Окисление аммиака
Аммиак или нитрид водорода — активное соединение, реагирующее с простыми и сложными веществами. В присутствии кислорода аммиак окисляется. В зависимости от условий реакции аммиак может окисляться до оксида или азота.
Степень окисления
Степень окисления аммиака зависит от степени окисления элементов, входящих в его состав. На внешнем энергетическом уровне азота находится пять электронов. В составе аммиака атом азота имеет валентность III. Атомы водорода присоединены к трем валентным электронам. Следовательно, при синтезе аммиака азот окислялся водородом:
3H2 + N2 → 2NH3.
Рис. 1. Строение молекулы аммиака.
Следовательно, азот имеет степень окисления -3, водород — +1.
Аммиак является восстановителем из-за способности атома азота отдавать оставшиеся электроны и способности атомов водорода легко разделяться.
Реакции с кислородом
За счет оставшейся свободной пары электронов водород и кислород могут окислять азот. Аммиак легко притягивает катион водорода из воды или кислоты с образованием аммония (NH4). Это производное аммиака, входящего в состав гидроксида и солей:
- NH3 + H2O → NH4OH (гидроксид аммония);
- NH3 + HCl → NH4Cl (хлорид аммония);
- NH3 + HNO3 → NH4NO3 (аммиачная селитра);
- 2NH4OH + H2SO4 → 2H2O + (NH4)2SO4 (сульфат аммония).
Рис. 2. Добавление водорода.
При взаимодействии с кислородом может образовываться свободный азот, окись азота (II) или (I). Конечный продукт зависит от количества исходных веществ и условий реакции. Аммиак не горит на воздухе.
Если на четыре объема аммиака взять пять объемов кислорода, то получится оксид азота (II):
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O.
Реакция протекает в присутствии катализатора. Смесь аммиака и воздуха быстро пропускают над нагретой до 800°С платиной. Платиновый катализатор можно использовать по-другому. Сетка изготовлена из платины со смесью родия, рутения, палладия, через которую проходят аммиак и кислород. Реакция также ускоряется в присутствии оксида хрома (III).
Рис. 3. Платиновый катализатор.
Азот можно получить нагреванием концентрированного раствора аммиака в отсутствие катализатора. Раствор сначала нагревают, а затем помещают в условия чистого кислорода (четыре объема аммиака на три объема кислорода). Аммиак горит зеленовато-желтым пламенем:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O.
При одинаковом объеме аммиака и кислорода образуется оксид азота (I):
2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O.
Реакцию окисления проводят с получением разбавленной азотной кислоты. Для этого NH3 сначала окисляют до NO. Полученный газ затем окисляют до диоксида азота:
2NO + O2 → 2NO2.
Оксид азота (I) окисляется до кислоты и пропускают через воду:
4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3.
Окисление аммиака представляет собой экзотермическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла.