"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Азот образует несколько оксидов, азотную кислоту HNO₃ и её соли — нитраты. Их свойства связаны с тем, в какой степени окисления находится азот: одни оксиды не образуют кислот, другие соответствуют кислотам. HNO₃ не только проявляет свойства сильной кислоты, но и окисляет металлы, поэтому водород обычно не выделяется. Нитраты применяют, в частности, в удобрениях, а при нагревании они разлагаются по-разному в зависимости от металла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксиды азота — соединения азота с кислородом, например N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Они различаются числом атомов элементов и степенью окисления азота — условным зарядом атома в соединении. Это помогает предсказать, будет ли оксид реагировать с водой и образовывать кислоту.
Азотная кислота HNO₃ — сильная одноосновная кислота, то есть одна её молекула может отдавать один ион водорода H⁺. В молекуле есть один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода. Кислотные свойства объясняют реакции с основаниями и основными оксидами, а строение и высокая степень окисления азота — окислительные свойства.
Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие нитрат-ион NO₃⁻. Например, формулы нитрата натрия и нитрата кальция — NaNO₃ и Ca(NO₃)₂; нитрат-ионы входят в состав многих удобрений. Большинство нитратов растворяется в воде, а их характерное превращение при нагревании — разложение.
Степень окисления азота — число, которое показывает условное распределение электронов между атомами в соединении. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, а кислород обычно имеет степень −2. Это правило позволяет сравнивать оксиды и понимать, почему азотная кислота способна принимать электроны в окислительно-восстановительных реакциях.
В формулах N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅ кислород обычно имеет степень окисления −2. Поскольку молекулы нейтральны, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю: для N₂O азот в среднем имеет +1, далее значения составляют +2, +3, +4 и +5. В N₂O и NO атомы азота могут быть неравноценны, поэтому указанная степень окисления для N₂O — средняя. Постепенное изменение состава показывает, что азот образует несколько устойчивых кислородных соединений.
Оксиды отличаются химическим характером не только формулой, но и способностью образовывать соли. N₂O и NO — несолеобразующие: они не дают соответствующих кислот при взаимодействии с водой. N₂O₃ и N₂O₅ — кислотные оксиды: им соответствуют азотистая HNO₂ и азотная HNO₃ кислоты. NO₂ тоже связан с образованием кислот: при реакции с водой получается смесь азотистой и азотной кислот.
Для получения азотной кислоты из NO₂ используют воду и кислород. Если пропустить диоксид азота через воду без дополнительного кислорода, образуются HNO₂ и HNO₃, поэтому часть азота остаётся в кислоте со степенью окисления +3. Кислород окисляет эту часть до +5, и суммарное уравнение полного превращения имеет вид 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃. Следовательно, кислород необходим, чтобы весь азот оказался в составе азотной кислоты.
Азотная кислота проявляет обычные свойства кислот: реагирует с основаниями, основными оксидами и некоторыми солями. Но в отличие от многих кислот она является окислителем: азот со степенью +5 принимает электроны, поэтому при реакции с металлом обычно получается не водород, а продукт восстановления азота. Концентрированная кислота часто восстанавливается до NO₂, а разбавленная — до NO или других соединений азота. Итог зависит и от активности металла, поэтому одинаковый продукт нельзя ожидать во всех реакциях.
Нитраты получают нейтрализацией азотной кислоты основаниями, основными оксидами или карбонатами; также кислота реагирует с некоторыми металлами. При нагревании соли разлагаются, причём направление зависит от активности металла. Нитраты активных металлов, кроме лития, обычно превращаются в нитриты с выделением кислорода; нитраты металлов средней активности дают оксид, NO₂ и O₂. При нагревании нитратов малоактивных металлов образуются металл, диоксид азота и кислород.
| Соединение | Степень окисления азота | Характер соединения | Характерное свойство или превращение |
|---|---|---|---|
| N₂O | +1 в среднем | Несолеобразующий оксид | Не образует кислоту при взаимодействии с водой |
| NO | +2 | Несолеобразующий оксид | Не образует кислоту при взаимодействии с водой |
| N₂O₃ | +3 | Кислотный оксид | Соответствует кислоте HNO₂ |
| NO₂ | +4 | Кислотный оксид | С водой и кислородом образует HNO₃ |
| N₂O₅ | +5 | Кислотный оксид | Соответствует кислоте HNO₃ |
| HNO₃ | +5 | Сильная одноосновная кислота, окислитель | Реагирует с металлами, обычно без выделения H₂ |
| Нитраты | +5 | Соли азотной кислоты | Разлагаются при нагревании |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите формулу и степень окисления азота, затем сопоставьте их с характером соединения. Это помогает отличить несолеобразующие оксиды от кислотных и предсказать основные превращения. Для нитратов при нагревании дополнительно учитывайте активность металла.
