Азот и его водородосодержащие соединения

 

511. Опишите электронное строение атомов р-элементов пятой группы. Что общего у этих элементов и чем они отличаются? Сравните строение и свойства простых веществ этих элементов.

 

512. Объясните образование химической связи в молекуле азота методами валентных связей и молекулярных орбиталей, напишите электронную формулу молекулы. В каких других молекулах или ионах имеется точно такой же набор молекулярных орбиталей и их «заселенность» электронами? Приведите данные о длине и энергии связи в молекуле азота.

 

513. Максимальная степень окисления азота +5, а максимальная электронная валентность равна четырем. Как объяснить это противоречие? Приведите примеры соединений азота, в которых его электронная валентность максимальна и укажите его степень окисления в этих соединениях.

 

514. Проведите термодинамический расчет процесса атомизации азота
(N₂ D 2N). При какой температуре возможен этот процесс? Сравните с аналогичными процессами для кислорода и водорода и объясните различие. Данные для расчетов:

 

Частицы:	N2	N	O2	O	H2	H
DHºf, кДж/моль:	–	472,8	–	246,8	–	218,0
Sº, Дж/(моль·К):	199,9	153,2	205,0	160,9	130,5	114,6

 

515. Объясните способность азота входить в состав комплексных соединений в виде лигандов. Примерами таких соединений являются [Ru(NH₃)₅N₂]Cl₂, [Os(NH₃)₅N₂]Br₂, K₃[Fe(N₂)(CN)₅]. Напишите названия этих соединений. Почему к этим соединениям проявляется особый интерес?

 

516. Азот в промышленности получают из воздуха. Как отделяют азот от других составляющих воздуха: кислорода, углекислого газа, аргона, паров воды? Какой объем воздуха (н.у.) необходимо переработать (теоретически) для получения одной тонны жидкого азота?

 

517. Азот получают:1) разложением нитрата аммония; 2) взаимодействием сульфата аммония с азотной кислотой; 3) нагреванием смеси калийной селитры и железных опилок. Напишите уравнения реакций. Какая масса реагентов необходима в первом и третьем способах для получения 100 л N₂ (н.у?

 

518. Азот можно получать взаимодействием: 1) гидроксиламина с KMnO₄ в сернокислом растворе; 2) гидразина с K₃[Fe(CN)₆] в щелочной среде; 3) оксида азота (II) с CrCl₂ в растворе HCl. Напишите уравнения реакций.

 

519. Если смешать и нагреть насыщенные растворы хлорида аммония и нитрита натрия, то выделится азот. Напишите уравнение реакции. Сколько граммов насыщенных растворов той и другой соли надо взять для получения 10 л азота (н.у.) если они приготовлены при температуре 20 ºС, при которой коэффициенты растворимости NH₄Cl и NaNO₂ равны 37,2 и 84,5?

 

520. Для получения азота в лабораторных условиях иногда используют нитрат аммония, разложение которого при нагревании возможно по двум уравнениям:

 

1) NH₄NO₃ = N₂ + ¹/₂O₂ + 2H₂O(г) 2) NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O(г)

 

Какая из реакций более вероятна и более экзотермична при 25 ºС? Ответ подтвердите расчетом. Как изменяется вероятность протекания этих реакций при повышении температуры? Какой объем азота образуется из 1 кг NH₄NO₃ , если его разложение происходит только по первой реакции?

 

521. Объясните, почему азот с большей, чем хлор, электроотрицательностью, является инертным веществом? При каких условиях он взаимодействует с кислородом, водородом, углеродом, галогенами, металлами? С какой целью многие металлы и сплавы выдерживают в нагретом состоянии в атмосфере азота, как называется этот процесс?

 

522. На основании закономерностей строения вещества, химической термодинамики и кинетики объясните, почему азот не взаимодействует с кислородом, но взаимодействует с водородом. Пользуясь принципом Ле Шателье, укажите условия, обеспечивающие увеличение выхода аммиака при его синтезе из азота и водорода. Почему синтез проводят при 450–500 ºС и используют катализатор?

