Формула нашатырного спирта

Определение и формула нашатырного спирта

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Нашатырный спирт – это разбавленный ( $10\%$ ) раствор аммиака.

Формула – $NH_4OH$ или $NH_3 \cdot H_2O$

Молярная масса равна $35,046$ г/моль.

Физические свойства – бесцветная прозрачная жидкость со специфическим пронзительным запахом.

Хотя название гидроксид аммония подразумевает основание со строением $\left [ NH_4^+ \right ]\left [ OH^- \right ]$ , невозможно получить молекулы $NH_4OH$ , поскольку эти ионы не включают в себя значительной части всего находящегося в растворе аммиака за исключением сильно разбавленных растворов.

Химические свойства нашатырного спирта

В водных растворах гидроксид аммония депротонирует небольшое количество воды с образованием иона аммония и гидроксид-иона согласно следующему равновесию:
$NH_3+H_2O\leftrightarrows NH_4^++OH^-$
Нашатырный спирт проявляет основные свойства и реагирует с кислотами с образованием солей аммония:
$NH_4OH+HCl\rightarrow NH_4Cl+H_2O$
Вступает в реакцию с кислотными оксидами:
$NH_4OH+SO_2\rightarrow NH_4HSO_3$
Проявляет восстановительные свойства:
$2NH_4OH+2KMnO_4=2MnO_2\downarrow+N_2\uparrow+2KOH+4H_2O$
Также вступает в химическое взаимодействие с солями:
$3NH_4OH+AlCl_3=Al\left ( OH \right )_3 \downarrow +3NH_4Cl$

Применение

Нашатырный спирт применяется в качестве лекарственного средства и для бытовых нужд. В медицине его используют для возбуждения дыхания и выведения из обморока, при укусах насекомых применяется в виде примочек, при невралгиях используют наружно для растирания.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Сравните растворимость $AgCl$ в чистой воде и в нашатырном спирте $\omega \left ( NH_3 \right )=10\%$ или $0,1$ . Концентрацию нашатырного спирта считать неизменной, т.к. берется его избыток.

Решение

Рассмотрим гетерогенное равновесие осадок-раствор в чистой воде:

$AgCl \downarrow \leftrightarrows Ag^++Cl^-$

$C\left ( Ag^+ \right )=C\left ( Cl^- \right ) = 0$ моль/л — концентрация ионов серебра и хлорид-ионов до равновесия.

$C\left ( Ag^+ \right )=C\left ( Cl^- \right ) = x$ моль/л — концентрация ионов серебра и хлорид-ионов при равновесии.

Произведение растворимости $K_{sp}\left ( AgCl \right ) = 1,8\cdot 10^{-10}$ (из справочника)

$K_{sp} = \left [ Ag^+ \right ]\cdot \left [ Cl^- \right ]=x\cdot x=x^2$

Рассчитаем чему равен $x$ , выразив его из предыдущего уравнения.

$x=\sqrt{1,8\cdot 10^{-10}}=1,34\cdot 10^{-5}$ моль — растворимость в чистой воде.

Рассмотрим гетерогенное равновесие осадок-раствор в нашатырном спирте:

$AgCl \downarrow + 2NH_3\leftrightarrows \left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ]^++Cl^-$

В данном случае концентрации ионов при равновесии:

$\left [\left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ]^+ \right ]=\left [ Cl^- \right ]=y$

Запишем константу равновесия $K$ :

$K=\frac{\left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ]^+\cdot \left [ Cl^- \right ]}{\left [ NH_3 \right ]^{2}}$

Чтобы рассчитать $K$ домножим и поделим полученное выражение на концентрацию $\left [ Ag^+ \right ]$

$K=\frac{\left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ]^+\cdot \left [ Cl^- \right ]}{\left [ NH_3 \right ]^{2}}\cdot \frac{\left [ Ag^+ \right ]}{\left [ Ag^+ \right ]}$

Заметим, что $K_{sp}\left ( AgCl \right ) = \left [ Ag^+ \right ]\cdot \left [ Cl^- \right ]$ , поэтому запишем:

$\frac{\left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ]^+}{\left [ NH_3 \right ]^{2}\cdot \left [ Ag^+ \right ]}=\frac{1}{K_{instab.}\left ( \left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ] \right )}$

Тогда

$K=\frac{K_{sp}\left ( AgCl \right )}{K_{instab.}\left ( \left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ] \right )}$

Константа нестойкости $K_{instab.}=5,88\cdot 10^{-8}$ (из справочника)

