Катион аммония представляет собой положительно заряженный многоатомный ион с химической формулой NH . +4или [NH 4 ] + . Он образуется при протонировании аммиака ( NH 3 ) . Аммоний также является общим названием положительно заряженных (протонированных) замещенных аминов и катионов четвертичного аммония ( [NR 4 ] + ), где один или несколько атомов водорода заменены органическими или другими группами (обозначены R).
Ион аммония образуется, когда аммиак, слабое основание, реагирует с кислотами Бренстеда ( донорами протонов ):
Ион аммония является умеренно кислым и реагирует с основаниями Бренстеда, возвращаясь к незаряженной молекуле аммиака:
Так, обработка концентрированных растворов солей аммония сильным основанием дает аммиак. Когда аммиак растворяется в воде, небольшое его количество превращается в ионы аммония:
Степень, в которой аммиак образует ион аммония, зависит от pH раствора. Если pH низкий, равновесие смещается вправо: большее количество молекул аммиака превращается в ионы аммония. Если pH высокий (концентрация ионов водорода низкая, а ионов гидроксида высокая), равновесие смещается влево: гидроксид- ион отрывает протон от иона аммония, образуя аммиак.
Образование соединений аммония может происходить и в паровой фазе; например, когда пары аммиака вступают в контакт с парами хлористого водорода, образуется белое облако хлорида аммония, которое в конечном итоге оседает в виде твердого вещества тонким белым слоем на поверхностях.
Катион аммония содержится в различных солях, таких как карбонат аммония , хлорид аммония и нитрат аммония . Большинство простых солей аммония хорошо растворимы в воде. Исключением является гексахлорплатинат аммония , образование которого когда-то использовалось как тест на аммоний. Аммонийные соли нитратов и особенно перхлоратов взрывоопасны, восстановителем в этих случаях является аммоний.
В ходе необычного процесса ионы аммония образуют амальгаму . Такие виды получают добавлением амальгамы натрия к раствору хлорида аммония. [2] Эта амальгама со временем разлагается с выделением аммиака и водорода. [3]
Чтобы определить, присутствует ли в соли ион аммония, сначала соль нагревают в присутствии гидроксида щелочного металла , выделяя газ с характерным запахом — аммиак .
Для дальнейшего подтверждения наличия аммиака его пропускали через стеклянную палочку, смоченную в растворе HCl ( соляной кислоты ), создавая белые плотные пары хлорида аммония .
Аммиак при пропускании через раствор CuSO 4 ( сульфат меди(II) ) меняет цвет с синего на темно-синий, образуя реактив Швейцера .
Аммиак или ион аммония при добавлении к реактиву Несслера дает в основной среде осадок коричневого цвета, известный как йодид основания Миллиона.
Ион аммония при добавлении к платинохлористоводородной кислоте дает желтый осадок гексахлорплатината(IV) аммония .
Ион аммония при добавлении к кобальтинитриту натрия дает желтый осадок кобальтинитрита аммония.
Ион аммония при добавлении к битартрату калия дает белый осадок битартрата аммония .
Неподеленная электронная пара атома азота (N) в аммиаке, представленная линией над N, образует координатную связь с протоном ( H + ). После этого все четыре связи N-H эквивалентны и являются полярными ковалентными связями . Ион имеет тетраэдрическую структуру и изоэлектронен метану и борогидрид- аниону . По размеру катион аммония ( r ionic = 175 пм) [ нужна ссылка ] напоминает катион цезия ( r ionic = 183 пм). [ нужна цитата ]
Атомы водорода в ионе аммония могут быть замещены алкильной группой или какой-либо другой органической группой с образованием замещенного иона аммония ( номенклатура ИЮПАК : ион аминия ). В зависимости от количества органических групп катион аммония называют первичным , вторичным , третичным или четвертичным . За исключением катионов четвертичного аммония, органические катионы аммония являются слабыми кислотами.
Примером реакции образования иона аммония является реакция между диметиламином ( CH 3 ) 2 NH и кислотой с образованием катиона диметиламмония [(CH 3 ) 2 NH 2 ] + :
Катионы четвертичного аммония имеют четыре органические группы, присоединенные к атому азота, у них отсутствует атом водорода, связанный с атомом азота. Эти катионы, такие как катион тетра- н -бутиламмония , иногда используются для замены ионов натрия или калия для увеличения растворимости связанного аниона в органических растворителях . Первичные, вторичные и третичные соли аммония выполняют ту же функцию, но менее липофильны . Они также используются в качестве катализаторов фазового переноса и поверхностно-активных веществ .
Необычным классом органических аммониевых солей являются производные катион -радикалов амина [•NR 3 ] + , такие как трис(4-бромфенил)аммониумилгексахлорантимонат .
Ионы аммония являются побочным продуктом обмена веществ животных . У рыб и водных беспозвоночных он выделяется непосредственно в воду. У млекопитающих , акул и амфибий она превращается в цикле мочевины в мочевину , поскольку мочевина менее токсична и может храниться более эффективно. У птиц , рептилий и наземных улиток метаболический аммоний превращается в мочевую кислоту , которая является твердой и поэтому может выводиться из организма с минимальной потерей воды. [4]
Аммоний является важным источником азота для многих видов растений, особенно произрастающих на гипоксических почвах. Однако он также токсичен для большинства видов сельскохозяйственных культур и редко применяется в качестве единственного источника азота. [5]
Катион аммония имеет свойства, очень похожие на катионы более тяжелых щелочных металлов , и его часто считают близким эквивалентом. [6] [7] [8] Ожидается, что аммоний будет вести себя как металл ( [NH 4 ] + ионы в море электронов ) при очень высоких давлениях, например, внутри гигантских газовых планет, таких как Уран и Нептун . [7] [8]
В обычных условиях аммоний не существует в виде чистого металла, а существует в виде амальгамы ( сплава с ртутью ). [9]