"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Кислородсодержащие соединения азота включают оксиды, азотную кислоту и её соли — нитраты. В них азот проявляет разные степени окисления, поэтому вещества отличаются строением и химическими свойствами. Диоксид азота — бурый ядовитый газ, азотная кислота — сильная кислота и окислитель, а нитраты применяют как удобрения. Нужно научиться определять состав соединений, записывать их реакции и объяснять экологические последствия избытка нитратов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диоксид азота — соединение состава NO₂, в котором азот имеет степень окисления +4. Это бурый ядовитый газ с резким запахом, опасный при вдыхании. Его формула и цвет помогают отличать NO₂ от бесцветного оксида азота(II).
Азотная кислота имеет формулу HNO₃; её молекула содержит атом водорода, атом азота и три атома кислорода. В растворе она почти полностью распадается на ионы, поэтому относится к сильным одноосновным кислотам. Одноосновной называют кислоту, способную отщепить один ион H⁺.
Нитрат — это ион NO₃⁻, состоящий из атома азота и трёх атомов кислорода и имеющий заряд −1. Он входит в состав солей азотной кислоты. По записи NO₃⁻ можно определить, что в формуле соли присутствует именно нитрат, а не нитрит NO₂⁻.
Нитраты — соли азотной кислоты, например KNO₃, NaNO₃, Cu(NO₃)₂ и NH₄NO₃. Большинство нитратов растворяется в воде и при нагревании разлагается с выделением кислорода или диоксида азота. Растворимость и способность отдавать кислород объясняют применение нитратов в удобрениях и пиротехнических составах.
Степень окисления азота меняется в зависимости от числа атомов кислорода и состава соединения. В NO кислород имеет −2, поэтому азот равен +2; в NO₂ сумма степеней окисления равна нулю, и азот имеет +4. В HNO₃ и ионе NO₃⁻ азот имеет максимальную для школьного курса степень окисления +5.
Диоксид азота образуется при окислении оксида азота(II): 2NO + O₂ → 2NO₂. Причина изменения цвета и свойств — присоединение кислорода и повышение степени окисления азота. В воде NO₂ реагирует сразу по нескольким направлениям: 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂, поэтому оксиды азота участвуют в природном круговороте азота и образовании кислотных осадков.
Сильные кислотные свойства HNO₃ связаны с её почти полной диссоциацией в воде: HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻. Поэтому раствор изменяет окраску индикаторов, реагирует с основаниями и основными оксидами, образуя соль и воду. Например, HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O.
Азотная кислота — сильный окислитель, потому что азот в ней имеет степень окисления +5 и может восстанавливаться. При реакции с металлами металл отдаёт электроны, а продукты восстановления азота зависят от концентрации кислоты и активности металла: образуются NO₂, NO, N₂O или другие соединения, но обычно не H₂. Поэтому для разбавленной кислоты и меди: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
Нитраты получают взаимодействием азотной кислоты с металлами, основными оксидами, основаниями или карбонатами. При нагревании состав продуктов определяется активностью металла: 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂, а 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂. Благодаря растворимости нитраты используют как удобрения, но их избыток вымывается в водоёмы и нарушает равновесие экосистем.
| Соединение | Формула | Степень окисления азота | Характерные свойства | Типичная реакция |
|---|---|---|---|---|
| Оксид азота(II) | NO | +2 | Бесцветный газ, на воздухе окисляется | 2NO + O₂ → 2NO₂ |
| Диоксид азота | NO₂ | +4 | Бурый ядовитый газ, реагирует с водой | 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂ |
| Азотная кислота | HNO₃ | +5 | Сильная кислота и окислитель | HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O |
| Нитраты | NO₃⁻ в составе солей | +5 | Обычно растворимы, разлагаются при нагревании | 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂ |
Таблицу удобно читать по цепочке «формула — степень окисления — свойство — реакция». Если нужно определить вещество, сначала найдите его формулу, затем проверьте степень окисления азота и тип реакции. По последнему столбцу можно быстро вспомнить наиболее характерное превращение.
Задача 1. Определите степень окисления азота в NO₂ и HNO₃ и укажите, какое из соединений является кислотой. Нужно применить правило: сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю. Затем классифицируем вещества по составу.
Ответ: в NO₂ азот имеет +4, в HNO₃ — +5; кислотой является HNO₃.
Задача 2. Запишите реакцию меди с разбавленной азотной кислотой и назовите продукты. Медь не вытесняет водород из HNO₃, потому что кислота выступает окислителем. Для разбавленной кислоты продуктом восстановления азота является NO.
Ответ: образуются нитрат меди(II), оксид азота(II) и вода.
Задача 3. При нагревании KNO₃ массой 20,2 г образовались KNO₂ и кислород. Требуется найти объём O₂ при н. у. Сначала определяем количество нитрата калия, затем используем соотношение веществ из уравнения.
Ответ: образуются нитрит калия и кислород; объём кислорода равен 2,24 л.
Ошибка: считать, что азотная кислота всегда вытесняет водород из металлов. Её азот восстанавливается, поэтому продуктом обычно становится NO₂, NO или другое соединение азота. Проверка: ищите в продуктах не H₂, а возможный продукт восстановления окислителя.
Ошибка: путать NO и NO₂. Различаются и число атомов кислорода, и степени окисления азота: +2 в NO и +4 в NO₂. Проверяйте индекс у кислорода и цвет газа: NO бесцветен, NO₂ бурый.
Ошибка: записывать нитрат-ион как NO₂⁻. Формула NO₃⁻ относится к нитрату, а NO₂⁻ — к нитриту. Перед составлением формулы соли посчитайте атомы кислорода в кислотном остатке.
Ошибка: считать, что все нитраты разлагаются одинаково. Продукты зависят от металла: KNO₃ даёт нитрит, а многие другие соли образуют оксид металла и NO₂. Сначала определите металл, затем выберите подходящую схему разложения.
Для понимания темы нужны правила определения степеней окисления, составления формул и уравнений. Также пригодятся свойства кислот, оксидов и солей: по ним можно предсказывать продукты реакций азотной кислоты.
Знания связаны с окислительно-восстановительными реакциями, потому что азот меняет степень окисления. Они помогают объяснить действие минеральных удобрений, круговорот азота и экологические последствия загрязнения воздуха и воды.
Почему азотная кислота не выделяет водород при реакции с металлами?
Азотная кислота является сильным окислителем, поэтому окисляет металл, а сама восстанавливается до соединений азота. Ионы H⁺ обычно не превращаются в H₂, поэтому водород не выделяется.
Чем диоксид азота отличается от оксида азота(II)?
Оксид азота(II) имеет формулу NO, а диоксид азота — NO₂. В NO азот имеет степень окисления +2, а в NO₂ — +4; NO — бесцветный газ, тогда как NO₂ — бурый ядовитый газ.
Как распознать нитрат-ион?
Нитрат-ион имеет формулу NO₃⁻ и входит в состав солей азотной кислоты. В школьных опытах его наличие подтверждают специальными реакциями, например восстановлением в кислой среде с выделением или обнаружением продуктов восстановления азота.
Что образуется при нагревании нитратов?
Продукты зависят от металла в составе соли. Нитраты щелочных металлов обычно дают нитрит и кислород, многие другие нитраты — оксид металла, диоксид азота и кислород.
Почему избыток азотных удобрений опасен для водоёмов?
Растворимые нитраты попадают с почвы в реки и озёра. Они ускоряют рост водорослей, а разложение их остатков уменьшает содержание кислорода и может привести к гибели водных организмов.
§ 37. Кислородсодержащие соединения азота
