stringtranslate.com

Аммоний

Аммоний — это модифицированная форма аммиака , которая имеет дополнительный атом водорода. Это положительно заряженный ( катионный ) молекулярный ион с химической формулой NH+4или [NH 4 ] + . Он образуется путем присоединения протона (ядра водорода) к аммиаку ( NH 3 ). Аммоний также является общим названием для положительно заряженных (протонированных) замещенных аминов и четвертичных аммониевых катионов ( [NR 4 ] + ), где один или несколько атомов водорода заменены органическими или другими группами (обозначаются как R). Аммоний не только является источником азота и ключевым метаболитом для многих живых организмов, но и является неотъемлемой частью глобального азотного цикла . [2] Таким образом, воздействие человека в последние годы может оказать влияние на биологические сообщества, которые зависят от него.

Кислотно-основные свойства

Пары соляной кислоты и аммиака образуют белое облако хлорида аммония

Ион аммония образуется, когда аммиак, слабое основание, реагирует с кислотами Бренстеда ( донорами протонов ):

Н + + NH 3 → [NH 4 ] +

Ион аммония является слабокислым и реагирует с основаниями Бренстеда, возвращаясь к незаряженной молекуле аммиака:

[NH4 ] + + В − → НВ + NH3

Так, обработка концентрированных растворов солей аммония сильным основанием дает аммиак. При растворении аммиака в воде небольшое его количество переходит в ионы аммония:

Н 2 О + NH 3 ⇌ OH − + [NH 4 ] +

Степень, в которой аммиак образует ион аммония, зависит от pH раствора. Если pH низкий, равновесие смещается вправо: больше молекул аммиака преобразуется в ионы аммония. Если pH высокий (концентрация ионов водорода низкая, а гидроксид-ионов высокая), равновесие смещается влево: гидроксид- ион отрывает протон от иона аммония, образуя аммиак.

Образование соединений аммония может происходить и в паровой фазе; например, при контакте паров аммиака с парами хлористого водорода образуется белое облако хлорида аммония, которое в конечном итоге оседает в виде твердого вещества тонким белым слоем на поверхностях.

Соли и характерные реакции

Образование аммония

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 гексахлороплатинат аммония , образование которого когда-то использовалось в качестве теста на аммоний. Аммонийные соли нитрата и особенно перхлората очень взрывоопасны, в этих случаях аммоний является восстановителем.

В необычном процессе ионы аммония образуют амальгаму . Такие виды получают путем добавления амальгамы натрия к раствору хлорида аммония. [3] Эта амальгама в конечном итоге разлагается с выделением аммиака и водорода. [4]

Чтобы определить, присутствует ли в соли ион аммония, сначала ее нагревают в присутствии гидроксида щелочного металла, выделяя газ с характерным запахом, который является аммиаком .

[NH4 ] + + ОН − нагревать→ NH3 + Н2О​​

Для дальнейшего подтверждения наличия аммиака его пропускают через стеклянную палочку, смоченную в растворе HCl ( соляной кислоте ), в результате чего образуются белые густые пары хлорида аммония .

NH 3 (г) + HCl(водн.) → [NH 4 ]Cl(тв.)

При пропускании аммиака через раствор CuSO4 ( сульфат меди(II) ) цвет меняется с синего на темно-синий, образуя реагент Швейцера .

CuSO 4 (водн.) + 4 NH 3 (водн.) + 4 H 2 O → [Cu(NH 3 ) 4 (H 2 O) 2 ](OH) 2 (водн.) + H 2 SO 4 (водн.)

При добавлении аммиака или иона аммония к реактиву Несслера образуется осадок коричневого цвета, известный как иодид основания Миллиона в щелочной среде.

Ион аммония при добавлении к платинохлористоводородной кислоте дает желтый осадок гексахлороплатината (IV) аммония .

H 2 [PtCl 6 ](водн.) + [NH 4 ] + (водн.) → [NH 4 ] 2 [PtCl 6 ](тв.) + 2 H +

При добавлении иона аммония к кобальтинонитриту натрия образуется желтый осадок кобальтинонитрита аммония.

Na 3 [Co(NO 2 ) 6 ](водн.) + 3 [NH 4 ] + (водн.) → [NH 4 ] 3 [Co(NO 2 ) 6 ](тв) + 3 Na + (водн.)

Ион аммония дает белый осадок битартрата аммония при добавлении к битартрату калия .

KC4H5O6 ( водн . ) + [NH4 ] + ( водн.) → [NH4 ] C4H5O6 ( тв . ) + K + ( водн .)

