аммиаку, жидкому аммиаку и аммиачной воде, за исключением меди и других медных сплавов.
Медь - цинковые сплавы, включая темно-синюю латунь и алюминиевую латунь. медные сплавы наиболее подвержены коррозионному растрескиванию под действием аммиака (NH3SCC). Коррозионное растрескивание под действием аммиака в трубках теплообменника из медного сплава характеризуется поверхностным растрескиванием, зелено-голубыми медно-коррозионными комплексами (соединениями) и образованием одиночной или сильно разветвленной трещины на поверхности трубы, которая может быть трансгранулярной или межзерновой. , который в зависимости от окружающей среды и уровня стресса. Жидкая аммиачная коррозия под напряжением образуется, когда среда одновременно удовлетворяет следующим условиям:
- В случаях, когда жидкий аммиак (содержание воды не более 0.2%) может быть загрязнен воздухом (кислород или углекислый газ);
- Рабочая температура выше -5 ℃.
Фактически, кислород и другие окислители, такие как вода, являются важными условиями для коррозии под напряжением меди. Существует большая потенциальная коррозия при переработке нефти из-за примесей в оригинале и присадок в процессе переработки. Типы коррозии, вызванной аммиаком, в том числе:
Коррозия H2S-NH3-H2O
Это в основном определяется концентрацией, расходом и свойствами среды. Чем выше концентрация NH3 и H2S, тем серьезнее коррозия; Чем выше скорость потока жидкости в трубе, тем сильнее коррозия. Низкий расход приводит к отложению соли аммония и локальной коррозии; Некоторые среды, такие как цианид, усиливают коррозию, а кислород (который поступает с закачиваемой водой) ускоряет коррозию.
Аммиачная коррозия серной кислоты в алкилирующей колонне
Чтобы контролировать чрезмерную коррозию системы верха колонны в секции фракционирования, щелочные продукты промывки и промывки реактора очень важны для удаления кислотных примесей. Прецеденты нейтрализующих и пленкообразующих ингибиторов амина иногда использовались в системах верха башни. Чтобы снизить скорость коррозии и минимизировать количество используемого ингибитора, нейтрализующие амины или NH3 могут нейтрализовать конденсат верхнего слоя воды в башне до pH 6-7. Однако в некоторых случаях NH3 может вызвать коррозионное растрескивание под напряжением медных труб морского флота в верхних конденсаторах. ,
Аммиачная коррозия каталитического риформинга
Существует несколько типов коррозионного растрескивания под напряжением в установках каталитического риформинга, одним из которых является коррозионное растрескивание под действием аммиака. NH3 присутствует в стоках реактора предварительной обработки и реактора риформинга и растворяется в воде с образованием аммиака, вызывая быстрое коррозионное растрескивание сплава на основе меди.
Аммиачная коррозия установки замедленного коксования
Оборудование установки замедленного коксования подвержено воздействию низкотемпературных механизмов коррозии, в том числе вызванного аммиаком растрескивания под напряжением сплава на основе меди. Эти механизмы коррозии играют роль в процессе закалки воды, очистки парового кокса и вентиляции воздуха. Но поскольку все коксовые башни обычно имеют вентиляционные трубы и продувочные резервуары, они почти постоянно подвергаются воздействию влажного пара и жидкости.
Пары и жидкости для охлаждения и вентиляции обычно содержат большие количества H2S, NH3, NH4Cl, NH4HS и цианида, которые выделяются в результате реакции термического крекинга сырья на установку коксования. Из-за присутствия NH3 в коксовой установке растрескивание под напряжением, вызванное аммиаком, происходит в трубах из медного сплава при высоком значении pH.
Аммиачная коррозия установки извлечения серы
Подача газа обычно богата H2S и насыщенным водяным паром, а также может быть смешана с углеводородами и аминами, которые могут вызывать проникновение водорода в металл, поэтому следует учитывать риск возникновения трещин, вызванных водородом (включая выпучивание водорода), и сульфидного растрескивания под напряжением ( SSC) в подаче газа. Кроме того, в подаваемом газе может присутствовать NH3, что может вызвать коррозионное растрескивание, вызванное nh3, и цианид также может ускорять скорость коррозии.
Когда массовая доля Zn снижается до менее 15%, коррозионная стойкость сплава Cu-Zn улучшается. SCC в паровой среде иногда можно контролировать, предотвращая попадание воздуха. Чувствительность медных сплавов обычно оценивается путем изучения и мониторинга значения PH проб воды и NH3. Текущий осмотр или визуальный осмотр Эдди можно использовать, чтобы судить о растрескивании пучка теплообменника. Короче говоря, следует избегать использования меди и ее сплавов в производственных процессах с использованием аммиака и жидкого аммиака.
Читайте также: