Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 18. Сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном. Особливості водних розчинів цих сполук, їх застосування

Інформаційна довідка

• Серед газоподібних речовин трапляються як добре розчинні у воді, так і погано розчинні. Гази, що погано розчиняються у воді, можна збирати способом витіснення води (мал. 37, а).

• Добре розчинні у воді гази збирають лише способом витіснення повітря. Якщо газ легший за повітря, то посудину-приймач (пробірку, колбу) тримають догори дном (мал. 37, б), якщо важчий — навпаки (мал. 37, в).

Мал. 37. Збирання газу: а — способом витіснення води; б — способом витіснення повітря легшим газом; в — способом витіснення повітря важчим газом

• Молярна маса повітря дорівнює 29 г/моль. Тобто, повітря об'ємом 22,4 л за нормальних умов має масу 29 г.

• Відносну густину газоподібних речовин за повітрям обчислюють за формулою

• Катіон амонію — це однозарядний позитивний йон NH+4, що утворюється внаслідок приєднання катіона Гідрогена до молекули амоніаку.

Як було з'ясовано в попередньому параграфі, неметали вступають у реакцію сполучення з воднем й утворюють леткі сполуки (вони ще мають назву леткі сполуки з Гідрогеном). Добути сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном можна із водню й відповідного неметалу:

H2 + Cl2 = 2HCl (гідроген хлорид, або хлороводень);

N2 + 3H2= 2NH3 (гідроген нітрид, або амоніак);

Н2 + S = H2S (гідроген сульфід, або сірководень).

Загальноприйнято, що у формулі бінарної сполуки першим записують символ елемента з позитивним ступенем окиснення. Проте сполуку Нітрогену з Гідрогеном традиційно продовжують записувати NH3, хоча електронегативність Нітрогену значно більша за електронегативність Гідрогену.

Пригадайте з органічної хімії, що метан (летка сполука Карбону з Гідрогеном) погано розчиняється у воді. Тому на болотах можна спостерігати бульбашки метану, що утворюється під водою з решток організмів унаслідок їх гниття без доступу кисню.

Леткі сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном мають різну розчинність у воді.

Метан CH4, силан SiH4 погано розчиняються у воді.

Розчини добре розчинних у воді сполук неметалічних елементів з Гідрогеном виявляють властивості кислот або лугів. Зокрема, розчини гідроген хлориду й гідроген сульфіду — кислоти, розчин гідроген нітриду (амоніаку) — луг.

Особливості розчинення у воді гідроген хлориду й амоніаку. На підставі електронної будови атомів Хлору й Нітрогену, розглянемо електронні та структурні формули продуктів їхньої взаємодії з Гідрогеном.

Атому Хлору достатньо утворити одну спільну електронну пару з одним атомом Гідрогену, щоб зовнішній енергетичний рівень обох атомів став завершеним:

Атом Нітрогену за рахунок трьох неспарених електронів зовнішнього енергетичного рівня утворює три спільні електронні пари з трьома атомами Гідрогену, і зовнішній енергетичний рівень кожного з атомів стає завершеним:

Вид хімічного зв'язку в обох сполуках — ковалентний полярний. Спільні електронні пари зміщені в бік більш електронегативних атомів Хлору та Нітрогену.

Бінарні сполуки Гідрогену з неметалічними елементами утворені ковалентними полярними зв'язками.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГІДРОГЕН ХЛОРИДУ. Гідрогенхлорид HCl — газ без кольору, з різким запахом, подразливо діє на дихальні шляхи, «димить» на повітрі через те, що з парами води, які завжди присутні в повітрі, утворює дрібні краплі хлоридної кислоти. Гідроген хлорид добре розчиняється у воді (за температури 20 °С приблизно 500 л гідроген хлориду розчиняється в 1 л води).

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АМОНІАКУ. Амоніак NH3 — газ без кольору, з різким запахом, токсичний. Вдихання його в малих дозах допомагає вивести людину зі стану непритомності. У дозах, що перевищують гранично допустимі (у повітрі 0,04 мг/м3), спричинює ураження очей і набряк легень, ушкоджує нервову систему. Це газоподібна речовина з найбільшою серед відомих газів розчинністю у воді (за температури 20 °С близько 700 л амоніаку розчиняється в 1 л води). Відомий у медичній практиці нашатирний спирт (мал. 38) є водним розчином амоніаку з масовою часткою розчиненої речовини 10 %.