Структура и связь

Неподеленная электронная пара на атоме азота (N) в аммиаке, представленная в виде линии над N, образует координационную связь с протоном ( H + ). После этого все четыре связи N−H эквивалентны, являясь полярными ковалентными связями . Ион имеет тетраэдрическую структуру и изоэлектронен метану и аниону борогидрида . По размеру катион аммония ( r ionic  = 175 пм) [ необходима цитата ] напоминает катион цезия ( r ionic  = 183 пм). [ необходима цитата ]

Органические ионы

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 числа органических групп катион аммония называется 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, в результате которой образуется катион диметиламмония , [(CH 3 ) 2 NH 2 ] + :

Четвертичные аммониевые катионы 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 с целью повышения растворимости связанного аниона в органических растворителях . Первичные, вторичные и третичные аммониевые соли выполняют ту же функцию, но менее липофильны . Они также используются в качестве катализаторов фазового переноса и поверхностно-активных веществ .

Необычный класс органических аммониевых солей — производные катион -радикалов аминов , [•NR 3 ] + , такие как трис(4-бромфенил)аммонийил гексахлорантимонат .

Биология

Аммоний существует в результате аммонификации и разлагателей . Аммоний в конечном итоге нитрифицируется, где он способствует потоку азота через экосистему. Влияние человека здесь не показано, но может повлиять на глобальный цикл азота .

Поскольку азот часто ограничивает чистую первичную продукцию из-за его использования в ферментах , которые опосредуют биохимические реакции, необходимые для жизни, аммоний используется некоторыми микробами и растениями. [5] Например, энергия высвобождается при окислении аммония в процессе, известном как нитрификация , в результате которого образуются нитрат и нитрит . [6] Этот процесс является формой автотрофии , которая распространена среди Nitrosomonas , Nitrobacter , Nitrosolobus и Nitrosospira , среди других. [6]

Количество аммония в почве, доступное для нитрификации микробами, варьируется в зависимости от условий окружающей среды. [7] [8] Например, аммоний откладывается в виде отходов некоторых животных, хотя он преобразуется в мочевину у млекопитающих, акул и земноводных, а также в мочевую кислоту у птиц, рептилий и наземных улиток. [9] Его доступность в почвах также зависит от минерализации , которая делает больше аммония доступным из органических источников азота , и иммобилизации , которая изолирует аммоний в органических источниках азота , оба из которых смягчаются биологическими факторами. [6]

И наоборот, нитрат и нитрит могут быть восстановлены до аммония, что позволяет живым организмам получить доступ к азоту для роста в процессе, известном как ассимиляционное восстановление нитрата. [10] После усвоения он может быть включен в белки и ДНК . [11]

Аммоний может накапливаться в почвах, где нитрификация замедлена или подавлена, что часто встречается в гипоксических почвах. [12] Например, мобилизация аммония является одним из ключевых факторов симбиотической связи между растениями и грибами, называемой микоризой . [13] Однако растения, которые постоянно используют аммоний в качестве источника азота , часто должны вкладывать средства в более обширные корневые системы из-за ограниченной подвижности аммония в почвах по сравнению с другими источниками азота . [14] [15]

Влияние человека

В последние годы осаждение аммония из атмосферы увеличилось из-за испарения из отходов животноводства и увеличения использования удобрений. [16] Поскольку чистая первичная продукция часто ограничивается азотом , повышенный уровень аммония может повлиять на биологические сообщества, которые зависят от него. Например, было показано, что повышение содержания азота увеличивает рост растений, но ухудшает уровень фосфора в почве, что может повлиять на микробные сообщества. [17]

Металл

Катион аммония имеет очень похожие свойства со свойствами более тяжелых катионов щелочных металлов и часто считается близким эквивалентом. [18] [19] [20] Ожидается, что аммоний будет вести себя как металл ( ионы [NH 4 ] + в море электронов ) при очень высоких давлениях, например, внутри гигантских планет, таких как Уран и Нептун . [19] [20]