 

523. Получение аммиака в промышленности проводится по обратимой реакции:

N₂ + 3H₂ D 2NH₃; DHº = -92,4 кДж

 

Опишите влияние воздействий на направление смещения равновесия этой реакции: 1) повышение и понижение температуры; 2) повышение и понижение давления; 3) повышение и понижение концентрации азота; 4) использование катализатора; 5) введение сорбента – поглотителя аммиака, 6) введение инертного газа.

 

524. Какие объемы (н.у.) водорода и азота теоретически необходимы для получения: а) одного м³ газообразного аммиака; б) одной тонны жидкого аммиака; в) одной тонны 25%-го раствора NH₃?

 

525. Вычислите энергию Гиббса и константу равновесия при 25 ºС и 500 ºС реакции:

¹/₂N₂(г) + ³/₂H₂(г) D NH₃(г)

 

Почему в промышленности синтез аммиака проводят при 450–500 ºС? Какой фактор, кроме термодинамического, влияет на выбор условий синтеза аммиака?

526. В начале 20-го столетия (1904–1920 гг.) применялся цианамидный способ получения аммиака, основанный на цепочке следующих превращений:

 

CaCO₃ ® CaO ® CaC₂ ® CaCN₂ ® NH₃

 

Напишите уравнения соответствующих реакций и укажите условия их проведения. Почему в настоящее время этот способ не применяется? Где применяется сейчас цианамид кальция CaCN₂?

 

527. В лабораториях аммиак получают приливанием концентрированного раствора щелочи (KOH) к твердому хлориду аммония. Напишите уравнение реакции и вычислите объем NH₃ (н.у.), получаемый из 50 г NH₄Cl. Можно ли в этом способе использовать: а) NaOH, б) (NH₄)₂SO₄, в) NH₄NO₃?

 

528. Аммиак можно получать из хлорида аммония. Используя термодинамические свойства веществ, определите температуру, при которой разлагается хлорид аммония. Как отделить образующийся аммиак от другого продукта реакции – хлороводорода?

 

529. В лабораториях аммиак получают, нагревая хлорид аммония с гашеной известью. Напишите уравнения двух стадий и общее уравнение реакции. Какая масса NH₄Cl необходима для получения 100 л аммиака (н.у.)?

 

530. В лабораториях аммиак получают нагреванием смеси хлорида аммония с гашенной известью. Какие массы NH₄Cl, содержащего 5 % примесей, и извести, содержащей 10 % примесей, потребуются для получения 10 л 25%-го раствора аммиака (r = 910 кг/м³)?

 

531. Аммиак образуется при обработке водой нитрида магния. В чем заключаются преимущества этого метода получения NH₃ по сравнению с синтезом из простых веществ? Какие недостатки этого метода препятствуют его применению в промышленности?

 

532. Очень заманчиво получать аммиак из азота и воды по реакции:

 

2N₂ + 6H₂O = 4NH₃ + 3O₂

 

Проведите термодинамические расчеты и сделайте вывод о возможности синтеза аммиака по этой реакции при стандартных условиях и при нагревании

 

533. Опишите электронное и геометрическое строение молекулы NH₃, объясните её полярность. Почему эффективные заряды атомов азота (–0,45е) и водорода (+0,15е) в этой молекуле сильно отличаются от степеней окисления? Чем объясняются следующие свойства аммиака: 1) растворимость в воде; 2) взаимодействие с кислотами; 3) вхождение во внутреннюю сферу комплексных соединений?

 

534. Опишите физические свойства аммиака. Почему он имеет температуру кипения, не соответствующую его небольшой молекулярной массе? Вычислите плотность аммиака по водороду, воздуху, азоту и абсолютную плотность. Объясните, почему мольный объем аммиака (22,089 л/моль) меньше мольного объема идеального газа (22,414 л/моль)?

535. Имеются три осушителя: концентрированная серная кислота, фосфорный ангидрид и натронная известь (смесь извести с едким натром). Какой из них и почему можно использовать для осушки аммиака?

