§ 35. Кислородные соединения азота - окислители

Определения и обозначения

Оксид азота(IV), NO₂, — соединение, состоящее из атома азота и двух атомов кислорода. Его молекула имеет угловое строение, а азот находится в степени окисления +4. NO₂ — бурый ядовитый газ с резким запахом; он опасен при вдыхании и реагирует с водой. Формула помогает отличать этот оксид от других соединений азота.

Азотная кислота, HNO₃, — сильная одноосновная кислота, то есть в водном растворе она отдаёт один ион водорода H⁺. Азот в ней имеет степень окисления +5, поэтому кислота может принимать электроны и проявлять окислительные свойства. Это важно учитывать при записи её реакций с металлами: они отличаются от обычных реакций металлов с кислотами.

Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие нитрат-ион NO₃⁻. Этот ион состоит из одного атома азота и трёх атомов кислорода и имеет заряд −1. Например, формула нитрата калия — KNO₃. Наличие нитрат-иона позволяет распознавать соли азотной кислоты в формулах и уравнениях.

Окислитель — вещество, которое принимает электроны в ходе реакции и при этом восстанавливается. Восстановление означает понижение степени окисления элемента. Чтобы определить окислитель, сравнивают степени окисления до и после реакции. Это правило помогает не путать окислитель с веществом, которое отдаёт электроны.

Как это устроено

Азот образует несколько кислородных соединений, и в них его степень окисления различается: в NO₂ она равна +4, а в HNO₃ и NO₃⁻ — +5. Степень окисления показывает условный заряд атома при распределении электронов по правилам химической связи. Чем выше она у азота, тем меньше возможностей для дальнейшего окисления, но остаётся возможность принять электроны. Поэтому сравнение степеней окисления помогает предположить, может ли соединение быть окислителем.

В NO₂ азот со степенью окисления +4 может принять электроны и перейти в соединение, где его степень окисления ниже. Так происходит, например, при окислении металлов: металл отдаёт электроны, а азот их принимает. Поэтому NO₂ способен выступать окислителем, хотя его поведение зависит от того, с каким веществом он реагирует. Направление изменения проверяют по степеням окисления в исходных веществах и продуктах.

При реакции NO₂ с водой без дополнительного кислорода часть азота переходит из +4 в +5, а часть — в +3. Так образуются азотная HNO₃ и азотистая HNO₂ кислоты: 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂. Если в смеси есть кислород, он принимает электроны и способствует переходу азота к степени окисления +5. Тогда суммарное уравнение имеет вид 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

В HNO₃ азот имеет наибольшую для рассматриваемых здесь соединений степень окисления +5, поэтому может принимать электроны от металла. Металл при этом отдаёт электроны и окисляется, а азотная кислота выступает окислителем. Ионы водорода не восстанавливаются до H₂, потому что электроны принимает азотсодержащая частица. В результате обычно образуются соль, вода и продукт восстановления азота.

Продукт восстановления азота зависит от концентрации кислоты и активности металла, то есть от его способности отдавать электроны. Например, медь с концентрированной HNO₃ обычно образует NO₂, а с разбавленной — NO. При взаимодействии очень разбавленной кислоты с активными металлами азот может восстановиться сильнее, например до аммоний-иона NH₄⁺. Поэтому перед составлением уравнения нужно определить условия реакции, а затем проверить баланс атомов и электронов.

Кислородные соединения азота и их окислительные свойства

Сначала по формуле найдите степень окисления азота, затем сверьте её со свойствами вещества. Последний столбец показывает, что именно образуется в характерных реакциях, но для металлов необходимо учитывать концентрацию кислоты и активность металла. Так таблица помогает связать состав вещества с его поведением, а не просто выучить отдельные формулы.

Разбор задач

1. Степень окисления азота в NO₂

Условие. Определите степень окисления азота в NO₂ и укажите, может ли это соединение быть окислителем. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления −2.

1. Обозначим степень окисления азота через x, а для двух атомов кислорода учтём суммарное значение 2 · (−2) = −4.
2. Составим равенство для нейтральной молекулы: x − 4 = 0, значит, x = +4.
3. Проверим возможность восстановления: азот со степенью окисления +4 может принять электроны и перейти к меньшей степени окисления. Значит, NO₂ может быть окислителем в подходящей реакции.

