Amoniak NH₃ (łac. ammoniae, ang. ammonia) jest bezbarwnym gryzący gaz, dobrze rozpuszczalnym w wodzie. W temp 0 °C 100 ml wody pochłania 89,9 g amoniaku, w temp. 100 °C - 7,4 g. Amoniak skrapla się w temperaturze -33,3 °C a zestala w -77,7 °C. Współczynnik załamania światła ciekłego amoniaku wynosi 1,325. Ciekły amoniak ma gęstość 0,817 g/ml. Amoniak w roztworach zachowuje się jak słaba zasada. Reaguje z jonami wodorowymi, tworząc kation NH₄⁺, tzw. amon.

 

Otrzymywanie amoniaku

1. Amoniak na skalę przemysłową otrzymuje się katalitycznie w reakcji wysokociśnieniowejazotu z wodorem wobec katalizatorów żelazowych (metoda Habera).
   N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃
2. Na skalę laboratoryjnądo otrzymywania b. czystego amoniaku można wykorzystać reakcję amidków alkalicznychz wodą.
   M-NH₂ + H₂O → NH3 + M-OH
   W amidkach azot jest na -3 stopniu utleniania tak jak w amoniaku i tworzy anion NH₂^-.
3. W labolatorium amoniak Otrzymuje się przez działanie mocną zasadą, np. wodorotlenkiem sodu, na sole amonowe.
   NH₄⁺ + OH^- → NH₃↑ + H₂O

Dla nas najlepsza jest 4. metoda otrzymywania amoniaku. Oto doświadczenia, jakie przeprowadzimy:

1. Początek "problemów"
2. Spalanie Amoniaku
3. Śledztwo
4. Fontanna z Amoniaku
5. Dym z Salmiaku
6. Atrament Sympatyczny

Początek "problemów"

Niech tytuł was nie zniechęci - nasze doświadczenia pomogą wam wzbogacić domowe labolatorium o kolejne odczynniki i nauczą przydatnych umiejętności. Do doświadczenia potrzebować będziemy następujących rzeczy:

• Fenoloftaleina bądź uniwersalny papierek wskaźnikowy
• Kolba z korkiem i wężykiem
• Butelka szklana z zakrętką
• Zimna woda demineralizowana
• Kwas cytrynowy bądź inny kwas
• Sól amonowa (ja użyłem azotanu amonu)
• Garnek z wodą
• kuchenka gazowa bądź inne źródło ciepła
• słoiczek bezpieczeństwa

Do otrzymywania amoniaku konieczne jest zainstalowanie słoiczka bezpieczeństwa. Inaczej amoniak mógłby zassać zimną wodę do rozgrzanej kolby, co spowodowało by jej pęknięcie. W korku o dużej średnicy robimy dwie dziurki, przez które przepychamy rurki szklane jak na rysunku, sprawdzamy koniecznie aby całość była szczelna. Do obydwu z rurek przyłączamy po sporym kawałku wężyka. Ewentualnie można zamiast korka użyć zakrętki od słoika z wyciętymi otworami, a całość uszczelnić np. plasteliną.

Zabawę z amoniakiem rozpoczniemy od jego wywiązania z soli amonowej i rozpuszczenie w zimnej wodzie, w której amoniak rozpuszcza się o wiele lepiej niż w ciepłej (podobnie jak niemal wszystkie gazy). Do otrzymania amoniaku będziemy potrzebowali takiej aparatury:

UWAGA, na powyższym rysunku wylot rurki w kolbie z zimną wodą (do której wprowadzamy amoniak) jest umieszczony poniżej poziomu wody, w rzeczywistości powinna się on znajdować 1-2 cm NAD poziomem wody! Można również użyć aparatu opisanego w artykule o gazach (znajduje się on w sekcji "Twoje Laboratorium"). W tym celu trzeba go zmodyfikować, umieszczając jego kolbę (lub probówkę z bocznym ujściem) w łaźni wodnej zrobionej z garnka.