 

536. Почему аммиак хорошо растворяется в воде? Как влияет на растворимость аммиака повышение и понижение температуры и давления; добавление в воду кислоты или щелочи? Определите массовую долю NH₃ в растворе при 20 ºС, если коэффициент абсорбции аммиака водой равен 700. При нагревании одного литра такого раствора (r = 0,89) из него выделилось 100 л NH₃ (н.у.). Как изменилась при этом концентрация аммиака в растворе?

 

537. Вычислите массовую долю NH₃ в децимолярном растворе (плотность раствора практически равна плотности воды) и pH этого раствора.

 

538. Вычислите молярную концентрацию и pH раствора, полученного при растворении 1,12 л аммиака в одном литре воды.

 

539. Какой объем аммиака (н.у.) необходимо растворить в 5 л воды для получения 10%-го раствора?

 

540. Нашатырный спирт, используемый в медицине, – это 10%-й раствор NH₃ в воде плотностью 958 кг/м³. Какой объем NH₃, приведенный к н.у., можно получить при кипячении 100 мл нашатырного спирта?

 

541. По поводу концентрированного раствора аммиака в настоящее время говорят, что это концентрированный раствор гидрата аммиака, но разбавленный раствор гидроксида аммония. На чем основано это утверждение?

 

542. Какие молекулы и ионы находятся в водном растворе аммиака (перечислить в порядке уменьшения их концентрации)? Напишите уравнение цепочки равновесий, существующих в водном растворе NH₃. Каким образом можно увеличить и уменьшить растворимость аммиака в воде? Почему даже разбавленные растворы всегда пахнут аммиаком?

 

543. К какому типу электролитов (кислоты, щелочи, слабые основания, амфолиты) относится водный раствор аммиака? Какая из схем, встречающихся в химической литературе:

NH₄OH(p) D NH₄⁺ + OH^-

 

NH₃(г) + H₂O D NH₄⁺ + OH^-

 

NH₄∙H₂O(p) D NH₄⁺ + OH^-

 

наиболее правильно описывает процесс диссоциации в этом растворе? Вычислите степень диссоциации в одномолярном растворе и pH этого раствора.

 

544. Жидкий аммиак – пример неводных растворителей, которые все шире используются в химии и химической технологии. Какие металлы растворяются в жидком аммиаке и какими свойствами обладают эти растворы?

 

545. Напишите уравнения реакций, характеризующие химические свойства аммиака как: а) окислителя, б) восстановителя, в) основания, г) лиганда. Определить роль аммиака в каждой из реакций:

 

1) 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

 

2) Zn(OH)₂ + 4NH₃ = [Zn(NH₃)₄]SO₄

 

3) NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

 

4) 2NH₃(г) + Ca = Ca(NH₂)₂ + Н₂

 

546. Используя знания о строении и свойствах аммиака, предскажите, какие из перечисленных веществ могут получаться при его пропускании через раствор соли меди(II): Cu, CuO, Cu₂O, Cu(OH)₂, [Cu(NH₃)₄]²⁺?

 

547. Почему при получении некоторых малорастворимых оснований, таких как Al(OH)₃, Sn(OH)₂, Рb(OH)₂ и т.д., рекомендуется проводить их осаждение из растворов солей не щелочами, а раствором аммиака? Покажите уравнениями реакций взаимодействие Al₂(SO₄)₃ с NH₄OH и NaOH при стехиометрическом количестве и при избытке осадителя.

 

548. Почему при получении таких малорастворимых оснований как Zn(OH)₂, Ni(OH)₂, Co(OH)₂ приливать раствор аммиака к растворам их солей необходимо в стехиометрическом количестве? Напишите уравнения реакций получения гидроксида цинка и его взаимодействия с избытком аммиака.

 

549. Какие вещества могут получаться при пропускании через водный раствор аммиака следующих газов: CO₂, SO₂, NO, NO₂? Какие реакции могут протекать при пропускании газообразного аммиака через хлорную, бромную и йодную воду?

