Азот и фосфор: аммиак, соли аммония, удобрения

В мае на дачной грядке помидоры стоят с бледными, почти белыми листьями, хотя политы и освещены. Сосед ставит диагноз: «азотное голодание», и в магазине садовода ты видишь мешки со странными словами «аммиачная селитра», «суперфосфат» и пометкой N-P-K. Вопрос на первый взгляд странный: воздух почти целиком состоит из азота — почему растениям его не хватает? Ответ прячется в строении молекулы азота и ведёт к аммиаку, солям аммония и целой индустрии удобрений.

Азот и аммиак: от инертного газа до нашатырного спирта

Азот — главный газ атмосферы: 78% воздуха. Его молекула $N_2$ держится на тройной связи — одной из самых прочных в химии, поэтому при обычных условиях азот ленив: не горит, не поддерживает дыхание и соединяется с другими элементами с трудом. Промышленность «вскрывает» тройную связь жёсткими условиями: азот соединяют с водородом под давлением, при высокой температуре и на катализаторе. Продукт — аммиак $N{H}_3$, бесцветный газ с резким характерным запахом, почти вдвое легче воздуха и отлично растворим: в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов газа. Раствор называют аммиачной водой или нашатырным спиртом; среда у него щелочная, потому что часть молекул аммиака присоединяет воду: $N{H}_3+H_{2}O\rightleftarrows N{H}_3\cdot H_{2}O$. Аммиак горит в кислороде: $4N{H}_3+3O_2\to 2N_2+6H_{2}O$, а с хлороводородом даёт белый дым: $N{H}_3+HCl\to N{H}_{4}Cl$.

Соли аммония — белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде: хлорид аммония $N{H}_{4}Cl$, сульфат аммония $(N{H}_4{)}_{2}S{O}_4$, аммиачная селитра $N{H}_{4}N{O}_3$. В растворах они ведут себя как обычные соли, но имеют фирменную качественную реакцию: при нагревании со щелочью выделяют аммиак — $N{H}_{4}Cl+NaOH\to NaCl+N{H}_3\uparrow +H_{2}O$, запах резкий, а влажная лакмусовая бумажка у горлышка пробирки синеет. При нагревании соли аммония разлагаются: хлорид аммония возгоняется и оседает белым налётом на холодных стенках. Главный потребитель этих солей — сельское хозяйство: аммиачная селитра и сульфат аммония — основные азотные удобрения, а хлорид аммония помогает паяльщикам снимать оксидную плёнку с металла.

От воздуха к удобрению: метод Габера

Химик Фриц Габер в начале XX века придумал, как «вскрывать» молекулу азота в заводском масштабе: смесь азота с водородом сжимают до сотен атмосфер, нагревают до 400-500 °C и пропускают над катализатором. Реакция обратимая и даёт скромный выход за один проход, поэтому непрореагировавшие газы возвращают на вход — конвейер крутится по кругу. За синтез аммиака Габер получил Нобелевскую премию по химии, а человечество — дешёвые азотные удобрения: по распространённой оценке, почти половина населения планеты питается урожаями, выращенными на синтетическом азоте.

Дальше аммиак идёт по генетической цепочке: каталитическое окисление даёт оксид азота(II), тот превращается в оксид азота(IV), а встречаясь с водой, они дают азотную кислоту. Из кислоты получают нитраты — аммиачную селитру и другие азотные удобрения. Вот так газ, который лениво «болтался» в атмосфере, за пару превращений становится белой солью в мешке на даче. Аммиак работает и вне полей: водный раствор чистит стёкла и медь, а жидкий аммиак служит рабочим телом промышленных холодильников.

Азотная кислота и царская водка

Азотная кислота HNO3 — сильная кислота: лакмус краснеет, а её соли называют нитратами. Но характер у неё особенный — это кислота-окислитель. Даже разбавленная, она не даёт с металлами водорода: с медью выделяется бурый газ — оксид азота(IV).

Концентрированная азотная кислота пассивирует на холоде железо, алюминий и хром — её тоже возят в стальных цистернах. Капля кислоты окрашивает кожу в жёлтый: белок она меняет химически. А легендарная фирменная смесь — царская водка: три объёма соляной кислоты на один объём азотной. Поодиночке эти кислоты бессильны против золота, вместе — растворяют «царя металлов». Название придумали алхимики, а сегодня смесь используют при очистке благородных металлов и в лабораториях.

Азотную кислоту производят миллионами тонн в год, и всё уходит в дело: главная доля — на удобрения, дальше — взрывчатые вещества, красители и лекарства. Нитрат калия, кроме полей, веками известен как компонент пороха.

Фосфор и удобрения

Фосфор — второй хамелеон этого урока. Белый фосфор — воскообразное вещество, ядовитое, светится в темноте и самовоспламеняется на воздухе, поэтому его хранят под водой. Красный — тёмно-красный порошок без запаха: не ядовит, не светится и служит материалом спичечных головок. Чёрный — графитоподобный проводник. Химически белый фосфор активнее красного в сотни раз — снова аллотропия решает всё. Горит фосфор с ослепительно белым дымом: $4P+5O_2\to 2P_2{O}_5$, а оксид с водой даёт ортофосфорную кислоту $H_{3}P{O}_4$ — трёхосновную кислоту средней силы, безопасную: в микродозах она даже в газировке под кодом E338. Её соли — фосфаты — основа фосфорных удобрений: суперфосфата и фосфоритной муки. Азотные удобрения — селитры и соли аммония; калийные — хлорид и сульфат калия, а также зола. На упаковке пишут N-P-K: азот растит зелёную массу, фосфор — корни и цветение, калий — устойчивость к болезням. Признаки голода тоже различимы: от нехватки азота листья бледнеют, от нехватки фосфора появляется фиолетовый отлив, от нехватки калия отмирают края листа.

Разбор типовой задачи

Словарь урока

Тройная связь#

три общие электронные пары в молекуле N2 — причина прочности и инертности азота

Метод Габера#

промышленный синтез аммиака из азота и водорода под давлением, при нагревании и на катализаторе

Ион аммония#

NH4+ — узнаётся по выделению аммиака со щелочью при нагревании

Азотная кислота#

HNO3 — сильная кислота-окислитель; её соли называют нитратами

Царская водка#

смесь трёх объёмов соляной кислоты с одним объёмом азотной; растворяет золото

N-P-K#

азот, фосфор, калий — три элемента питания, напечатанные на упаковке удобрений

Как это спрашивают на контрольной и ОГЭ

• качественная реакция на ион аммония: щёлочь плюс нагревание, запах аммиака и синева лакмуса у горлышка;
• почему азот инертен: молекула держится на тройной связи — упоминай её в каждом объяснении;
• цепочки превращений: азот → аммиак → соль аммония → снова аммиак — уравнение на каждую стрелку;
• сравнение белого и красного фосфора: цвет, ядовитость, хранение, роль в спичках;
• задачи на массовую долю азота в удобрении: селитра и сульфат аммония считаются одинаково.

В цепочках превращений азота выручает проверка по коэффициентам: 1 моль азота даёт 2 моль аммиака, а 1 моль соли аммония со щёлочью — 1 моль газа. Если просят объём, добавь в конце шаг с 22,4 л/моль. А если вопрос про удобрение — начинай с признака на листьях и только потом называй вещество.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема