Презентація «Нітроген. Амоніак. Нітратна кислота» з хімії для 11 класу

Відкрийте урок фото рідкого азоту. Нітроген є елементом 2 періоду VA групи, а його проста речовина азот кипить за −196 °C, тому рідкий азот, як і більшість скраплених газів, зберігають у посудинах Дьюара. Білий туман над посудиною утворює скраплена водяна пара повітря, сам рідкий азот безбарвний. Скажіть, що за урок клас пройде шлях від азоту повітря до амоніаку і нітратної кислоти.

Відкривайте підказки по одній і після кожної давайте класу хвилину на версії. Відповідь Нітроген, його проста речовина азот N₂, а ще Нітроген входить до складу нуклеїнових кислот. Типова помилка в тому, що називають кисень, але кисень підтримує горіння і в повітрі його значно менше. Звертайте увагу на різницю між назвою елемента Нітроген і назвою простої речовини азот.

Розберіть електронну формулу 1s²2s²2p³. Три неспарені p-електрони дають три ковалентні зв'язки, тому в молекулі N₂ зв'язок потрійний, а його енергія найбільша серед відомих зв'язків. Вільних орбіталей на другому рівні немає, тому валентність V неможлива і молекула NCl₅ не існує, а четвертий зв'язок атом утворює електронною парою s-орбіталі за донорно-акцепторним механізмом. Типова помилка в тому, що за номером групи учні приписують Нітрогену валентність V, хоча ступінь окиснення +5 він має, а валентність щонайбільше IV.

Наголосіть, що для розриву потрійного зв'язку потрібно дуже багато енергії, тому в промисловості цей процес економічно нерентабельний, а в природі він відбувається в тропосфері під час грози. Сьогодні атмосферний азот зв'язують воднем, N₂ + 3H₂ → 2NH₃ (200 атм, 400 °C, каталізатор Fe). З активними металами азот утворює нітриди, N₂ + 3Mg → Mg₃N₂ при нагріванні, а з літієм реагує вже за звичайних умов, N₂ + 6Li → 2Li₃N. Типова помилка в тому, що інертний азот вважають зовсім не здатним до реакцій.

Вміст Нітрогену в земній корі лише 0,04 % за масою, це 18-те місце серед усіх елементів, а маса атомів Нітрогену в повітрі втричі більша, ніж у земній корі. Значні поклади мінералів Нітрогену є лише в кількох місцях, звідси й назви селітр за країнами. Запитайте, чому чилійська селітра трапляється лише в пустелі. Відповідь. Натрій нітрат добре розчиняється у воді, тому у вологому кліматі його вимили б дощі.

Учні розв'язують самостійно 3–4 хвилини, потім один записує розв'язання на дошці. M(NaNO₃) = 23 + 14 + 48 = 85 г/моль, w(N) = 14 / 85 ≈ 16,5 %. M(NH₄Cl) = 14 + 4 + 35,5 = 53,5 г/моль, w(N) = 14 / 53,5 ≈ 26,2 %, отже, у нашатирі частка Нітрогену більша. Типова помилка в тому, що забувають помножити Ar(O) на три або беруть Ar(Cl) 35 замість 35,5.

Порівнюйте рядок за рядком і просіть учнів назвати різницю числом. Амоніак кипить на 163 °C вище за азот і вище за метан, хоча молярні маси амоніаку й метану близькі, причина у водневих зв'язках між молекулами NH₃. Ті самі водневі зв'язки з молекулами води пояснюють рекордну розчинність, 1200 л амоніаку в 1 л води проти 23 мл азоту. Розчин амоніаку у воді називають нашатирним спиртом, хоча спирту в ньому немає.

Поясніть, що неподілена електронна пара атома Нітрогену стає спільною з йоном H⁺, так утворюється йон амонію з четвертим зв'язком за донорно-акцепторним механізмом. Розчин амоніаку, як і луг, містить гідроксид-іони і змінює забарвлення індикаторів, а з кислотами амоніак утворює солі амонію, NH₃ + HCl → NH₄Cl, 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄. Відмінність у тому, що амоніак не є гідроксидом металічного елемента і дисоціює лише незначною мірою, а NaOH є сильним електролітом. Типова помилка в записі NH₄OH, такої сполуки не існує, розчин правильно записувати як гідрат амоніаку NH₃·H₂O.

Покажіть дослід або фото. Смужку індикаторного паперу обов'язково змочують водою, бо гідроксид-іони утворюються, коли амоніак розчиняється у воді на папері. Зміна кольору індикатора доводить наявність газуватого амоніаку і його основні властивості. Запах перевіряють лише обережно, не нахиляючись над посудиною, а типова помилка в тому, що беруть сухий папір.

Наголосіть, що амоніак горить лише в чистому кисні або в збагаченому киснем повітрі. Складіть з класом електронний баланс. Кожен атом Нітрогену віддає 3 електрони (−3 → 0), кожен атом Оксигену приймає 2, тому коефіцієнти 4 перед NH₃ і 3 перед O₂. За наявності каталізатора, платини або хром(III) оксиду, продукт інший, 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O, і типова помилка в тому, що ці два рівняння плутають.

