Амоніак і його водний розчин

Амоніак — це сполука Нітрогену з Гідрогеном, формула NH₃. Ступінь окиснення Нітрогену в амоніаку дорівнює −3, що є найнижчим можливим для цього елемента. Молекула NH₃ має форму тригональної піраміди: атом Нітрогену міститься у вершині, а три атоми Гідрогену — в основі. Зв'язки N–H є ковалентними полярними, а на атомі Нітрогену залишається неподілена електронна пара, яка відіграє ключову роль у хімічних властивостях амоніаку.

Фізичні властивості

Амоніак — безбарвний газ із різким характерним запахом, який подразнює слизові оболонки очей і дихальних шляхів. Його молярна маса становить 17 г/моль, що значно менше за середню молярну масу повітря (29 г/моль). Тому амоніак легший за повітря — це важливо для способу його збирання.

Амоніак легко зріджується: температура кипіння становить приблизно −33 °C. Завдяки цьому рідкий амоніак використовують як холодоагент у промислових холодильних установках. Скраплений (зріджений) у балонах під тиском, він перебуває в рідкому стані за кімнатної температури.

Надзвичайно важливою властивістю амоніаку є його дуже добра розчинність у воді. За температури 20 °C в одному об'ємі води розчиняється близько 700 об'ємів амоніаку. Це явище демонструє класичний дослід «фонтан»: якщо в посудину, заповнену амоніаком, пустити воду, газ розчиняється, тиск різко падає, і вода втягується всередину, утворюючи фонтан. Висока розчинність зумовлена утворенням водневих зв'язків між молекулами NH₃ і H₂O.

Збирання й виявлення амоніаку

Оскільки амоніак легший за повітря, його збирають методом витіснення повітря в посудину, перевернуту отвором донизу. Збирання над водою неможливе, бо амоніак дуже добре розчиняється у воді.

Амоніак виявляють кількома способами:

• за запахом (різкий, характерний)

• вологим фенолфталеїновим папірцем — він малиновіє в присутності амоніаку

• вологим універсальним індикаторним папірцем — він синіє

• скляною паличкою, змоченою концентрованою хлоридною кислотою HCl, — біля отвору посудини з амоніаком утворюється білий «дим» (дрібні кристали NH₄Cl)

Останній спосіб особливо наочний: молекули NH₃ і HCl, зустрічаючись у повітрі, реагують з утворенням твердого амоній хлориду, який виглядає як густий білий дим.

Коли амоніак розчиняється у воді, відбувається не просто фізичне змішування. Частина молекул NH₃ вступає в хімічну реакцію з водою, що можна записати двома стадіями:

NH₃ + H₂O ⇄ NH₃ · H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻

Спочатку утворюється гідрат амоніаку NH₃ · H₂O (амоніачна вода), який частково дисоціює на катіон амонію NH₄⁺ та гідроксид-іон OH⁻. Саме поява гідроксид-іонів зумовлює лужне середовище розчину: pH > 7.

Амоніачна вода — слабка основа

Важливо розуміти, що амоніачна вода — це слабка основа. На відміну від сильних лугів (наприклад, NaOH), які дисоціюють повністю, рівновага в розчині амоніаку зміщена вліво — лише невелика частина молекул NH₃ перетворюється на йони. Тому pH розчину амоніаку тієї самої концентрації буде меншим, ніж pH розчину натрій гідроксиду.

Дія індикаторів

Лужне середовище розчину амоніаку можна виявити за допомогою індикаторів. Ось як вони змінюють забарвлення:

Зверни увагу: серед водних розчинів газоподібних сполук неметалічних елементів з Гідрогеном (HCl, H₂S, NH₃) лише розчин амоніаку має лужне середовище. Розчини хлороводню й сірководню — кислі (HCl — сильна кислота, H₂S — слабка кислота).

Нагрівання розчину амоніаку

Під час нагрівання водного розчину амоніаку рівновага зміщується в бік вихідних речовин: амоніак випаровується, його концентрація в розчині зменшується, а отже, зменшується й лужність (pH падає). Одночасно посилюється різкий запах амоніаку, що свідчить про виділення газу.

Завдяки неподіленій електронній парі на атомі Нітрогену молекула амоніаку здатна приєднувати катіон Гідрогену H⁺. Це відбувається за донорно-акцепторним механізмом: атом Нітрогену (донор) надає свою електронну пару, а катіон Гідрогену (акцептор) приймає її. У результаті утворюється катіон амонію NH₄⁺:

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

Саме тому амоніак реагує з кислотами, утворюючи солі амонію. Розглянемо основні реакції.

Реакція з хлоридною кислотою

NH₃ + HCl → NH₄Cl (амоній хлорид)

Якщо зблизити відкриті склянки з концентрованими розчинами амоніаку й хлоридної кислоти, у повітрі утворюється білий «дим» — це дрібні кристали амоній хлориду. Ця реакція є якісною на амоніак і на хлороводень.