 

550. Напишите уравнения реакций газообразного аммиака с галогенами, кислородом, щелочными и щелочноземельными металлами и укажите условия проведения этих реакций.

 

551. Используя потенциалы полуреакций, характеризующие свойства аммиака в водных растворах:

 

1) 2NH₃ – 6e = N₂ + 6H⁺; φº = –0,06 В

 

2) 2NH₄⁺ – 6e = N₂ + 8H⁺; φº = 0,26 В

 

3) NH₄⁺ + 2H₂O – 6e = HNO₂ + 7H⁺; φº = 0,86 В

 

4) 2NH₄OH + 6OH – 6e = N₂ + 8H₂O; φº = -0,74 В

 

объясните: а) почему аммиак – более сильный восстановитель, чем катионы аммония (сравните 1 и 2); б) почему в щелочной среде (см. 4) восстановительные свойства аммиака выражены гораздо сильнее, чем в кислой (см. 2); в) почему аммиак окислить до азота легче, чем до HNO₂ (сравните 2 и 3)?

 

552. Учитывая потенциалы полуреакций:

 

1) 2NH₃ – 6e = N₂ + 6H⁺; φº = -0,06 В

 

2) 2NH₄⁺ – 6e = N₂ + 8H⁺; φº = 0,26 B

 

3) MnO₄^- + 8H⁺ - 5e = Mn²⁺ + 4H₂O; φº = 1,51 B,

 

напишите уравнения реакций окисления NH₃ и (NH₄)₂SO₄ перманганатом калия в кислой среде. Вычислите молярную концентрацию раствора сульфата аммония, если на взаимодействие с 100 мл этого раствора было израсходовано 24 мл 0,5 М раствора перманганата калия.

 

553. Учитывая потенциалы полуреакций:

 

2NH₄OH + 6OH^- – 6e = N₂ + 8H₂O; φº = -0,74 B

 

MnO^4- + e = MnO₄^2-; φº = 0,56 B,

 

напишите уравнение окисления NH₄OH перманганатом калия в щелочной среде. Вычислите энергию Гиббса этой реакции при стандартных условиях.

 

554. Учитывая потенциалы полуреакций:

 

2NH₄⁺ - 6e = N₂ + 8H⁺; φº = 0,26 B

 

NH₄⁺ +2H₂O – 6e = HNO₂ + 7H⁺; φº = 0,86 B

 

ClO₃^- + 6H+ + 6e = Cl^- + 3H₂O; φº = 1,45 B,

 

определите, какая реакция (1 или 2) более вероятна:

 

1) NH₄Cl + HClO₃ ® N₂ + H₂O 2) NH₄Cl + HClO₃ ® HNO₂ + HCl + H₂O?

 

В обеих реакциях определите стехиометрические коэффициенты методом полуреакций.

 

555. Как получают соли аммония, по каким свойствам они подобны солям щелочных металлов, а по каким заметно отличаются от них? Одни соли аммония (какие?) разлагаются по основно-кислотному механизму, а другие (какие?) – по окислительно-восстановительному. Напишите уравнения реакций разложения сульфата, карбоната, нитрата и нитрита аммония.

 

556. Напишите уравнения реакций разложения при нагревании следующих солей аммония: NH₄Cl, (NH₄)₂S, NH₄ClO₃, (NH₄)₂Cr₂O₇, (NH₄)₂HPO₄. Какие из них разлагаются по основно-кислотному механизму, а какие – по окислительно-восстановительному? Какие из этих реакций можно использовать для получения аммиака?

 

557. Какая масса 60%-й HNO₃ и какой объем NH₃ (н.у.) необходимы теоретически для получения 100 т аммиачной селитры? Какова массовая доля питательного для растений элемента азота в этом удобрении?

 

558. На получение одной тонны сульфата аммония завод расходует 970 кг 78%-й серной кислоты и 270 кг аммиака. Каковы потери H₂SO₄ и NH₃ на заводе?