Пройдіть ланцюг N₂ → NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃ зліва направо. Амоніак синтезують за 200 атм і 400 °C на залізному каталізаторі, потім окиснюють киснем на платиновому каталізаторі, і на фото видно, що спіраль розжарюється від теплоти реакції. Далі 2NO + O₂ → 2NO₂ і 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃. Розкажіть про українського хіміка Івана Ададурова, який удосконалив обидві технології, і про ключову ідею параграфа, що амоніак є ланкою в ланцюзі перетворень від атмосферного Нітрогену до рослинного білка. У лабораторії амоніак добувають нагріванням солі амонію з лугом, 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O.

Покажіть дві склянки і дайте класу хвилину на версії. Відповідь. На світлі нітратна кислота розкладається, 4HNO₃ → 4NO₂↑ + 2H₂O + O₂↑, а нітроген(IV) оксид розчиняється в ній і дає жовтуватий колір. Типова помилка в тому, що жовтий колір пояснюють домішками чи брудом у склянці. Підсумуйте, що кислоту зберігають у захищеному від світла місці.

Кислота кипить уже за +83 °C, тому вона летка. Густина 1,52 г/см³, тобто кислота приблизно в півтора раза важча за воду. Через гігроскопічність кислота енергійно поглинає вологу з повітря, тому склянку тримають щільно закритою. Безводну кислоту називають димлячою, бо над відкритою посудиною виникає туман, а в лабораторії працюють із 68 % розчином, саме такої концентрації її випускає промисловість.

Проговоріть правила до будь-якого досліду з кислотою чи амоніаком. Навіть розбавлена нітратна кислота спричиняє хімічні опіки й залишає на шкірі характерні жовті плями. Різкий запах 10 % розчину амоніаку здатний вивести людину зі стану непритомності, але вдихати його глибоко не можна. Типова помилка в тому, що розбавлену кислоту вважають безпечною.

Покажіть фото або дослід у витяжній шафі. Мідь стоїть у ряду активності після водню, проте нітратна кислота її розчиняє, бо сильнішим окисником за йони Гідрогену є нітрат-іон. Складіть баланс, Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² і N⁺⁵ + 1e⁻ → N⁺⁴, тому перед NO₂ коефіцієнт 2. З розбавленою (30 %) кислотою виділяється NO, 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O. Типова помилка в тому, що серед продуктів пишуть водень.

Прочитайте схему як правило. Чим активніший метал і менша концентрація кислоти, тим сильніше відновлюється Нітроген, від NO₂ (+4) до NH₄⁺ (−3). Наприклад, мідь з 60 % кислотою дає NO₂, з 30 % дає NO, а магній з 10 % кислотою дає азот, 5Mg + 12HNO₃ → 5Mg(NO₃)₂ + N₂↑ + 6H₂O. Нітратна кислота взаємодіє майже з усіма металами, крім золота, платини й деяких інших, а залізо, хром і алюміній концентрована кислота на холоді пасивує.

Попросіть учнів пов'язати кожне застосування з властивістю. Інертність азоту захищає їжу від окиснення жирів, низька температура кипіння робить рідкий азот холодоагентом, а рідкий амоніак під час випаровування поглинає багато теплоти. Нітратну кислоту в суміші з концентрованою сульфатною (нітруюча суміш) використовують для добування вибухових речовин, а червону димлячу кислоту як окисник ракетного палива. Понад три чверті промислового азоту йде на синтез амоніаку.

Правильна відповідь В, пасивація. На холоді концентрована нітратна кислота утворює на поверхні заліза тонкий шар хімічно стійкого оксиду. Типова помилка А, коли залізо ставлять поряд із золотом і платиною, хоча нітратна кислота взаємодіє майже з усіма металами, крім золота, платини й деяких інших. Підкресліть слова «концентрована» і «на холоді», бо розбавлена кислота залізо розчиняє.

Правильна відповідь Г, 3 л. Без каталізатора амоніак згоряє до азоту і води, 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O, а об'єми газів за однакових умов відносяться як коефіцієнти в рівнянні, тому на 4 л амоніаку витрачається 3 л кисню. Типова помилка А, 5 л, бо беруть рівняння окиснення на каталізаторі, 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O. Попросіть учня, який помилився, записати обидва рівняння поруч і підписати умови.

Зведіть урок до ступенів окиснення Нітрогену, 0 в азоті, −3 в амоніаку і +5 у нітратній кислоті. Нітратна кислота виявляє всі загальні властивості кислот і реагує з основними оксидами, основами й солями слабких кислот, наприклад HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O і 2HNO₃ + BaCO₃ → Ba(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O. Окисні властивості концентрованої кислоти зумовлює високий ступінь окиснення Нітрогену. Запитайте, яка речовина ланцюга є і основою, і відновником, правильна відповідь амоніак.

Рівняння до другого пункту 2NaOH + (NH₄)₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2NH₃↑ + 2H₂O і Ca(OH)₂ + 2NH₄NO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O. Ртуть реагує подібно до міді, Hg + 4HNO₃ (конц.) → Hg(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O і 3Hg + 8HNO₃ (розб.) → 3Hg(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O. Перетворення N₂ + 3H₂ → 2NH₃ (200 атм, 400 °C, Fe), 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (каталізатор Pt), 2NO + O₂ → 2NO₂, 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃, NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃. У задачі за рівнянням N₂ + 3H₂ → 2NH₃ на 6 л водню потрібно лише 2 л азоту, тож азот у надлишку, а амоніаку утвориться 4 л.