Ответ: степень окисления азота равна +4; NO₂ может выступать окислителем, если азот в реакции принимает электроны.

2. Реакция NO₂ с водой в присутствии кислорода

Условие. Составьте уравнение реакции NO₂ с водой, если в реакции участвует кислород. По условию нужно учесть образование азотной кислоты. В уравнении должны совпадать числа атомов каждого элемента в левой и правой частях.

1. Запишем схему: NO₂ + O₂ + H₂O → HNO₃. Наличие кислорода позволяет получить азотную кислоту, где азот имеет степень окисления +5.
2. Сначала уравняем азот: поставим коэффициент 4 перед NO₂ и HNO₃. Для водорода поставим коэффициент 2 перед H₂O.
3. Проверим кислород: слева 8 + 2 + 2 = 12 атомов, справа 12. Водорода слева и справа по 4 атома, поэтому уравнение сбалансировано.

Ответ: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃. В этой реакции кислород O₂ принимает электроны, а азот в NO₂ повышает степень окисления с +4 до +5.

3. Медь и концентрированная азотная кислота

Условие. Составьте уравнение реакции меди с концентрированной HNO₃ и определите окислитель и восстановитель. При этих условиях продуктом восстановления азота обычно является бурый газ NO₂. Медь переходит в раствор в составе нитрата меди(II).

1. Запишем схему: Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O. Медь меняет степень окисления с 0 до +2, то есть отдаёт два электрона.
2. Азот в HNO₃ имеет степень окисления +5, а в NO₂ — +4. Каждый атом азота принимает один электрон, поэтому для двух электронов меди образуются две молекулы NO₂.
3. Подберём остальные коэффициенты и проверим атомы: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Число атомов Cu, H, N и O совпадает по обе стороны.

Ответ: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Окислитель — HNO₃, точнее азот со степенью окисления +5 в её составе; восстановитель — медь, отдающая электроны.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при реакции металла с HNO₃ обязательно выделяется водород. Такое ожидание возникает из-за знакомой схемы реакции металла с кислотой, но азотная кислота сама принимает электроны. Проверьте, какой элемент понижает степень окисления: обычно это азот, а продуктом становится соединение азота, а не H₂.

Ошибка: записывать одинаковые продукты для разбавленной и концентрированной HNO₃. Условия реакции меняют глубину восстановления азота, поэтому один и тот же металл может давать разные продукты. Перед записью уравнения уточните концентрацию кислоты и активность металла, а затем проверьте степени окисления.

Ошибка: путать NO₂ и NO₃⁻. Похожие обозначения могут сбивать с толку, но NO₂ — нейтральная молекула оксида, а NO₃⁻ — заряженный нитрат-ион. Проверяйте число атомов кислорода и наличие заряда: это разные частицы с разными свойствами.

Ошибка: назначать O₂ окислителем в реакции NO₂ с водой, не проверив степени окисления. Иногда роль вещества определяют по его названию или привычной реакции, а не по изменению электронов. Сравните степени окисления до и после: кислород O₂ принимает электроны, переходя из 0 в −2, а азот в NO₂ окисляется с +4 до +5.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно уметь определять степени окисления, составлять формулы оксидов и кислот и расставлять коэффициенты методом электронного баланса. Эти навыки позволяют объяснить, почему конкретное вещество является окислителем или восстановителем, а не просто запоминать уравнения. Позже они пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, свойств металлов и кислот. Знание нитратов также связано с темой минеральных удобрений, поскольку многие нитраты применяются в сельском хозяйстве.

Что запомнить

• В NO₂ азот имеет степень окисления +4.
• NO₂ при взаимодействии с водой образует кислоты азота; в присутствии кислорода образуется азотная кислота.
• Азотная кислота проявляет окислительные свойства благодаря азоту в степени окисления +5.
• При взаимодействии металлов с HNO₃ обычно образуются продукты восстановления азота, а не водород.
• Продукты реакции металла с азотной кислотой зависят от концентрации кислоты и активности металла.
• Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие ион NO₃⁻.