§ 18. Кислородные соединения азота

Определения и обозначения

Оксиды азота — бинарные соединения азота с кислородом, то есть вещества, состоящие из атомов только двух элементов. Азот имеет переменные степени окисления, поэтому образует несколько оксидов с разным составом и свойствами. Это объясняет разнообразие соединений и помогает связывать формулу вещества с его химическим поведением.

Монооксид азота NO — оксид азота(II). Это бесцветный газ, который получают, например, взаимодействием азота с кислородом при высокой температуре; на воздухе он быстро превращается в NO₂. Формула и название нужны, чтобы не путать NO с диоксидом азота.

Диоксид азота NO₂ — оксид азота(IV), бурый токсичный газ с резким запахом. Он реагирует с водой и щелочами, образуя кислоты или их соли. Поэтому NO₂ относят к кислотным оксидам и рассматривают как опасный загрязнитель воздуха.

Азотная кислота HNO₃ — кислота, соответствующая высшему оксиду азота N₂O₅. В реакциях она образует нитраты — соли азотной кислоты, например NaNO₃. Связь N₂O₅ и HNO₃ показывает, как кислотный оксид превращается в соответствующую кислоту.

Как это устроено

Азот способен отдавать разное число электронов при образовании химических связей, поэтому его степень окисления меняется от +1 до +5. Чем она выше, тем больше кислорода может приходиться на атом азота: например, в NO азот имеет +2, а в NO₂ — +4. Расчёт проводят по правилу: кислород обычно имеет степень окисления −2, а сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю. Так объясняется существование N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅.

NO получают при соединении азота с кислородом: N₂ + O₂ → 2NO. Реакция требует высокой температуры, потому что молекулы азота очень прочны и при обычных условиях почти не реагируют. Образовавшийся NO бесцветен, так как почти не поглощает видимый свет. На воздухе он встречается с кислородом и быстро окисляется: 2NO + O₂ → 2NO₂.

NO₂ имеет бурый цвет и резкий запах из-за особенностей строения его молекул и поглощения света. Газ ядовит: он раздражает дыхательные пути и при попадании во влажные ткани образует кислоты. При охлаждении две молекулы NO₂ соединяются в бесцветный димер N₂O₄: 2NO₂ ⇄ N₂O₄. Поэтому охлаждённый газ светлеет, а при нагревании равновесие смещается обратно к бурому NO₂.

При растворении NO₂ в воде происходит не простое образование одной кислоты, а реакция с участием двух продуктов: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. С щёлочью образуются соли обеих кислот, например 2NO₂ + 2NaOH → NaNO₂ + NaNO₃ + H₂O. Различие объясняется тем, что в воде возникают азотистая кислота и азотная кислота, а в щелочной среде они нейтрализуются гидроксидом натрия.

Оксид азота(III) N₂O₃ считают ангидридом азотистой кислоты: N₂O₃ + H₂O → 2HNO₂. Высший оксид N₂O₅ связан с азотной кислотой: N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. Такие оксиды называют кислотными, потому что они дают кислоты при взаимодействии с водой и соли при реакции со щелочами.

Основные кислородные соединения азота

В таблице степень окисления показывает, сколько условных электронов азот отдал или принял при образовании соединения. В графе реакций приведены наиболее характерные превращения, по которым удобно сравнивать вещества между собой.

Разбор задач

1. Определение степеней окисления и названий

Нужно определить степень окисления азота в N₂O, NO, NO₂ и N₂O₅. Кислород в этих оксидах имеет степень окисления −2. Используем равенство суммы степеней окисления нулю.

1. В N₂O: 2x − 2 = 0, значит x = +1. Это оксид азота(I).
2. В NO: x − 2 = 0, значит x = +2. Это монооксид, или оксид азота(II).
3. В NO₂: x − 4 = 0, значит x = +4. Это диоксид, или оксид азота(IV).
4. В N₂O₅: 2x − 10 = 0, значит x = +5. Это оксид азота(V).

Ответ: N₂O — оксид азота(I), NO — оксид азота(II), NO₂ — оксид азота(IV), N₂O₅ — оксид азота(V). Индекс 2 у азота в последней формуле обязательно учитывается в расчёте.

2. Цепочка превращений N₂ → NO → NO₂ → HNO₃

Нужно последовательно записать реакции, чтобы каждое следующее вещество получалось из предыдущего. Сначала азот окисляется кислородом, затем NO превращается в NO₂, а последний оксид реагирует с водой. После записи проверяем число атомов каждого элемента.

1. Получение монооксида: N₂ + O₂ → 2NO. Справа ставим коэффициент 2 перед NO, чтобы сохранить два атома азота.
2. Окисление монооксида: 2NO + O₂ → 2NO₂. Два атома кислорода слева распределяются между двумя молекулами продукта.
3. Образование кислот: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. Справа один атом азота входит в HNO₂, второй — в HNO₃.

Ответ: N₂ + O₂ → 2NO; 2NO + O₂ → 2NO₂; 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. В цепочке образуется не только HNO₃, но и HNO₂.

3. Объёмы газов при окислении NO

Пусть дан объём NO, например 10 л, и требуется найти объёмы кислорода и NO₂. Уравнение реакции 2NO + O₂ → 2NO₂ показывает соотношение объёмов газов при одинаковых условиях. Коэффициенты дают отношение 2 : 1 : 2.

1. На 2 объёма NO нужен 1 объём O₂, поэтому V(O₂) = 10 л · 1/2 = 5 л.
2. Из 2 объёмов NO образуются 2 объёма NO₂, следовательно, объём продукта равен объёму исходного NO.
3. Получаем V(NO₂) = 10 л. Условия задачи позволяют применять объёмные отношения газов напрямую.

Ответ: для 10 л NO потребуется 5 л O₂, а образуется 10 л NO₂. Для любого другого объёма NO кислород равен его половине, а объём NO₂ — исходному объёму NO.

Типичные ошибки

Считать все оксиды азота кислотными неверно: NO почти не образует соли и относится к несолеобразующим оксидам. Ошибку допускают, перенося свойства NO₂ на все соединения; проверка — выяснить, реагирует ли вещество с водой и щёлочью.

NO и NO₂ путают из-за похожих названий и формул. У NO азот имеет +2, газ бесцветный, а у NO₂ степень окисления +4 и газ бурый; полезно каждый раз пересчитывать степень окисления по индексу кислорода.

При реакции NO₂ с водой нельзя записывать только HNO₃. Правильное уравнение содержит и HNO₂: 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂; равенство атомов азота сразу помогает обнаружить пропуск продукта.

Коэффициенты иногда расставляют по внешнему виду формул, не проверяя атомы. После составления уравнения нужно отдельно посчитать атомы азота, кислорода и водорода слева и справа, а затем сократить общие множители.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны правила определения степеней окисления, составления формул бинарных соединений, свойства кислорода и признаки оксидов, кислот и солей. Переменные степени окисления объясняются строением атома азота и его способностью участвовать в разных типах химических связей.

Знания пригодятся при изучении азотной кислоты и нитратов, а также круговорота азота в природе. Оксиды азота участвуют в образовании кислотных дождей и загрязнении воздуха, поэтому тема связана с экологией и охраной окружающей среды.

Что запомнить

• Азот образует несколько оксидов, поскольку проявляет переменные степени окисления.
• NO — бесцветный газ, который на воздухе окисляется до бурого NO₂.
• NO₂ — токсичный кислотный оксид азота(IV).
• При взаимодействии NO₂ с водой образуются азотистая и азотная кислоты.
• N₂O₅ является высшим кислотным оксидом азота и соответствует HNO₃.
• Оксиды азота участвуют в образовании кислотных дождей и загрязнении воздуха.