Рассчитаем $K$

$K=\frac{K_{sp}\left ( AgCl \right )}{K_{instab.}}=\frac{1,8\cdot 10^{-10}}{5,88\cdot 10^{-8}}=3,06\cdot 10^{-3}$

Пересчитаем массовую долю $NH_3$ в молярность:

$C_M\left ( NH_3 \right )=\frac{\omega \left (NH_3 \right )\cdot \rho \left ( solution \right )\cdot 1000}{M\left ( NH_3 \right )}$

Плотность нашатырного спирта при $\omega \left ( NH_3 \right )=10\%$ равна $\rho = 0,9575$ г/мл (из справочника)

Молярная масса $M\left ( NH_3 \right )=17$ г/моль

Подставим численные значения в формулу для нахождения молярной концентрации аммиака:

$C_M\left ( NH_3 \right )=\frac{0,1\cdot 0,9575\cdot 1000}{17}=5,63$ моль/л

Тогда, константа равновесия будет равна:

$K=\frac{\left [ Ag\left ( NH_3 \right )_2 \right ]^+\cdot \left [ Cl^- \right ]}{\left [ NH_3 \right ]^{2}}=\frac{y\cdot y}{C_M^2\left ( NH_3 \right )}=\frac{y^2}{C_M^2\left ( NH_3 \right )}=3,06\cdot 10^{-3}$

Выразим $y$ :

$y=\sqrt{K\cdot C_M^2\left ( NH_3 \right )}=\sqrt{3,06\cdot 10^{-3}\cdot 5,63^{2}}=0,13$ моль/л — растворимость в нашатырном спирте

Сравним растворимость хлорида серебра в чистой воде и в нашатырном спирте:

$\frac{y}{x}=\frac{0,13}{1,34\cdot 10^{-5}}=9,7\cdot 10^{3}\approx 10000$ раз

Ответ

Растворимость хлорида серебра в нашатырном спирте больше чем в воде приблизительно в 10000 раз.

ПРИМЕР 2

Задание

Рассчитайте $pH$ раствора нашатырного спирта $(\omega \left ( NH_3 \right )=10\%)$ .

Решение

При растворении аммиака в воде образуется гидроксид аммония, который обратимо диссоциирует:

$NH_3+H_2O\rightarrow NH_4OH$

$NH_4OH \leftrightarrows NH_4^++OH^-$

Рассчитаем молярность из массовой доли:

$C_M\left ( NH_3 \right )=\frac{\omega \left (NH_3 \right )\cdot \rho \left ( solution \right )\cdot 1000}{M\left ( NH_3 \right )}=\frac{0,1\cdot 0,9575\cdot 1000}{17}=5,63 M$

Плотность раствора взята из справочных данных при $\omega \left ( NH_3 \right )=10\%$ .

Из стехиометрии образования $NH_4OH$ следует, что из одного моля аммиака образуется один моль гидроксида аммония, т.е.

$C_M\left ( NH_4OH \right )=C_M\left ( NH_3 \right )=5,63$ моль/л

Запишем равновесие в растворе:

$NH_4OH \leftrightarrows NH_4^++OH^-$

$C_M\left ( NH_4OH \right )$ — концентрация гидроксида аммония до равновесия

$C_M\left ( NH_4OH \right )-x$ — концентрация гидроксида аммония при равновесии

$\left [ NH_4^+ \right ]=\left [ OH^- \right ]=x$ — концентрации ионов при равновесии

Запишем константу диссоциации:

$K_d=\frac{\left [ NH_4^+ \right ]\cdot \left [ OH^- \right ]}{\left [ NH_4OH \right ]}=\frac{x\cdot x}{C_M-x}$

$K_d\left ( NH_4OH \right )=1,75\cdot 10^{-5}$ моль/л (из справочника)

Так как константа диссоциации много меньше 1, то диссоциация протекает слабо и гидроксид аммония находится в молекулярной форме. Таким образом:

$C_M-x\approx C_M$

В итоге:

$K_d=\frac{x^2}{C_M-x}\approx \frac{x^2}{C_M}$

$x=\sqrt{K_d\cdot C_M}=\sqrt{1,75\cdot 10^{-5}\cdot 5,63}=9,93\cdot 10^{-3}$ моль/л

Т.е. концентрация гидроксид-ионов:

$\left [ OH^- \right ]=x=9,93\cdot 10^{-3}$ моль/л

Рассчитаем $pH$ раствора

$pH=14-pOH=14-\left ( -\lg \left [ OH^- \right ] \right )=14+\lg \left [ OH^- \right ]=14+\lg \left ( 9,93\cdot 10^{-3} \right )=12$