559. Если поднести к пробирке, из которой выделяется аммиак, стеклянную палочку, смоченную концентрированной соляной кислотой, то образуется белый дым. С какой целью проводят этот опыт? Каков химический состав дыма? Можно ли вместо концентрированной соляной кислоты использовать: а) разбавленную HCl; б) концентрированную H₂SO₄; в) концентрированную уксусную кислоту;
г) разбавленную и концентрированную азотную кислоту?

 

560. Как проще всего разделить смесь хлоридов аммония (NH₄Cl) и натрия (NaCl)? Объясните и напишите уравнения реакций.

 

561. На чем основано применение гидрокарбоната аммония при выпечке хлеба? Какой объем занимают газы при 200 ºС, образующиеся при разложении одного грамма этого вещества?

 

562. Алюминий и магний, не взаимодействующие при обычных условиях с водой, взаимодействуют с водным раствором хлорида аммония. Почему? Ответ иллюстрируйте уравнениями реакций.

 

563. Какую среду имеют водные растворы солей: NH₄Cl, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, (NH₄)₂CO₃? Напишите уравнения реакций гидролиза этих солей.

 

564. Вычислите pH одномолярного, децимолярного и сантимолярного раствора хлорида аммония. По результатам вычисления сделайте вывод.

 

565. Какая соль – нитрат аммония или нитрит аммония – гидролизуется полнее? Ответ подтвердите расчетом степени гидролиза этих солей в 1 М растворах.

 

566. Соли ацетат аммония CH₃COONH₄, нитрит аммония NH₄NO₂ и карбонат аммония (NH₄)₂CO₃ расположите по увеличению степени их гидролиза. Ответ подтвердите расчетом степени гидролиза в 1 М растворах.

 

567. Почему в катионе NH₄⁺ эффективный заряд атома азота (+0,40е) не совпадает со степенью окисления ни по величине, ни по знаку? При ответе учтите, что эффективные заряды атомов водорода в NH₄⁺ равны +0,10е, а эффективные заряды в NH₃ равны –0,45е (азот) и +0,15е (атомы водорода).

 

568. Существуют производные аммиака амиды, имиды и нитриды. Приведите примеры этих соединений. Чем отличаются ионные, ковалентные и металлоподобные нитриды? Каково применение нитридов? Какие из данных нитридов относятся к ионным, ковалентным и металлоподобным: AlN, CrN, TiN, Si₃N₄, Na₃N?

 

569. Какое вещество имеет тривиальное название нашатырь? С какой целью применяют нашатырь при пайке металлов? Ответ иллюстрируйте уравнениями реакций.

 

570. Напишите уравнения реакций (с указанием условий их проведения) для осуществления данных цепочек превращений:

 

1) N₂ ® NH₃ ® (NH₄)₂SO₄ ® NH₃ ® Mg₃N₂ ® NH₃ ® N₂

 

2) N₂ ® NH₃ ® NH₄Cl ® NH₃ ® NaNH₂ ® Na₂NH ® Na₃N ® NH₃ ® N₂

571. Напишите уравнения реакций с участием аммиака и его производных; укажите, какие их них проводятся при нагревании:

 

1) NH₃ + F₂(нед) = 2) NH₃ + F₂(изб) =

 

3) NH₃ + Ca = 4) NH₃ + CuO =

 

5) NH₄OH(нед) + NiCl₂(р) = 6) NH₄OH(изб) + NiCl₂(р) =

 

7) NH₄Cl + Cl₂ = 8) AlN + HCl =

 

572. Напишите обычные и структурные формулы гидразина и гидроксиламина. Объясните, почему в этих соединениях степень окисления азота не совпадает с его электронной валентностью. Напишите уравнения реакций, в которых образуются эти соединения:

 

NH₃ + NaClO = 2NO + 3H₂ =

 

 

573. Опишите геометрическое строение молекул гидразина и объясните их полярность, донорные свойства и способность к образованию водородных связей между собой и с молекулами воды при растворении гидразина в воде. Напишите уравнения реакций гидразина с соляной и серной кислотами и названия продуктв этих реакций.