Реакція з нітратною кислотою

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ (амоній нітрат)

Амоній нітрат — важливе азотне добриво, відоме також як аміачна селітра.

Реакція із сульфатною кислотою

Залежно від співвідношення реагентів можуть утворюватися різні продукти:

• 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ (амоній сульфат) — за достатньої кількості амоніаку

• NH₃ + H₂SO₄ → NH₄HSO₄ (амоній гідрогенсульфат) — у надлишку кислоти

Характеристика реакцій

Усі ці реакції належать до реакцій сполучення. Важливо: ступінь окиснення Нітрогену не змінюється — він залишається −3 як в амоніаку, так і в солях амонію. Отже, ці реакції не є окисно-відновними.

Властивості солей амонію

Солі амонію — тверді кристалічні речовини, добре розчинні у воді. Їхня характерна властивість: під час нагрівання з лугами вони виділяють амоніак. Наприклад:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O

Цю реакцію використовують у лабораторії для одержання амоніаку, а також для виявлення катіона амонію NH₄⁺ в розчині (якісна реакція).

Амоніак — одна з найважливіших хімічних речовин, яку виробляють у величезних масштабах. Його застосування охоплює промисловість, сільське господарство, медицину й побут.

Промислове виробництво амоніаку

У промисловості амоніак синтезують із азоту й водню за процесом Габера — Боша:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ (каталізатор, нагрівання, тиск)

Це оборотна реакція. Як змістити рівновагу в бік утворення амоніаку, ти дізнаєшся в юніті «Хімічна рівновага і принцип Ле Шательє».

Виробництво нітратної кислоти й добрив

Найбільше амоніаку використовують для виробництва азотних добрив, а також нітратної кислоти HNO₃ (через окиснення NH₃ до NO, а далі до HNO₃). Нітратна кислота, своєю чергою, теж є сировиною для азотних добрив.

Безпосередньо з амоніаку виробляють такі азотні добрива:

• амоній нітрат NH₄NO₃ (аміачна селітра)

• амоній сульфат (NH₄)₂SO₄

• сечовина CO(NH₂)₂

Крім того, рідкий амоніак і амоніачну воду безпосередньо вносять у ґрунт як добрива (див. юніт «Мінеральні добрива»).

Нашатирний спирт

Нашатирний спирт — це розведений (близько 10 %) водний розчин амоніаку. Його застосовують:

• у медицині — для приведення до тями при непритомності (різкий запах амоніаку збуджує дихальний центр)

• у побуті — для миття скла й дзеркал

Не плутай нашатирний спирт (водний розчин NH₃) із нашатирем! Нашатир — це амоній хлорид NH₄Cl, тверда кристалічна речовина, яку використовують у паянні та як компонент димових шашок.

Інші застосування

• Рідкий амоніак — холодоагент у промислових холодильних установках (завдяки низькій температурі кипіння −33 °C).

• У хімічній промисловості — як сировина для виробництва вибухових речовин, барвників, пластмас.

Працюючи з амоніаком, завжди забезпечуй гарне провітрювання приміщення, бо він подразнює очі й дихальні шляхи.

Приклад 1. Вибір однієї відповіді

Завдання: Водний розчин якого газу має лужне середовище?

Варіанти: А хлороводень HCl; Б сірководень H₂S; В амоніак NH₃; Г метан CH₄.

Розв'язання: Визначаємо, яке середовище утворює кожен газ під час розчинення у воді. HCl утворює хлоридну кислоту — сильну кислоту (pH < 7). H₂S утворює сірководневу кислоту — слабку кислоту (pH < 7). NH₃ реагує з водою з утворенням гідроксид-іонів: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻, тому середовище лужне (pH > 7). CH₄ майже не розчиняється у воді й не змінює її pH.

Відповідь: В (амоніак NH₃).

Чому інші варіанти неправильні: А — HCl у воді дає кисле середовище; Б — H₂S у воді дає кисле середовище; Г — CH₄ практично нерозчинний, середовище нейтральне.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді

Завдання: Що утворюється під час зустрічі двох газів — амоніаку й хлороводню?

Варіанти: А азот і водень; Б NCl₃ і H₂; В амоній хлорид NH₄Cl; Г реакція не відбувається, бо обидві речовини — гази.

Розв'язання: Амоніак NH₃ і хлороводень HCl реагують між собою як газоподібні речовини, утворюючи твердий амоній хлорид: NH₃ + HCl → NH₄Cl. Це видно як білий «дим» — дрібні кристали NH₄Cl у повітрі.

Відповідь: В (амоній хлорид NH₄Cl).

Чому інші варіанти неправильні: А — азот і водень не утворюються, бо немає окисно-відновного процесу; Б — NCl₃ і H₂ не утворюються, бо хлор не заміщує Гідроген в амоніаку за таких умов; Г — реакція відбувається, газоподібний стан реагентів не є перешкодою.

Приклад 3. Логічні пари

Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктом реакції (А–Д).

