"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Кислородные соединения азота — это оксиды, а также азотистая и азотная кислоты с их солями. Их свойства зависят от степени окисления азота: одни оксиды почти не реагируют с водой, другие образуют кислоты, а NO₂ проявляет двойственный характер. Азотная кислота важна для получения удобрений и химического сырья, но её реакции с металлами отличаются от обычного взаимодействия кислот. Понимание связи состава, степени окисления и свойств помогает предсказывать реакции и составлять уравнения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксиды азота — бинарные соединения азота с кислородом, в которых азот может иметь несколько степеней окисления. К ним относятся N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Разнообразие формул объясняется тем, что азот образует связи с кислородом в разных соотношениях. Сравнение этих оксидов помогает проследить, как изменение состава отражается на химических свойствах.
Азотистая кислота HNO₂ — слабая и неустойчивая кислота, в которой азот имеет степень окисления +3. Её соли называются нитритами, например NaNO₂. Понятие нужно, чтобы распознавать продукты превращений N₂O₃ и отличать нитриты от нитратов. Нитраты содержат ион NO₃⁻, а нитриты — NO₂⁻.
Азотная кислота HNO₃ — сильная одноосновная кислота и окислитель; степень окисления азота в ней равна +5. Её соли называются нитратами, например KNO₃. Сильные окислительные свойства означают, что кислота принимает электроны в реакциях и при этом восстанавливается. Это определение помогает предсказывать продукты взаимодействия HNO₃ с металлами.
Свойства оксида связаны со степенью окисления азота и типом химической связи в частице. N₂O и NO относят к несолеобразующим оксидам: при обычных условиях они не дают кислот или солей при взаимодействии с водой и щелочами. Поэтому сам факт наличия кислорода в формуле ещё не означает, что оксид кислотный. Для сравнения нужно учитывать и состав, и реальные химические свойства.
Оксиды N₂O₃ и N₂O₅ называют ангидридами соответствующих кислот: при взаимодействии с водой они образуют HNO₂ и HNO₃. Причина в том, что их состав согласуется с удалением воды из кислоты или её присоединением к оксиду. Например, N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. N₂O₃ неустойчив, поэтому его превращения часто рассматривают как связь между азотистым ангидридом и HNO₂.
Диоксид азота NO₂ содержит азот со степенью окисления +4, промежуточной между +3 и +5. Поэтому при реакции с водой часть азота может восстановиться до +3, а часть — окислиться до +5: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. Такое одновременное окисление и восстановление одного элемента называется диспропорционированием. Именно оно объясняет, почему продуктом оказывается смесь двух кислот, а не только одна.
Азотистая кислота неустойчива и может разлагаться: 3HNO₂ → HNO₃ + 2NO + H₂O. В этой реакции часть атомов азота повышает степень окисления с +3 до +5, а часть понижает её до +2. Азотная кислота устойчивее и проявляет свойства сильной кислоты, но её взаимодействие с металлами определяется прежде всего окислительной способностью. Поэтому при реакции обычно выделяется не водород, а продукт восстановления азота.
Концентрированная HNO₃ часто восстанавливается до NO₂, а разбавленная — до NO, однако конечный продукт зависит также от металла и условий реакции. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, не обязательно вытесняют водород из азотной кислоты, как это происходит с некоторыми другими кислотами. Причина — перенос электронов от металла к азоту в нитрат-ионе. Уравнение такой реакции составляют с учётом электронного баланса и конкретных условий.
| Соединение | Степень окисления N | Характерные свойства | Связь с кислотой или солью |
|---|---|---|---|
| N₂O | +1 | Несолеобразующий оксид | Не образует соответствующую кислоту при реакции с водой |
| NO | +2 | Несолеобразующий оксид | Не образует соответствующую кислоту при реакции с водой |
| N₂O₃ | +3 | Кислотный оксид, неустойчив | Соответствует HNO₂ и нитритам |
| NO₂ | +4 | Оксид, способный к диспропорционированию | С водой образует HNO₂ и HNO₃ |
| N₂O₅ | +5 | Кислотный оксид | Соответствует HNO₃ и нитратам |
Пользуйся таблицей, чтобы связать формулу оксида со степенью окисления азота, а затем — с возможными продуктами реакции. Если степень окисления промежуточная, проверь, может ли вещество одновременно окисляться и восстанавливаться. Таблица показывает основные закономерности, но сами продукты реакции также зависят от условий.
Задача. Какую массу NO₂ можно получить при взаимодействии 12,6 г меди с избытком концентрированной азотной кислоты? Уравнение реакции: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Требуется найти количество меди, по коэффициентам определить количество диоксида азота, а затем перевести его в массу. Избыток кислоты означает, что ограничивающим реагентом является медь.
Запишем молярную массу меди: M(Cu) ≈ 63,5 г/моль. Количество меди равно n(Cu) = m/M = 12,6/63,5 ≈ 0,198 моль. Это количество участвует в расчёте, потому что коэффициент Cu в уравнении равен единице.
Сравним коэффициенты уравнения: из 1 моль Cu образуется 2 моль NO₂. Значит, n(NO₂) = 2 × 0,198 ≈ 0,396 моль. Такой переход допустим только после уравнивания реакции, иначе соотношение веществ будет неверным.
Вычислим молярную массу NO₂: M(NO₂) = 14 + 2 × 16 = 46 г/моль. Тогда m(NO₂) = nM = 0,396 × 46 ≈ 18,2 г. Округляем результат до трёх значащих цифр, как и исходные данные.
Ответ: теоретически можно получить примерно 18,2 г NO₂. Проверка показывает, что количество продукта больше количества исходной меди в молях ровно в два раза, как требуют коэффициенты. Это не означает, что масса продукта обязана быть больше или меньше массы меди в той же пропорции: у NO₂ и Cu разные молярные массы. В реальном опыте выход продукта может оказаться ниже теоретического.
Первая ошибка — считать все оксиды азота кислотными. Её допускают, потому что многие неметаллы образуют кислотные оксиды, но N₂O и NO — исключения. Проверяй себя не по общему правилу, а по способности оксида образовывать кислоту или соль в характерных реакциях.
Вторая ошибка — путать нитриты с нитратами, а HNO₂ с HNO₃. Названия похожи, но формулы и степени окисления разные: у азота в нитрите +3, в нитрате +5. Перед записью уравнения проверь число атомов кислорода и заряд иона. Так проще не ошибиться в формулах солей.
Третья ошибка — записывать при реакции металла с HNO₃ выделение H₂ по аналогии с соляной кислотой. Это происходит потому, что ученик переносит знакомую схему на кислоту с иными свойствами. Проверь, является ли кислота окислителем, и учти возможный продукт восстановления азота. Его выбор зависит от концентрации кислоты и природы металла.
Тема опирается на понятия степеней окисления и окислительно-восстановительных реакций: без них сложно объяснить превращения NO₂ и реакции азотной кислоты с металлами. Она также связана с классификацией оксидов и кислот, поскольку свойства веществ позволяют отличать кислотные оксиды от несолеобразующих. Знание формул нитритов и нитратов помогает изучать соли и качественные реакции на ионы. В химии окружающей среды оксиды азота рассматривают как загрязнители воздуха и участников образования кислотных осадков.
§ 43. Кислородные соединения азота
