Качественная реакция на ион аммония: методы и расчёты

Ион аммония $\text{NH}_4^+$ встречается во всех солях аммония - хлориде, сульфате, нитрате - и его присутствие в растворе легко установить двумя классическими пробами: нагреванием со щёлочью и реакцией с реактивом Несслера. Обе реакции надёжны, проводятся за считанные минуты и дают яркий визуальный результат. Чтобы сразу ощутить количественную сторону вопроса, рассчитайте объём выделяющегося аммиака и pH раствора в калькуляторе ниже - он поможет и при решении задач из учебника.

Реакция с щёлочью: уравнение и внешние признаки

Главная качественная реакция на ион аммония - взаимодействие с гидроксидом натрия при нагревании. В сокращённой ионной форме она записывается так:

$\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \xrightarrow{\Delta} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$

В молекулярной форме для хлорида аммония:

$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \xrightarrow{\Delta} \text{NaCl} + \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$

Для сульфата аммония коэффициенты удваиваются:

$(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4 + 2\,\text{NaOH} \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\,\text{NH}_3\uparrow + 2\,\text{H}_2\text{O}$

Внешние признаки реакции - три одновременных наблюдения, каждое из которых само по себе характерно для аммиака:

1. Резкий неприятный запах выделяющегося газа - аммиак узнаётся немедленно.
2. Влажная красная лакмусовая бумажка, поднесённая к выходу газа, синеет: $\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$, и раствор становится щелочным.
3. Помутнение концентрированной соляной кислоты на стеклянной палочке - образуются белые «дымы» $\text{NH}_4\text{Cl}$.

Рассчитать для своей задачи

Реакция обратима при комнатной температуре, поэтому нагрев обязателен: он смещает равновесие вправо (принцип Ле Шателье - повышение температуры выгодно эндотермическому направлению), и аммиак улетучивается раньше, чем успевает реабсорбироваться.

Расчёт объёма выделяющегося аммиака

Стехиометрия реакции проста: каждый моль иона $\text{NH}_4^+$ даёт один моль $\text{NH}_3$. Поэтому:

$n(\text{NH}_3) = n(\text{NH}_4^+) = \frac{m \cdot w}{M}$

где $m$ - масса образца (г), $w$ - массовая доля соли аммония (безразмерная, 0 до 1), $M$ - молярная масса соли (г/моль).

При нормальных условиях (н.у., $T = 273\,\text{К}$, $p = 101{,}3\,\text{кПа}$) молярный объём газа $V_M = 22{,}4$ л/моль:

$V(\text{NH}_3) = n(\text{NH}_3) \cdot 22{,}4\;\text{л/моль}$

Пример. Из $5{,}35$ г $\text{NH}_4\text{Cl}$ ($M = 53{,}5$ г/моль):

$n = \frac{5{,}35}{53{,}5} = 0{,}1\;\text{моль}, \quad V = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24\;\text{л NH}_3$

Рассчитать для своей задачи

Для $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ ($M = 132$ г/моль) из $13{,}2$ г получается то же число молей ($0{,}1$) и тот же объём, но масса навески почти в 2,5 раза больше - это часто удивляет студентов. Наклон прямой $V(m)$ определяется отношением $w \cdot V_M / M$, что и задаёт чувствительность метода к массе образца.

Реакция с реактивом Несслера

Для обнаружения следовых количеств $\text{NH}_4^+$ (например, в природной воде) используют реактив Несслера - щелочной раствор тетраиодомеркурата(II) калия $\text{K}_2[\text{HgI}_4]$. Реакция:

$\text{NH}_4^+ + 2\,[\text{HgI}_4]^{2-} + 4\,\text{OH}^- \to \underbrace{\text{Hg}_2\text{NI}\cdot\text{H}_2\text{O}}_{\text{красно-бурый осадок}}\downarrow + 7\,\text{I}^- + 3\,\text{H}_2\text{O}$

Образующийся иодид-иодомеркурат аммония имеет характерный красно-бурый цвет. При малых концентрациях $\text{NH}_4^+$ раствор желтеет (без осадка), при больших - выпадает кирпично-красный осадок. Чувствительность - порядка $0{,}05$ мкг NH3 в пробе, что на несколько порядков выше, чем у лакмусовой бумажки.

pH раствора аммиака и его расчёт

Аммиак, растворяясь в воде, создаёт слабощелочную среду:

$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-,\quad K_b = 1{,}8\cdot10^{-5}$

Приближённая формула для расчёта концентрации гидроксид-ионов (при $c(\text{NH}_3) \ll 1$ моль/л и без учёта гидролиза):

$[\text{OH}^-] = \sqrt{K_b \cdot c(\text{NH}_3)}$

$\text{pH} = 14 + \lg[\text{OH}^-] = 14 + \frac{1}{2}\lg(K_b \cdot c)$

При концентрации $c = 0{,}1$ моль/л: $[\text{OH}^-] = \sqrt{1{,}8\cdot10^{-5} \cdot 0{,}1} \approx 1{,}34\cdot10^{-3}$ моль/л, $\text{pH} \approx 11{,}1$.