Мал. 38. Розчин амоніаку (нашатирний спирт)

ОСОБЛИВОСТІ ВОДНОГО РОЗЧИНУ ГІДРОГЕН ХЛОРИДУ. Порівнявши розчинність у воді амоніаку й гідроген хлориду, з якого виготовляють хлоридну кислоту, робимо висновок, що обидві сполуки добре розчинні у воді, проте утворені розчини мають різне середовище. Пояснюється це відмінностями в наслідках розчинення амоніаку NH3 та гідроген хлориду HCl у воді. У молекулі амоніаку зв'язки не руйнуються, а за рахунок вільної пари електронів атома Нітрогену до нього приєднується катіон Гідрогену Н+, утворений унаслідок дисоціації води. У хлороводню зв'язок між атомами Гідрогену і Хлору руйнується (пригадайте електролітичну дисоціацію сполук з ковалентним полярним зв'язком), утворені катіони Н+ та Cl- переходять у розчин, де катіон Гідрогену приєднується до молекули води:

HCl ⇄ Н+ + Cl-

Н2О + Н+ Н3О+ (катіон гідроксонію)

Примітка: у рівняннях реакцій йонного обміну за участю кислот зазвичай записують Н+, а не Н3О+.

Як бачимо, хлоридна кислота є водним розчином гідроген хлориду. Вам відомо, що вона виявляє всі загальні властивості кислот, зокрема, діє на індикатори: універсальний індикаторний папірець, лакмус, метиловий оранжевий у ній набувають червоного кольору.

Тобто електролітична дисоціація гідроген хлориду відбувається з утворенням Гідроген-катіонів.

ОСОБЛИВОСТІ ВОДНОГО РОЗЧИНУ АМОНІАКУ. Дізнатися, що собою являє розчин амоніаку, можна дослідним шляхом. До отвору наповненої амоніаком пробірки підносять спершу сухий, потім — зволожений лакмусовий папірець. Сухий залишається без змін, а зволожений одразу набуває синього кольору. Тобто виявляє лужне середовище.

З'ясуємо, звідки у розчині амоніаку виникло лужне середовище, розглянувши фізико-хімічну суть розчинення амоніаку у воді.

Хоча вода й належить до слабких електролітів, окремі її молекули дисоціюють на Гідроген-катіон H+ і гідроксид-аніон ОН-:

Н2О ⇄ Н+ + ОН-.

У процесі розчинення амоніаку у воді Гідроген-катіон приєднується до атома Нітрогену за рахунок наявності в нього вільної пари електронів, утворюючи позитивно заряджений амоній-катіон NH+4 (у разі потреби повторіть тему 2).

Таким чином між катіоном Гідрогену й амоніаком утворюється ковалентний зв'язок за донорно-акцепторним механізмом, а в розчині накопичуються вільні гідроксид-аніони. За складом амоній гідроксид — основа, яка за здатністю розчинятися у воді належить до лугів і є слабким електролітом.

Водний розчин амоніаку має лужне середовище, зумовлене дисоціацією утворюваного амоній гідроксиду.

АМОНІЙ ГІДРОКСИД NH4OH — незвична основа. По-перше, у нього відсутній катіон металічного елемента, натомість до його складу увійшли п'ять атомів двох неметалічних елементів. По-друге, він існує лише в розчині. По-третє, належить до слабких електролітів, оскільки самочинно розкладається на воду й амоніак.

Високу розчинність амоніаку та лужне середовище його розчину виразно ілюструє демонстраційний дослід під назвою «фонтан». Зберемо прилад, як показано на малюнку 39. Наповнену амоніаком колбу 1 закриємо пробкою 2 зі скляною трубкою 3, кінець якої вставлений всередину колби. У кристалізатор 4 наллємо води та капнемо декілька крапель фенолфталеїну.

Мал. 39. Розчинення амоніаку у воді («фонтан»)

Колбу розмістимо над заповненою водою посудиною так, щоб скляна трубка 3 майже повністю була занурена у воду, після цього відкриємо кран 5. Амоніак, яким заповнена колба, поступово починає розчинятися у воді, тиск у колбі падає, і вода стрімко (фонтаноподібно) заповнює колбу. До того ж фонтан набуває малинового забарвлення.

Дайте самостійне пояснення малинового кольору фонтана.

Попрацюйте групами

Завдання 1. Математичними обчисленнями доведіть, що збирати амоніак необхідно в пробірку, розташовану догори дном.

Завдання 2. В аптеках продається нашатирний спирт у скляному посуді темного кольору місткістю 150 мл. Прийнявши густину нашатирного спирту за 1 г/мл, обчисліть, який об'єм амоніаку витрачається на приготування розчину для одного такого флакона.

Завдання 3. Обчисліть відносну густину гідроген хлориду за повітрям. Як правильно зібрати цей газ у пробірку?

Завдання 4. З параграфа ви дізнались, якою є розчинність амоніаку у воді. Обчисліть масову частку цієї речовини у розчині, виготовленому розчиненням в 1 л води 700 л амоніаку (н. у.), якщо густину розчину вважати рівною 1 г/мл.

ПОНЯТТЯ ПРО СОЛІ АМОНІЮ. Взаємодія амоніаку з водою — не єдиний спосіб утворення йона амонію. У цьому переконує такий дослід. Одну чисто вимиту колбу ополіскують концентрованим розчином амоніаку, іншу — концентрованою хлоридною кислотою (мал. 10, а; c. 34). З'єднують отвори колб, як показано на малюнку 10, б, що на с. 34. Біля отворів колб з'являється і поширюється «білий дим» — такий вигляд мають дрібні кристалики амоній хлориду — продукту реакції сполучення амоніаку з гідроген хлоридом.

NH3 + HCl = NH4Cl

Одновалентний катіон амонію NH+4 може утворювати солі, що дістали назву солей амонію. Назва цих солей складається зі слова «амоній» і назви кислотного залишку в називному відмінку, звідки, NH4Cl — амоній хлорид, NH4NO3 — амоній нітрат, (NH4)2SO4 — амоній сульфат.

Солі амонію — кристалічні, добре розчинні у воді сполуки. Майже всі солі амонію є сильними електролітами, що у водних розчинах дисоціюють з утворенням катіонів амонію й аніонів відповідних кислотних залишків:

ЯКІСНА РЕАКЦІЯ З ВИЗНАЧЕННЯ В РОЗЧИНАХ ЙОНІВ АМОНІЮ. Достатньо за звичайних умов до розчину солі амонію додати розчин лугу, як відразу з'явиться запах амоніаку. Орган чуття людини (ніс) дуже чутливий до нього й відразу виявить утворення амоніаку.

Пригадайте правила безпеки щодо того, як правильно нюхати речовини.

Не варто покладатись на нюх, достатньо над стаканом, у якому відбувається взаємодія солі амонію з лугом, потримати вологий лакмусовий папірець (мал. 40).

Мал. 40. Якісна реакція на солі амонію

Розглянемо хімічні процеси, щоб зрозуміти, звідки з'явився амоніак.

Якісною реакцією на солі амонію (амоній-катіон) є взаємодія з розчином лугу. Реакція супроводжується виділенням амоніаку, який виявляють за посинінням зволоженого лакмусового папірця.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Лабораторний дослід 3

Виявлення в розчині катіонів амонію

Вам знадобляться: пробірки, штатив для пробірок, сіль амонію, вода, лакмусовий папірець.

Хід виконання досліду

1. Налийте в пробірку 1 мл розчину амоній хлориду.

2. Додайте до нього 1 мл розчину натрій гідроксиду.

3. До отвору пробірки піднесіть зволожений індикаторний папірець. Що спостерігаєте?

4. Поясніть результат спостереження, запишіть у робочий зошит молекулярне та йонні рівняння проведеної реакції. Чи підтвердились ваші знання про якісну реакцію на амоній-катіони?

Застосовуємо

  • 1. Складіть формули сполук неметалічних елементів, утворених атомами: а) Карбону й Гідрогену; б) Йоду й Гідрогену. Складіть рівняння їх одержання з простих речовин, розгляньте окисно-відновні процеси.
  • 2. Порівняйте будову молекул і хімічні властивості гідроген хлориду й амоніаку.
  • 3. Обчисліть об'єм (н. у.), який займає амоніак масою 6,8 г, і кількість атомів і молекул у цій порції.
  • 4. Де більше молекул: у порції гідроген хлориду масою 73 г чи в порції амоніаку кількістю речовини 2 моль?
  • 5. Складіть план проведення уявного експерименту з розпізнавання розчинів амоній нітрату і гідроген хлориду.
  • 6. Обчисліть відносний вихід амоніаку в реакції амоній карбонату з калій гідроксидом, якщо маса солі дорівнюватиме 6 г, а об'єм амоніаку — 2,24 л (н. у.).
  • 7*. Який об'єм амоніаку синтезували з азоту та водню, якщо утворена суміш газоподібних речовин має на 10 л менший об'єм, аніж початкова? Усі виміри зроблено за однакових умов.
  • 8*. Обчисліть масову частку гідроген хлориду у хлоридній кислоті, одержаній розчиненням 500 л гідроген хлориду в 1 л води (н. у.). Висловте припущення щодо ймовірності існування хлоридної кислоти з масовою часткою розчиненої речовини 80 %.