Задача 1. Определите степень окисления азота в NO₂ и N₂O₅ и укажите, где она выше. Используйте правило: сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю. Степень окисления кислорода в этих оксидах равна −2.
Ответ: в NO₂ азот имеет степень окисления +4, в N₂O₅ — +5; более высокая степень окисления — в N₂O₅.
Задача 2. Составьте уравнение получения азотной кислоты из NO₂ при участии воды и кислорода. При записи учитывайте, что нужен кислород: он обеспечивает полное превращение азота в кислоту, где его степень окисления равна +5. После записи формул проверьте число атомов каждого элемента.
Ответ: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.
Задача 3. Запишите реакцию меди с концентрированной азотной кислотой, назовите продукты и определите окислитель. Медь окисляется до ионов Cu²⁺, а азот из HNO₃ восстанавливается до NO₂. Поэтому реакция не сопровождается выделением водорода.
Ответ: Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Продукты — нитрат меди(II), диоксид азота и вода; окислитель — азотная кислота, точнее азот в составе нитрат-иона.
Ошибка — считать все оксиды азота кислотными. Так думают, потому что многие оксиды неметаллов действительно образуют кислоты с водой. Но N₂O и NO — несолеобразующие; проверяйте характер каждого вещества отдельно и не выводите его только из того, что азот — неметалл.
Ошибка — ожидать от азотной кислоты тех же продуктов, что и от неокисляющих кислот. Ученик может вспомнить схему «кислота + металл → соль + водород», однако HNO₃ окисляет металл и сама восстанавливается. Проверьте, есть ли в уравнении продукт восстановления азота: водород обычно не выделяется.
Ошибка — записывать один и тот же продукт восстановления азота при реакциях металлов с HNO₃. Это упрощение кажется удобным, но результат зависит от концентрации кислоты и активности металла. Перед составлением уравнения выясните эти условия: возможны, например, NO₂ и NO.
Ошибка — считать, что все нитраты при нагревании дают одинаковые вещества. Путают реакции, потому что забывают учитывать металл в составе соли. Сверьте его активность: соли активных металлов обычно дают нитриты, металлов средней активности — оксиды, а малоактивных — металлы.
Для работы с оксидами и кислотами нужны знания формул веществ, правил определения степеней окисления и составления уравнений. Без них трудно определить состав продуктов и проверить баланс атомов.
Реакции металлов с HNO₃ относятся к окислительно-восстановительным: металл отдаёт электроны, а азот их принимает. Поэтому понятия окислителя и восстановителя помогают объяснить, почему водород обычно не образуется.
Нитраты встречаются в минеральных удобрениях и связаны с круговоротом азота в природе. Попадание их избытка в водоёмы и почву может нарушать экологическое равновесие.
Почему у азота несколько оксидов?
Азот может отдавать разное число электронов и поэтому иметь в соединениях разные степени окисления. С кислородом он образует оксиды с азотом от +1 до +5.
Какие оксиды азота являются кислотными?
Кислотными являются N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Им соответствуют кислоты: HNO₂, а для NO₂ — смесь HNO₂ и HNO₃ при взаимодействии с водой, и HNO₃.
Почему азотная кислота считается окислителем?
В HNO₃ азот имеет высокую степень окисления +5 и может принимать электроны, то есть восстанавливаться. Поэтому кислота окисляет многие металлы и другие вещества.
Почему при реакции металла с азотной кислотой обычно не выделяется водород?
Азотная кислота выступает окислителем: вместо ионов водорода восстанавливаются атомы азота из состава кислоты. Поэтому обычно образуются вода и соединения азота, например NO₂ или NO, а не H₂.
От чего зависят продукты разложения нитратов при нагревании?
Они зависят от активности металла, входящего в состав соли. Нитраты активных металлов обычно дают нитриты, соли металлов средней активности — оксиды, а нитраты малоактивных металлов — металлы.
§ 31. Кислородные соединения азота
