§ 31. Кислородные соединения азота

Определения и обозначения

Оксид азота(II) — бесцветный газ NO, состоящий из атомов азота и кислорода. Степень окисления азота равна +2. На воздухе NO окисляется кислородом до бурого NO₂, поэтому это соединение важно как промежуточный продукт.

Оксид азота(IV) — бурый токсичный газ NO₂, в котором степень окисления азота равна +4. Он взаимодействует с водой с образованием кислот, а кислород помогает превратить продукты этой реакции в азотную кислоту. Так NO₂ связывает оксиды азота с кислотами.

Азотная кислота — сильная одноосновная кислота HNO₃. Одноосновной называют кислоту, от одной молекулы которой может отщепиться один ион водорода. Кроме кислотных свойств, HNO₃ проявляет окислительные свойства.

Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие нитрат-ион NO₃⁻ и положительный ион металла или аммония. Например, KNO₃ — нитрат калия, а Cu(NO₃)₂ — нитрат меди(II). Нитраты наследуют способность нитрат-иона участвовать в окислительно-восстановительных превращениях.

Как это устроено

В NO кислород имеет степень окисления −2, поэтому азот получает значение +2. В NO₂ на два атома кислорода приходится суммарный заряд −4, и степень окисления азота становится +4. Рост степени окисления означает, что азот отдаёт часть электронной плотности и соединение NO может окисляться дальше.

При встрече с кислородом воздуха молекулы NO присоединяют его атомы: 2NO + O₂ → 2NO₂. В этой реакции азот переходит из +2 в +4, а кислород понижает свою степень окисления с 0 до −2. Бурый цвет появляется именно потому, что образуется NO₂, тогда как исходный NO бесцветен.

NO₂ реагирует с водой неоднозначно: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. При этом часть азота восстанавливается до +3 в HNO₂, а часть окисляется до +5 в HNO₃. Если в системе есть кислород, азотистая кислота и другие промежуточные продукты окисляются, поэтому суммарно записывают 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

HNO₃ проявляет кислотные свойства в реакциях обмена: с основанием образует соль и воду, например HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O. С основным оксидом реакция также даёт соль и воду: 2HNO₃ + CuO → Cu(NO₃)₂ + H₂O. Но с металлом кислота действует как окислитель: в реакции Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O медь окисляется, а азот восстанавливается с +5 до +4.

Состав, свойства и превращения кислородных соединений азота

Сначала по таблице определяйте формулу и степень окисления азота, затем сопоставляйте их с цветом и агрегатным состоянием вещества. Последняя и предпоследняя строки помогают восстановить цепочку превращений от NO к нитратам. Уравнение реакции лучше проверять по атомам и изменению степеней окисления.

Разбор задач

1. Окисление оксида азота(II)

Нужно записать реакцию NO с кислородом и проследить изменение степени окисления азота. Кислород является окислителем, поэтому азот в NO должен перейти из +2 в более высокую степень. Продуктом является NO₂.

1. Записываем схему: NO + O₂ → NO₂.
2. Уравниваем атомы кислорода и азота: 2NO + O₂ → 2NO₂.
3. Сравниваем степени окисления: N(+2) → N(+4), азот окисляется.

Ответ: 2NO + O₂ → 2NO₂; степень окисления азота увеличивается с +2 до +4.

2. Получение азотной кислоты

Из NO₂, воды и кислорода нужно получить HNO₃. Одной воды недостаточно для записи полного окисления: без кислорода образуется также HNO₂. Поэтому учитываем участие O₂ и подбираем коэффициенты по водороду, азоту и кислороду.

1. Записываем схему: NO₂ + H₂O + O₂ → HNO₃.
2. Ставим коэффициент 4 перед NO₂ и HNO₃, чтобы уравнять азот.
3. После этого 2H₂O уравнивают водород, а O₂ — оставшиеся атомы кислорода: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

Ответ: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

3. Реакция меди с концентрированной азотной кислотой

Медь массой 6,4 г реагирует с избытком концентрированной HNO₃. Для такой кислоты продукт восстановления азота — NO₂: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Сначала найдём количество меди, затем по коэффициентам определим количество и объём NO₂.

1. n(Cu) = m/M = 6,4 г / 64 г/моль = 0,1 моль.
2. По уравнению 1 моль Cu образует 2 моль NO₂, значит n(NO₂) = 0,2 моль.
3. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, поэтому V(NO₂) = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.

Ответ: объём образовавшегося NO₂ равен 4,48 л.

Типичные ошибки

Ошибка — считать NO и NO₂ одним веществом. Их формулы различаются: в NO один атом кислорода, а в NO₂ — два, поэтому меняются степень окисления и свойства. Проверьте себя, вычислив степень окисления азота по формуле.

Ошибка — называть NO₂ бесцветным газом. Такой вывод иногда переносят с NO, который действительно бесцветен, но NO₂ имеет бурый цвет и токсичен. Сверяйте не только название оксида, но и его формулу.

Ошибка — ожидать водород при реакции металла с HNO₃. Азотная кислота сама принимает электроны и восстанавливается до оксидов азота, поэтому водород обычно не выделяется. Проверьте, указан ли в условии продукт восстановления азота.

Ошибка — записывать реакцию NO₂ с водой как образование только HNO₃. В воде возможны HNO₂ и HNO₃, а при участии кислорода суммарным продуктом становится HNO₃. Уточняйте условия реакции перед расстановкой коэффициентов.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны правила составления формул и уравнений, определения степеней окисления и свойства кислот. Эти знания позволяют не угадывать продукты, а проверять их по зарядам и сохранению атомов.

Превращения NO, NO₂ и HNO₃ показывают окислительно-восстановительные реакции: степень окисления азота изменяется от +2 до +4 и +5. Они связаны с круговоротом азота в природе и превращениями его соединений.

Дальше эти сведения пригодятся при изучении солей и удобрений, многие из которых являются нитратами. Они также помогают понять экологические последствия выбросов оксидов азота: загрязнение воздуха и образование кислотных осадков.

Что запомнить

• В NO степень окисления азота равна +2, в NO₂ — +4, в HNO₃ — +5.
• Оксид NO бесцветен и на воздухе окисляется до бурого NO₂.
• Оксид NO₂ токсичен и реагирует с водой.
• Азотная кислота — сильная одноосновная кислота и окислитель.
• При взаимодействии HNO₃ с металлами обычно не выделяется водород.
• Соли азотной кислоты называются нитратами.