В нормальных условиях аммоний не существует как чистый металл, а существует в виде амальгамы (сплава с ртутью ). [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005). Кембридж (Великобритания): RSC – IUPAC . ISBN  0-85404-438-8 . С. 71,105,314. Электронная версия.
  2. ^ Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (2020-01-01), Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (ред.), «Глава 12 - Глобальные циклы азота, фосфора и калия», Биогеохимия (четвертое издание) , Academic Press, стр. 483–508, doi :10.1016/b978-0-12-814608-8.00012-8, ISBN 978-0-12-814608-8, получено 2024-03-08
  3. ^ "Псевдобинарные соединения". Архивировано из оригинала 2020-07-27 . Получено 2007-10-12 .
  4. ^ "Соли аммония". Энциклопедия VIAS .
  5. ^ Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (2020-01-01), Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (ред.), «Глава 12 - Глобальные циклы азота, фосфора и калия», Биогеохимия (четвертое издание) , Academic Press, стр. 483–508, doi :10.1016/b978-0-12-814608-8.00012-8, ISBN 978-0-12-814608-8, получено 2024-03-08
  6. ^ abc Россволл, Т. (1982). «Микробиологическая регуляция биогеохимического цикла азота / Regulación microbiana del ciclo bíogeoquímico del nitrógeno». Растение и почва . 67 (1/3): 15–34. дои : 10.1007/BF02182752. ISSN  0032-079Х. JSTOR  42934020.
  7. ^ Барсдейт, Роберт Дж.; Александр, Вера (январь 1975 г.). «Баланс азота в арктической тундре: пути, показатели и экологические последствия». Журнал качества окружающей среды . 4 (1): 111–117. Bibcode : 1975JEnvQ...4..111B. doi : 10.2134/jeq1975.00472425000400010025x. ISSN  0047-2425.
  8. ^ Надельхоффер, Кнут Дж.; Абер, Джон Д.; Мелилло, Джерри М. (1984-10-01). «Сезонные закономерности поглощения аммония и нитрата в девяти лесных экосистемах умеренного пояса». Растения и почва . 80 (3): 321–335. Bibcode : 1984PlSoi..80..321N. doi : 10.1007/BF02140039. ISSN  1573-5036.
  9. ^ Кэмпбелл, Нил А.; Рис, Джейн Б. (2002). Биология. Архив Интернета. Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-8053-6624-2.
  10. ^ Тиедже, Дж. М.; Сёренсен, Дж.; Чанг, Й.-Й. Л. (1981). «Ассимиляционное и диссимиляционное восстановление нитрата: перспективы и методология одновременного измерения нескольких процессов азотного цикла». Экологические бюллетени (33): 331–342. ISSN  0346-6868. JSTOR  45128674.
  11. ^ Llácer, José L; Fita, Ignacio; Rubio, Vicente (2008-12-01). «Аргинин и хранение азота». Current Opinion in Structural Biology . Catalysis and regulation / Proteins. 18 (6): 673–681. doi :10.1016/j.sbi.2008.11.002. hdl : 10261/111022 . ISSN  0959-440X. PMID  19013524.
  12. ^ Ван, Лисинь; Мако, Стивен А. (март 2011 г.). «Ограниченные предпочтения в поглощении азота различными видами растений и средами». Plant, Cell & Environment . 34 (3): 525–534. doi :10.1111/j.1365-3040.2010.02260.x. ISSN  0140-7791. PMID  21118424.
  13. ^ Ходж, Анджела; Сторер, Кейт (2015-01-01). «Арбускулярная микориза и азот: последствия для отдельных растений через экосистемы». Растения и почва . 386 (1): 1–19. Bibcode : 2015PlSoi.386....1H. doi : 10.1007/s11104-014-2162-1. ISSN  1573-5036.
  14. ^ Равен, Джон А.; Линда, Бернд Волленвебер; Хэндли, Л. (май 1992 г.). «Аммиак и потоки аммония между фотолитотрофами и окружающей средой в связи с глобальным циклом азота». New Phytologist . 121 (1): 5–18. doi :10.1111/j.1469-8137.1992.tb01087.x. ISSN  0028-646X.
  15. ^ Bloom, AJ; Jackson, LE; Smart, DR (март 1993). «Рост корней как функция аммония и нитрата в корневой зоне». Plant, Cell & Environment . 16 (2): 199–206. doi :10.1111/j.1365-3040.1993.tb00861.x. ISSN  0140-7791.
  16. ^ Акерман, Дэниел; Миллет, Дилан Б.; Чэнь, Синь (январь 2019 г.). «Глобальные оценки отложения неорганического азота за четыре десятилетия». Глобальные биогеохимические циклы . 33 (1): 100–107. Bibcode : 2019GBioC..33..100A. doi : 10.1029/2018GB005990. ISSN  0886-6236.
  17. ^ Дун, Цзюньфу; Цуй, Сяоюн; Ню, Хайшань; Чжан, Цзин; Чжу, Чуаньлу; Ли, Линьфэн; Пан, Чжэ; Ван, Шипин (2022-06-20). «Влияние добавления азота на свойства растений и микробиомы при высоком уровне добавления фосфора в альпийской степи». Frontiers in Plant Science . 13 . doi : 10.3389/fpls.2022.894365 . ISSN  1664-462X. PMC 9251499 . PMID  35795351. 
  18. ^ Холлеман, Арнольд Фредерик; Виберг, Эгон (2001), Виберг, Нильс (ред.), Неорганическая химия , перевод Иглсон, Мэри; Брюэр, Уильям, Сан-Диего/Берлин: Academic Press/De Gruyter, ISBN 0-12-352651-5
  19. ^ ab Stevenson, DJ (20 ноября 1975 г.). «Существует ли металлический аммоний?». Nature . 258 (5532): 222–223. Bibcode : 1975Natur.258..222S. doi : 10.1038/258222a0. S2CID  4199721.
  20. ^ ab Bernal, MJM; Massey, HSW (3 февраля 1954 г.). "Металлический аммоний". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 114 (2): 172–179. Bibcode : 1954MNRAS.114..172B. doi : 10.1093/mnras/114.2.172 .
  21. ^ Риди, Дж. Х. (1 октября 1929 г.). «Лекция-демонстрация амальгамы аммония». Журнал химического образования . 6 (10): 1767. Bibcode : 1929JChEd...6.1767R. doi : 10.1021/ed006p1767.