"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Оксиды азота — бинарные соединения азота с кислородом, в которых азот проявляет разные степени окисления. Поэтому известны несколько таких веществ: от N₂O до N₂O₅. Одни из них нейтральны, другие связаны с образованием кислот. NO окисляется на воздухе, а NO₂ при охлаждении образует N₂O₄. Знание формул и свойств оксидов помогает понимать химические процессы в атмосфере и причины загрязнения воздуха.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксиды азота — это бинарные соединения, состоящие из атомов азота и кислорода. Бинарными называют вещества из двух химических элементов. Азот образует несколько оксидов, потому что способен проявлять разные степени окисления, то есть условные заряды атомов в соединении. Поэтому формулы и свойства его оксидов не одинаковы.
Оксид азота(I) — соединение N₂O, которое также называют закисью азота. Число I в названии указывает на среднюю степень окисления азота в формуле. В отличие от большинства известных оксидов азота, N₂O при обычных условиях сравнительно малоактивен и относится к нейтральным оксидам. Эта особенность помогает не смешивать его с веществами, образующими кислоты.
Оксид азота(II) — соединение NO, в котором азот имеет степень окисления +2. Это бесцветный газ и нейтральный оксид. Его характерная особенность — реакция с кислородом воздуха: NO превращается в диоксид азота NO₂. Поэтому оксид азота(II) неустойчив при контакте с воздухом.
Диоксид азота — NO₂, оксид азота(IV), в котором на один атом азота приходятся два атома кислорода. Это бурый газ с резким запахом, способный реагировать с водой. При охлаждении молекулы NO₂ соединяются попарно, образуя N₂O₄ — димер, то есть частицу из двух одинаковых молекул. Переход обратим и зависит от температуры.
Чтобы найти степень окисления азота, используют известное правило: кислород в большинстве оксидов имеет степень окисления −2, а сумма степеней окисления атомов нейтральной молекулы равна нулю. Например, в N₂O два атома азота вместе должны уравновесить −2 кислорода, значит, на один атом азота приходится +1. В NO азоту соответствует +2, а в NO₂ — +4. Так становится понятно, почему у элемента в разных оксидах значения различаются.
Формула оксида зависит от соотношения атомов, которое обеспечивает электронейтральность соединения. В N₂O средняя степень окисления азота +1, в NO — +2, в N₂O₃ — +3, в NO₂ — +4, а в N₂O₅ — +5. Например, в N₂O₃ три атома кислорода дают суммарно −6, поэтому два атома азота вместе имеют +6. Для N₂O₅ кислород даёт −10, и два атома азота в сумме должны иметь +10.
Оксиды различаются не только формулами, но и химическим характером. N₂O и NO считают нейтральными: они не образуют кислоту при простом взаимодействии с водой. N₂O₃ и N₂O₅ — кислотные оксиды, потому что при взаимодействии с водой им соответствуют азотистая и азотная кислоты. NO₂ также реагирует с водой с образованием кислот азота, поэтому его нельзя считать нейтральным только на основании того, что в его формуле нет водорода.
Одна из заметных реакций — окисление NO кислородом воздуха: 2NO + O₂ → 2NO₂. Кислород принимает электроны, а степень окисления азота возрастает с +2 до +4. Затем при охлаждении две молекулы NO₂ могут обратимо соединиться: 2NO₂ ⇄ N₂O₄. При низкой температуре равновесие смещается к N₂O₄, поэтому бурый цвет газа становится менее заметным.
Оксиды азота появляются и в природе, и в результате деятельности человека. Например, при грозовых разрядах высокая температура помогает азоту и кислороду воздуха вступать в реакцию; оксиды образуются также при сжигании топлива в двигателях и на предприятиях. В атмосфере они участвуют в превращениях, приводящих к образованию кислот и смога. Когда выбросов слишком много, природные процессы не успевают их переработать, и качество воздуха ухудшается.
| Оксид | Степень окисления азота | Характер оксида | Характерное свойство или реакция |
|---|---|---|---|
| N₂O | +1 | Нейтральный | Сравнительно малоактивен при обычных условиях |
| NO | +2 | Нейтральный | Окисляется кислородом: 2NO + O₂ → 2NO₂ |
| N₂O₃ | +3 | Кислотный | При взаимодействии с водой образует HNO₂ |
| NO₂ | +4 | Кислотный | С водой образует HNO₃ и HNO₂; при охлаждении даёт N₂O₄ |
| N₂O₄ | +4 | Димер NO₂ | Образуется при объединении двух молекул NO₂ |
| N₂O₅ | +5 | Кислотный | При взаимодействии с водой образует HNO₃ |
Сначала сопоставьте формулу и степень окисления азота, затем смотрите на характер оксида и его типичную реакцию. Степень окисления +4 у N₂O₄ такая же, как у NO₂: димеризация не меняет состав каждой пары атомов азота и кислорода. Таблица помогает сравнивать соединения, но реакцию конкретного вещества нужно учитывать отдельно.