Именно этот щелочной pH и переключает лакмус из красного в синий: лакмус меняет цвет при pH > 8, а аммиак даже в разбавленном растворе обеспечивает pH значительно выше этого порога.

Рассчитать для своей задачи

Практика: как проводить реакцию в лаборатории

Стандартный протокол для реакции с NaOH:

1. В пробирку внести 0,5 г образца (или 1-2 мл раствора). При анализе неизвестного образца предварительно растворить навеску в 3-5 мл дистиллированной воды.
2. Добавить 1-2 мл концентрированного NaOH (20-30 %). Использовать концентрированную щёлочь выгоднее, чем разбавленную: меньший объём жидкости облегчает нагрев и ускоряет выделение газа.
3. Поднести к горлышку влажную красную лакмусовую бумажку (или полоску универсального индикатора). Бумажку держат пинцетом - не касаясь горлышка, чтобы капли щёлочи не испортили результат.
4. Нагреть пробирку снизу на спиртовке или водяной бане - не кипятить. При кипячении щёлочь может выплеснуться и испачкать бумажку, что даст ложный результат.
5. Через 10-20 секунд бумажка синеет, одновременно чувствуется запах аммиака.

Важно: бумажка должна быть именно влажной - сухая не реагирует, потому что для диссоциации $\text{NH}_3$ необходима вода. Раскалённую бумажку подносить нельзя - тепло от горелки само меняет цвет индикатора.

Альтернативный способ подтвердить аммиак - поднести к горлышку пробирки стеклянную палочку, смоченную концентрированной соляной кислотой: образуется белый «дым» хлорида аммония:

$\text{NH}_3 + \text{HCl} \to \text{NH}_4\text{Cl}\uparrow$

Этот вторичный признак особенно полезен, когда запах трудно оценить субъективно или в присутствии других резких запахов в лаборатории.

Для реакции с реактивом Несслера:

1. К 1-2 мл анализируемого раствора добавить 2-3 капли реактива.
2. Появление жёлтого окрашивания - следы $\text{NH}_4^+$; выпадение красно-бурого осадка - значительное содержание.

Частые ошибки

• Сухая лакмусовая бумажка. Аммиак реагирует с индикатором только в водном растворе - влага обязательна. Сухая бумажка не синеет даже в насыщенном газе.
• Забытый нагрев. При комнатной температуре равновесие $\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$ не сдвинуто достаточно вправо, газ почти не выделяется. Без нагрева реакция идёт медленно и признаки слабые.
• Путаница в ионной форме. Студенты иногда пишут $\text{NH}_3 + \text{OH}^-$ вместо $\text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$ - аммиак сам не реагирует со щёлочью, реагирует только ион $\text{NH}_4^+$.
• Неверный расчёт $n(\text{NH}_4^+)$ для $(NH_4)_2\text{SO}_4$. В сульфате аммония два иона $\text{NH}_4^+$ на формульную единицу, поэтому $n(\text{NH}_4^+) = 2 \cdot m / M$, но формула через молярную массу уже учитывает это автоматически: $M((\text{NH}_4)_2\text{SO}_4) = 132$ г/моль уже содержит оба иона.
• Использование реактива Несслера без щелочной среды. Реактив работает только при pH > 12 (содержит избыток KOH). Если реакцию ставят в кислой среде, осадок не образуется.

FAQ

Почему реакция с NaOH называется качественной, а не количественной? Качественная реакция подтверждает присутствие иона, а не определяет его количество точно. Однако при известной молярной массе соли и полноте реакции можно рассчитать объём аммиака - это уже количественный аспект, который используют, например, при определении содержания азота в удобрениях методом Кьельдаля.

Можно ли обнаружить ион аммония без нагрева? Да, реактив Несслера работает при комнатной температуре и даже чувствительнее при холодной пробе (осадок не коагулирует). Реакция с NaOH без нагрева тоже возможна, но медленная и слабая - равновесие смещено влево, и газа выделяется мало. Для количественных задач нагрев обязателен.

Отличается ли реакция на $\text{NH}_4^+$ от реакции на молекулярный $\text{NH}_3$? При взаимодействии со щёлочью отличие принципиально: сам $\text{NH}_3$ со щёлочью не реагирует (оба основания), а ион $\text{NH}_4^+$ - реагирует. Реактив Несслера одинаково реагирует как на $\text{NH}_4^+$, так и на $\text{NH}_3$ (оба дают один и тот же красно-бурый осадок), поэтому его применяют для суммарного определения аммиачного азота.

Коротко

Качественная реакция на ион аммония $\text{NH}_4^+$ с NaOH при нагревании выделяет аммиак ($\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \to \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$), который обнаруживается по резкому запаху и посинению влажной лакмусовой бумажки. Объём газа при н.у. рассчитывается как $V = (m \cdot w / M) \cdot 22{,}4$ л/моль. Для следовых количеств $\text{NH}_4^+$ применяют реактив Несслера, дающий красно-бурый осадок уже при $0{,}05$ мкг аммиака.