Wsypujemy do kolby 40 g wodorotlenku sodu i 70 g azotanu amonu. taką mieszaninę zalewamy 50 g wody i szybko korkujemy, po czym stawiamy ją na łaźni wodnej i ogrzewamy. Jeśli używamy aparatu z artykułu o gazach, w dolnej części umieszczamy roztwór NaOH, a w górnej roztwór soli amonowej i wkraplamy w miarę potrzeby, jednoczśnie ogrzewając dolną kolbę. Już po chwili ogrzewania (jeśli aparatura jest szczelna) powinny pojawić się pierwsze bąbelki w butelce z zimną czystą wodą. Reakcja, która zachodzi pomiędzy wodorotlenkiem sodowym a solą amonu może być zapisana w ten sposób:

NH₄NO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O + NH₃

Po około 10 minutach ogrzewania na wrzącej łaźni wodnej (po wkropleniu całości) w naszej kolbie wyciągamy wężyk z butelki z wodą korkujemy ją i wstrząsamy energicznie. Ostrożnie sprawdzamy (na węch) czy amoniak nadal wydobywa się z wężyka. Jeśli tak - wkładamy wężyk do wody i pozwalamy mieszaninie wrzeć przez kolejne 15 minut. Powtarzamy czynności, dopóki z wężyka wydobywa się amoniak. Zakręcamy butelkę i odstawiamy. Właśnie otrzymaliśmy wodny roztwór amoniaku, tzw. wodę amoniakalną.
Woda amoniakalna jest to roztwór amoniaku w wodzie. Jej wzór zapisuje się często jako NH₃ · H2O (hydrat amoniaku) lub NH_{3 aq.}. Nie istnieje cząsteczka o wzorze NH₄OH, jej występowanie postulowano, by wytłumaczyć zasadowość roztworu amoniaku za pomocą teorii dysocjacji Arrheniusa. Dalsze badania wykazały jednak, że takie cząsteczki nie występują. Roztwór amoniaku ma odczyn zasadowy ze względu na następującą reakcję:

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^-

Pod wpływem temperatury z wody amoniakalnej łatwo ulatnia się amoniak (jest to proces identyczny z tym, który przeprowadziliśmu otrzymując amoniak), więc butelka z tym odczynnikiem powinna być szczelnie zakręcona.

Aby poznać orientacyjne stężenie wody amoniakalnej, posłużymy się analiza objętościową - przeprowadzimy proste (i niestety bardzo niedokładne) miareczkowanie. Sporządzamy 5% (można też wziąć inne stężenie, ale takie jest wygodne) roztwór kwasu solnego. Następnie wlewamy do zlewki 50 ml wody amoniakalnej odmierzając cylindrem miarowym lub pipetą z podziałką. Dodajemy kilka kropel fenoloftaleiny do wody amoniakalnej. Efekt:

Korzystając z pipety z podziałką lub biurety (niestety biurety są drogie, więc można posłużyć się pipetą) wlewamy powoli, po jednym mililitrze, ciągle mieszając kwas solny do zlewki. Robimy to bardzo ostrożnie i przestajemy w momencie zaniknięcia różowego zabarwienia. Zapisujemy zużytą ilość kwasu. Jeśli nie chcemy wszystkiego robić tak powoli, za pierwszym razem wlewamy kwas szybko i większymi porcjami, zapisując wynik przybliżony, by następnym razem powoli wykonać tylko końcówkę miareczkowania. Reakcja, która zaszła w zlewce, może być zapisana za pomocą równania:

NH₃ + HCl → NH₄Cl

Jak widać, jeden mol amoniaku reaguje z jednym molem kwasu solnego. Układamy proporcję: 17 g (1 mol) amoniaku reaguje z 36 g (1 molem) HCl:

NH₃ ----- Kwas solny
17 g ----- 36 g
x ----- W

Pod W podstawiamy ilość gramów zużytego HCl. Aby ją obliczyć, mnożymy ilość zużytych mililitrów przez stężenie kwasu podzielone przez 100%. Brzmi to zawile, ale załóżmy, że zużyliśmy 85 ml 5-procentowego kwasu. Mnożymy wtedy 85 ml przez 5%/100%, czyli przez 0,05, i otrzymujemy 4,25 g. NH₃ ----- Kwas solny
17 ----- 36
x ----- 4,25

Mnożymy proporcję na krzyż: 36x = 17 * 4,25. Po obliczeniu x ≈ 2. Zatem w 50 ml wody(o wadze około 50 g), którą wzięliśmy do analizy, było około 2 g amoniaku. Dzielimy teraz wagęamoniaku przez wagę całego roztworu i mnożymy przez 100%, aby otrzymać stężenie wody amoniakalnej: (2 / 50) * 100% = 4%. Otrzymaliśmy zatem wodę amoniakalną o stężeniu 4% i nauczyliśmy się prostego miareczkowania.

Uwaga: w obliczeniach powinniśmy uwzględnić gęstość roztworów, jednak błąd wywołany przez to uproszczenie jest znacznie mniejszy niż wywołany przez błąd stężenia kwasu. Dokładność takiej analizy jest w granicach 1% stężenia amoniaku, zależy to głównie od dokładności wykonania roztworu kwasu.

 

Spalanie amoniaku w tlenie

Aby spalić amoniak, potrzebujemy następujących rzeczy:

• Rzeczy do otrzymywania amoniaku
• Trójnik w kształcie Litery T albo Y
• 2 Wężyki
• 2 kolby
• Woda utleniona lub perhydrol
• Nadmanganian potasu

Aparaturę należy zestawić W taki sposób:

 

Opis doświadczenia

Do jednej kolby wlewamy 3% wodę utlenioną. Do drugiej wsypujemy saletrę amonową i stały NaOH. Zalewamy paroma gramami wody i szybko korkujemy. Teraz wrzucamy mały kryształek nadmanganianu potasu Do kolby z wodą utlenioną i również szybko korkujemy. W obydwu kolbach intensywnie wydzielają się gazy. W trójniku się stykają i wymieszane wydobywają się na zewnątrz. Odczekujemy chwilę, po czym zapalamy wydobywający się z trójnika gaz. Obserwujemy płomień o zielono-niebieskim zabarwieniu. To amoniak spala się w myśl równania:

4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O

Śledztwo

Z tym doświadczeniem spotkałem się pewnego razu na pokazie chemicznym. Młody adept chemii twierdził, że jest w stanie rozwikłać każdą zagadkę. Aby nie być gołosłownym, postawił przed całą salą malutką zlewkę z jakimś płynem, a w niej złotą monetę. Poprosił trzech chętnych, aby wystąpili i powiedział do wszystkich: "Teraz wyjdę z klasy, a podczas mojej nieobecności jeden z trzech ochotników zabierze i schowa monetę, gdy wrócę odpowiem wam który to zrobił. Pamiętajcie jednak że złodzieje zawsze pracują w rękawiczkach! Na stole leżą trzy pary rękawiczek, niech każdy z ochotników je założy". Dopilnował aby każdy z nich włożył rękawiczki i wyszedł na parę minut. Gdy powrócił, oni już stali gotowi i pewni, że chemik nie zgadnie, który wziął monetę. "Detektyw" jednak wyjął szmatkę, nasączył ją w jakimś płynie i przetarł ręce każdego z gogusiów. Gdy przecierał ręce środkowego nagle jego rękawiczka zrobiła się intensywnie różowa. Detektyw pokazał jego rękę klasie i uznał śledztwo za zamknięte.

Do wykonania tego doświadczenia będziesz potrzebował następujących rzeczy:

• Dowolna moneta
• Zlewka (najlepiej, gdy będzie duża, aby nie było problemów z wyjęciem monety)
• Wskaźnika zasadowego, np. fenoloftaleiny
• 1% roztworu amoniaku

Można dla ułatwienia zamiast szmatki użyć spryskiwacza. W zlewce z monetą ma się znaleźć fenoloftaleina (im bardziej stężony roztwór, tym lepiej widoczny efekt, ale nie przesadzaj), a roztworu amoniaku używamy jako wywoływacza. Wszyscy uczestnicy eksperymentu muszą mieć rękawiczki!

Fontanna z amoniaku

Do doświadczenia będą nam potrzebne:

• Rzeczy do otrzymywania amoniaku
• Fenoloftaleina
• Miseczka z zimną wodą
• Łaźnia wodna
• Kolba kulista 0,5 l lub 1 l z korkiemi szklaną rurką

Wykonanie doświadczenia

Do miski z zimną wodą dodajemy parę kropel 1% roztworu fenoloftaleiny i dobrze mieszamy. W odpowiedniej aparaturze (patrz początek artykułu) otrzymujemy gazowy amoniak. Wylot wężyka umieszczamy w kolbie kulistej. Po około 5 minutach przepuszczania amoniaku przez kolbę przerywamy jego otrzymywanie. wyciągamy wężyk z kolby kulistej i szybko korkujemy ją korkiemz rurką szklaną. wylot rurki zatykamy szczelnie palcem. Umieszczamy go pod powierzchnią wodyw misce. Odtykamy wylot rurki. Efektem jest zassanie wody do kolby, gdzie staje się ona fioletowa. Powodem jest bardzo dobra rozpuszczalność amoniaku w wodzie - rozpuszczając się w niej amoniak tworzy podciśnienie, które wsysa wodę do kolby.