Розв'язання: 1 — NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ (амоній нітрат), відповідає А. 2 — 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ (амоній сульфат), відповідає Б. 3 — NH₃ + H₂SO₄ (1 : 1) → NH₄HSO₄ (амоній гідрогенсульфат), відповідає В.

Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В. Варіанти Г (NH₄NO₂) і Д (N₂ і H₂O) — зайві.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді

Завдання: Як правильно зібрати амоніак у лабораторії та переконатися, що посудина заповнена?

Варіанти: А посудина отвором догори, тліюча скіпка біля отвору спалахує; Б посудина отвором донизу, вологий фенолфталеїновий папірець біля отвору стає малиновим; В посудина отвором догори, вологий універсальний індикатор червоніє; Г збирання над водою, поява бульбашок свідчить про заповнення.

Розв'язання: Амоніак легший за повітря (M = 17 г/моль), тому його збирають у посудину, перевернуту отвором донизу. Заповнення посудини перевіряють вологим фенолфталеїновим папірцем — він малиновіє в лужному середовищі, яке створює амоніак.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні: А — посудина отвором догори не підходить, бо амоніак легший за повітря й вийде; тліюча скіпка — спосіб виявлення кисню, не амоніаку. В — посудина отвором догори неправильна, до того ж індикатор червоніє в кислому середовищі. Г — над водою амоніак не збирають, бо він дуже добре розчиняється.

• Збирати амоніак у посудину отвором догори або над водою. Насправді: амоніак легший за повітря, тому посудину перевертають отвором донизу; над водою не збирають через дуже добру розчинність.

• Вважати розчин амоніаку кислим за аналогією з розчинами HCl і H₂S. Насправді: NH₃ — єдина з цих трьох сполук, чий водний розчин має лужне середовище (pH > 7).

• Плутати нашатирний спирт (водний розчин NH₃) і нашатир (NH₄Cl). Насправді: нашатирний спирт — рідина, нашатир — тверда кристалічна речовина.

• Записувати продуктом NH₃ + HCl «NH₄ + Cl» або NH₂Cl замість правильної солі NH₄Cl. Насправді: утворюється амоній хлорид NH₄Cl, де катіон NH₄⁺ має заряд +1.

• Вважати реакцію амоніаку з кислотою окисно-відновною. Насправді: ступінь окиснення Нітрогену (−3) не змінюється — це реакція сполучення без зміни ступенів окиснення.

• Плутати амоніак NH₃ і катіон амонію NH₄⁺ у формулах і назвах. Насправді: амоніак — газ (NH₃), амоній — катіон (NH₄⁺), який входить до складу солей амонію.

Тема «Амоніак і його водний розчин» входить до теми 2.1.1 програми НМТ «Загальні відомості про неметалічні елементи та неметали» (пункт «сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном, властивості їх водних розчинів, застосування»). Розгляньмо, у яких завданнях вона зустрічається.

Формати завдань

• Завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (1 бал). У демоваріанті 2026 року це завдання № 9 (тема 2.1.1) — взаємодія газоподібних сполук неметалічних елементів з Гідрогеном, і завдання № 5 (теми 1.6 і 2.1.1) — pH водних розчинів цих сполук.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (№ 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару). Формат: «реагенти → сіль амонію», дві букви серед варіантів зайві.

Що треба вміти за програмою

• Складати рівняння реакцій NH₃ з хлоридною, нітратною й сульфатною кислотами.

• Порівнювати й характеризувати водні розчини HCl, H₂S і NH₃ (pH, сила кислоти/основи).

• Пояснювати механізми утворення зв'язків у молекулі амоніаку та йоні амонію (тема 1.5 — ковалентний зв'язок, донорно-акцепторний механізм).

Стратегія виконання

Запам'ятай головне: серед водних розчинів HCl, H₂S і NH₃ лише розчин амоніаку має лужне середовище. Забарвлень індикаторів у довідкових матеріалах НМТ немає, тому їх треба знати: фенолфталеїн у лугах малиновий, універсальний індикатор синіє.

Для завдань на логічні пари звертай увагу на коефіцієнти: 2NH₃ + H₂SO₄ дає (NH₄)₂SO₄, а NH₃ + H₂SO₄ (1 : 1) дає NH₄HSO₄. У завданні на взаємодію газів пам'ятай про білий «дим» NH₄Cl.

• NH₃ — безбарвний газ із різким запахом, легший за повітря (M = 17 г/моль), дуже добре розчиняється у воді (≈ 700 об'ємів в 1 об'ємі води).

• Розчин амоніаку має лужне середовище: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻. Фенолфталеїн стає малиновим, універсальний індикатор синіє.

• З кислотами амоніак утворює солі амонію: NH₃ + HCl → NH₄Cl (амоній хлорид), NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ (амоній нітрат), 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ (амоній сульфат).

• Амоніак збирають у посудину отвором донизу (легший за повітря), виявляють вологим індикаторним папірцем або за білим «димом» із HCl.

• Застосування: виробництво нітратної кислоти й азотних добрив, нашатирний спирт (розчин NH₃) у медицині та побуті, холодоагент у холодильних установках.