 

574. Опишите геометрическое строение молекул гидроксиламина и объясните их полярность, донорные свойства и способность к образованию водородных связей между собой и с молекулами воды при растворении гидроксиламина в воде. Напишите уравнения реакций гидроксиламина с соляной, серной и фосфорной кислотами и названия продуктов этих реакций.

 

575. Как взаимодействуют с водой и как диссоциируют гидразин и гидроксиламин в водных растворах? Чем (кислотами, щелочами, слабыми основаниями или амфолитами) являются их водные растворы? В ответе приведите схемы диссоциации и уравнения реакций и сравните со свойствами аммиака.

 

576. Почему N₂H₄ и NH₂OH – более сильные восстановители, чем NH₃, хотя степень окисления азота в них (-2 и -1) ниже, чем в аммиаке (-3)? Напишите уравнения реакций, в которых гидразина окисляется до азота:

 

1) N2H4 + O2 =	3) N2H4 + KMnO4 + H2SO4 =
2) N2H4 + I2 =	4) N2H4 + K2Cr2O7 + HCl =

 

577. В реакциях, которые приведены ниже, гидроксиламин окисляется до N₂ (реакция 1), N₂O (2), HNO₂ (3) и HNO₃ (4). Напишите уравнения этих реакций:

 

1) NH2OH + K3[Fe(CN)6] + KOH =	3) NH2OH + O2 =
2) NH2OH + NaClO =	4) NH2OH + KbrO3 + H2SO4 =

 

578. Гидразин и гидроксиламин, проявляя окислительные свойства, восстанавливаются до аммиака в реакциях:

 

1) N₂H₄ + Zn + NaOH = 2) NH₂OH + Al + KOH =

 

Напишите уравнения реакций и объясните, какое вещество в обеих реакциях в действительности является восстановителем?

 

579. Гидразин и гидроксиламин могут быть восстановлены до аммиака, если использовать водород в момент выделения. Как провести эти процессы на практике? Напишите уравнения реакций.

 

580. Покажите уравнениями реакций, как взаимодействуют N₂H₄ и NH₂OH с хлорноватой и азотной кислотами? Почему не существуют хлораты и нитраты гидразина и гидроксиламина?

 

581. Какие из перечисленных веществ могут получаться при добавлении гидразина к раствору соли меди (II): Cu, Cu₂O, Cu(OH)₂, [Cu(N₂H₄)₂]²⁺?

 

582. Чем объясняется применение гидразина в качестве ракетного топлива, а гидроксиламина – в качестве восстановителя металлов из оксидов и солей? Вычислите тепловой эффект реакции горения гидразина. Напишите уравнение реакции гидроксиламина с оксидом серебра (I).

 

583. Азидоводород неограниченно растворяется в воде, в разбавленных растворах является слабой кислотой, в безводном состоянии взрывается при сотрясении и соприкосновении с нагретыми предметами. Объясните эти свойства HN₃, исходя из строения его молекулы и строения азид-иона. Напишите уравнения реакций, в которых образуется азидоводород:

 

1) NaN₃ + H₂SO₄ = 2) KN₃ + H₃PO₄ = 3) N₂H₄ + HNO₂ =

 

584. Напишите уравнения реакций, по которым азидоводород взрывается в безводном состоянии (1), медленно разлагается в водных растворах (2), проявляет окислительные (3–5) и восстановительные (6) свойства:

 

1) HN3 =	3) HN3 + Fe =	5) HN3 + HI =
2) HN3 + H2O =	4) HN3 + Pt + HCl =	6) HN3 + HNO2 =

 

585. Приведите примеры растворимых, нерастворимых, ионных, ковалентных и комплексных азидов. Напишите уравнение реакции взрывообразного разложения азида натрия. Вычислите массу NaN₃, при разложении которой выделяется 22,4 л (н.у.) азота.