 

Dym z salmiaku

Dym z salmiaku to kolejne proste w wykonaniu a zarazem efektowne doświadczenie z wykorzystaniem amoniaku. Najlepiej użyć kupionego, stężonego roztworu amoniaku, gdyż wtedy dym jest obfitszy.
Potrzebne będą:

• Kwas solny stężony (35-38%)
• Amoniak roztwór 25%
• Dwie zlewki lub szalki Petriego (można też bezpośrednio użyć butelek z odczynnikami)

 

Opis doświadczenia

Do jednej zlewki wlej kilka mililitrów kwasu solnego, do drugiej mniej więcej tyle samo roztworu amoniaku. Postaw obydwie zlewki tak, by stykały się brzegami. Już po chwili zauważysz chmurkę dymu unoszącą się nad zlewkami.

W tym przypadku zaszła znana już nam reakcja:

HCl + NH₃ → NH₄Cl

W której powstaje chlorek amonu - tzw. salmiak. Ponieważ jednak tym razem reagenty są gazami, a produkt ciałem stałym, efektem jest dym złożony z mikroskopijnych "okruszków" salmiaku.

Atrament sympatyczny

Do tego doświadczenia użyjemy wodyamoniakalnej, czystej kartki, wacika do uszu, fenoloftaleiny oraz spryskiwacza do szyb. Wlewamy około 5 ml roztworu fenoloftaleiny do małej zleweczki, maczamy w niej wacik i piszemy dowolny tekst na kartce. pozostawiamy to do wyschnięcia. W tym czasie do czystego zraszacza do szyb wlewamy troszkę wodyamoniakalnej. Zakręcamy zraszacz, a gdy kartka nieco wyschnie, spryskujemy ją z dużej odległości, aby ujawnić nasz napis. Napis znika po kilkunastu minutach, ponieważ amoniak szybko się ulatnia.

 

Wykrywanie i reakcje amoniaku

Ze względu na obecność wolnej pary elektronowej, amoniak wykazuje właściwości kompleksotwórcze. Niektóre z jego kompleksówmają silne zabarwienie i pozwalają wykryć w roztworze pewne metale. Reakcją charakterystyczną dla wykrywania amoniaku i zarazem jonów miedzi(II) Jest kompleksowanie owych jonów za pomocą amoniaku.

 

Wykrywanie amoniaku

Sporządzamy 5% roztwór siarczanu miedzi CuSO₄ · 5 H₂O w wodzie. Do roztworu o słabo niebieskiej barwie dolewamy 50 ml 1% roztworu amoniaku NH3 aq. Obserwujemy gwałtowną zmianę barwy roztworu na błękitną, a w przypadku ddania nadmiaru amoniaku pojawienie się niebiesko-fioletowego osadu.

Zaszły dwie, następujące od razu po sobie reakcje:

2 Cu²⁺ + SO₄^2- + 2OH- ---> (CuOH)₂SO₄
(CuOH)₂SO₄ + 8 NH₃ ---> 2 [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2 OH^- + SO₄^2-

Doprowadziło to do powstania siarczanu(VI) tetraaminamiedzi(II) o barwie intensywnie błękitnej. Ta reakcja jest stosowana do wykrywania amoniaku oraz jonów Cu²⁺.

Amoniak tworzy również kompleksy z cynkiem, kadmem i srebrem- wytrąca się osad wodorotlenku, po dodaniu większej ilości NH₃ osad rozpuszcza się i tworzy się bezbarwny kompleks. Po dodaniu amoniaku do roztworu soli niklu strąca się zielony osad, a następnie powstaje rozpuszczalny niebieskofioletowy kompleks.

Artykuł napisał:
Kliksiu