Газообразный аммиак и его водные растворы

Молекулу NH3 можно представить в виде трехгранной пирамиды с атомом азота в вершине. Однако в отличие от пирамиды, склеенной, к примеру, из бумаги, молекула NH3 способна с легкостью вывертываться наизнанку, наподобие зонтика, и при обычных условиях она проделывает такое превращение с огромной частотой — 23 миллиарда 870 миллионов раз в секунду. Это превращение называется инверсией и вызвано квантово-химическим эффектом. Существование инверсии доказывается чисто логически: не будь ее, можно было бы синтезировать оптические изомеры замещенных производных аммиака. Однако такие изомеры не обнаружены.

Аммиак химически довольно активен; в чистом кислороде он сгорает бледно-желтым пламенем, превращаясь в основном в азот и воду. В присутствии катализаторов при окислении аммиака образуются оксиды азота. Если в смесь аммиака с воздухом ввести свечу, то она продолжает гореть, пламя даже увеличивается.

Известно, что вода обладает аномально высокими (для гидридов элементов VI группы) температурами плавления и кипения.

То же и аммиак: его температуры плавления (-77,8°С) и кипения (-33,4°С) значительно выше, чем у ближайшего аналога по V группе — фосфина РН3 (-133,8 и — 87,4°С соответственно). Причина та же, что и в случае воды, — относительно прочные водородные связи между молекулами. При плавлении аммиака рвутся только 26% всех его водородных связей, еще 7% разрываются при нагреве жидкости до температуры кипения. И лишь выше этой температуры исчезают почти все оставшиеся между молекулами связи. Именно наличием большого числа водородных связей в жидком аммиаке объясняется довольно высокая теплота его испарения — 23,3 кДж/моль. (И эта величина значительно больше, чем у фосфина — 14,6 кДж/моль, но заметно меньше теплоты испарения воды — 44 кДж/моль.).

Среди прочих газов аммиак выделяется огромной растворимостью в воде: при нормальных условиях миллилитр воды способен поглотить больше литра аммиака! Поэтому водные растворы аммиака обладают уникальным среди всех щелочей свойством: их плотность снижается с увеличением концентрации раствора (от 0,99 г/см3 для 1%-ного раствора до 0,89 г/см3 для 30%-ного). В то же время «выгнать» аммиак из водного раствора довольно легко. При одном условии: над раствором не должно быть избыточного давления самого же аммиака. Поэтому даже разбавленные растворы имеют отчетливый резкий запах «нашатырного спирта», а при хранении в неплотно закупоренной посуде достаточно быстро «выдыхаются». Полностью удалить аммиак из воды можно даже непродолжительным кипячением.

На высокой растворимости аммиака в воде основан красивый демонстрационный опыт — цветной фонтан в колбе, наполненной аммиаком (см. рис.). «Пусковым устройством» служит пипетка с водой: нескольких капель воды, впрыснутых в колбу, достаточно для растворения значительных количеств газа. В результате в колбе создается разрежение, и под действием атмосферного давления вода с растворенным в ней индикатором (фенолфталеином) устремляется в колбу. Там она тут же окрашивается в малиновый цвет — из-за образования щелочного раствора.

Слабую щелочь — водный раствор аммиака — в химической литературе часто называют гидроксидом аммония. Однако это название не совсем правильное, поскольку в водном растворе NH4OH диссоциирует нацело и, по-видимому, вообще не существует в виде недиссоциированных молекул. В то же время если сильно охладить (примерно до -80°С) водный раствор аммиака, то можно получить гидраты состава NH3· H2O и 2NH3· H2O. Растворимость аммиака в воде при нормальных условиях (1170 мл на 1 мл воды) как раз соответствует соотношению NH3· H2O. Значит, в насыщенном растворе каждая молекула воды удерживает одну молекулу аммиака.

Чрезвычайно высокая растворимость аммиака в воде — основа эффектного опыта. Колба наполнена аммиаком при нормальном давлении. Нескольких капель воды, впущенных в колбу через пипетку, достаточно, чтобы в колбе создалось разрежение. Вода с растворенным в ней фенолфталеином (классическим индикатором) устремляется в колбу. Щелочной фонтан, естественно, оказывается малинового цвета.