Задача 1. Определите степень окисления азота в N₂O и NO₂. Для решения используем степень окисления кислорода −2 и условие: сумма степеней окисления в молекуле равна нулю. Индекс показывает число атомов элемента и должен учитываться при подсчёте. Найдём неизвестное значение отдельно для каждой формулы.
Ответ: в N₂O азот имеет степень окисления +1, в NO₂ — +4. Проверка: сумма степеней окисления атомов в каждой формуле равна нулю. Важно не переносить индекс 2 с кислорода на азот или наоборот. Именно из-за индексов в формулах результаты для этих оксидов различаются.
Задача 2. Составьте уравнение реакции оксида азота(II) с кислородом и расставьте коэффициенты. Оксид NO при окислении превращается в NO₂, поэтому сначала записываем схему NO + O₂ → NO₂. В левой части есть молекула кислорода, а значит, коэффициенты нужно подобрать так, чтобы число атомов каждого элемента совпало. Начнём с азота и затем проверим кислород.
Ответ: 2NO + O₂ → 2NO₂. Коэффициент 2 перед NO₂ показывает, что образуются две молекулы продукта. Уравнение отражает окисление азота: его степень окисления меняется с +2 на +4. Проверка числа атомов подтверждает правильность коэффициентов.
Задача 3. При взаимодействии 4,6 г NO₂ с водой образуются азотная и азотистая кислоты. Найдите количество вещества каждой кислоты, считая реакцию полной. Запишем уравнение: 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂. По коэффициентам видно, что из двух молей NO₂ получается по одному молю каждой кислоты.
Ответ: n(HNO₃) = 0,05 моль и n(HNO₂) = 0,05 моль. Коэффициент воды в расчёте не ограничивает выход, поскольку её количество в условии не задано и реакция считается полной. Отношение количеств продуктов определяется коэффициентами перед формулами кислот.
Ошибочно считать, что во всех оксидах азот имеет одну степень окисления. Это происходит, если запомнить только один пример и переносить его на остальные формулы. Проверяйте каждый оксид отдельно: умножьте степень окисления кислорода на число его атомов и найдите значение азота из условия электронейтральности.
Путаница между N₂O и NO₂ приводит к неверному подсчёту атомов и неправильной степени окисления. Индекс 2 в N₂O относится к азоту, а в NO₂ — к кислороду. Перед вычислениями внимательно прочитайте формулу и запишите уравнение с учётом каждого индекса; затем проверьте, что сумма степеней окисления равна нулю.
Не следует относить NO₂ к нейтральным оксидам только потому, что в формуле нет водорода. Такое заключение делают по внешнему виду формулы, а не по химическим свойствам. Проверьте, как оксид взаимодействует с водой: NO₂ образует азотную и азотистую кислоты, поэтому его связывают с кислотным характером.
При реакции NO₂ с водой нельзя записывать образование только одной кислоты. Иногда забывают, что азот в NO₂ имеет промежуточную степень окисления и в реакции образуются сразу два продукта. Сверьтесь с уравнением 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂ и проверьте баланс атомов: в правой части должны присутствовать обе кислоты.
Для изучения оксидов азота нужны правила составления формул бинарных соединений, определения степеней окисления и расстановки коэффициентов. Эти умения позволяют не заучивать каждую формулу отдельно, а проверять её по составу и электронейтральности. Уравнивание реакций показывает количественное соотношение реагентов и продуктов.
Тема связана с кислотными оксидами, азотной и азотистой кислотами, а также с круговоротом азота. Знание реакций помогает объяснить, как соединения азота превращаются в атмосфере и почему их избыток вреден. Выбросы оксидов азота связывают химию с проблемой загрязнения воздуха и экологией.
Почему у азота несколько оксидов?
Азот может отдавать или условно смещать к кислороду разное число электронов, поэтому в соединениях проявляет степени окисления от +1 до +5. Каждой степени окисления соответствуют свои состав и свойства оксида.
Как быстро определить степень окисления азота в его оксиде?
Примите степень окисления кислорода равной −2 и учтите, что сумма степеней окисления в нейтральной формуле равна нулю. Например, в NO₂ азот имеет степень окисления +4, поскольку x + 2 · (−2) = 0.
Чем оксид азота(II) отличается от диоксида азота?
Оксид азота(II) — это NO, нейтральный оксид, который на воздухе окисляется до NO₂. Диоксид азота NO₂ — бурый газ, взаимодействующий с водой с образованием азотной и азотистой кислот.
Почему NO₂ при охлаждении превращается в N₂O₄?
При охлаждении молекулы NO₂ объединяются попарно, образуя димер N₂O₄. Димеризация — обратимое соединение двух молекул; низкая температура способствует образованию N₂O₄.
Какие оксиды азота загрязняют атмосферу и откуда они появляются?
Особенно важны как загрязнители NO и NO₂, которые вместе часто обозначают NOₓ. Они образуются при высокотемпературном сгорании топлива в двигателях и на предприятиях, а также при природных процессах, например во время гроз. Избыток этих газов участвует в образовании смога и кислотных осадков.
§ 24. Оксиды азота
