"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Оксиды азота — соединения азота с кислородом, в которых азот имеет разные степени окисления: от +1 до +5. Поэтому вещества отличаются строением, окраской, химической активностью и характером оксида. N₂O и NO не образуют солей напрямую, а NO₂ и N₂O₅ проявляют кислотные свойства. Особенно важны превращения NO в бурый NO₂ и взаимодействие NO₂ с водой.
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, то есть вещества, состоящие из атомов только двух элементов. Их составы различны: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Это понятие объединяет вещества с неодинаковыми свойствами и помогает сравнивать их в одном ряду.
Оксид азота(I), N₂O, — бесцветный газ с несолеобразующим характером. Его получают, осторожно нагревая нитрат аммония: NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O. Газ применяют в медицине и как компонент некоторых газовых смесей.
Оксид азота(II), NO, — бесцветный газ, который на воздухе быстро окисляется до NO₂. Поэтому чистый NO трудно долго сохранять открытым. Его превращение показывает, что оксид способен вступать в окислительно-восстановительные реакции.
Оксид азота(IV), NO₂, — бурый ядовитый газ и кислотный оксид. При охлаждении его молекулы объединяются в бесцветный димер N₂O₄, а с водой он образует азотистую и азотную кислоты. Эти свойства объясняют его химическую опасность и роль в образовании кислотных осадков.
Азот образует несколько оксидов, потому что его атомы могут отдавать разное число электронов при образовании связей с более электроотрицательным кислородом. В рассматриваемом ряду степень окисления азота изменяется от +1 в N₂O до +5 в N₂O₅. Разное электронное строение влияет на устойчивость, агрегатное состояние и реакционную способность веществ.
Низшие оксиды N₂O и NO не проявляют обычных кислотно-основных свойств оксидов: при взаимодействии с водой они не образуют соответствующие кислоты в простой реакции. Более высокие оксиды связаны с кислотами: N₂O₃ можно рассматривать как ангидрид азотистой кислоты HNO₂, а N₂O₅ — как ангидрид азотной кислоты HNO₃. Поэтому повышение степени окисления обычно усиливает кислотный характер оксида.
При контакте NO с кислородом атомы азота повышают степень окисления с +2 до +4. Уравнение процесса: 2NO + O₂ → 2NO₂. Возникающие молекулы NO₂ поглощают видимый свет, поэтому бесцветный газ сменяется бурым; именно это изменение окраски позволяет заметить окисление.
В воде NO₂ подвергается диспропорционированию — реакции, в которой один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается. Часть азота переходит из +4 в +3 и образует HNO₂, а другая часть — из +4 в +5 и образует HNO₃: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. В присутствии избытка кислорода азотистая кислота дополнительно окисляется, поэтому итоговым продуктом становится преимущественно HNO₃: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.
При высокой температуре кислород реагирует с азотом воздуха, например в пламени, двигателях и электрических разрядах: N₂ + O₂ → 2NO. Затем NO окисляется до NO₂, который в атмосфере взаимодействует с водой и кислородом. Так образуются кислоты, участвующие в кислотных осадках, а сами оксиды азота загрязняют воздух и способствуют фотохимическому смогу.
| Оксид | Степень окисления азота | Агрегатное состояние и окраска | Характер оксида | Характерное свойство |
|---|---|---|---|---|
| N₂O | +1 | Газ, бесцветный | Несолеобразующий | Получают нагреванием NH₄NO₃; применяют в медицине |
| NO | +2 | Газ, бесцветный | Несолеобразующий | На воздухе окисляется до NO₂ |
| N₂O₃ | +3 | Жидкость или газ, тёмно-синий | Кислотный | Ангидрид азотистой кислоты |
| NO₂ (N₂O₄) | +4 | NO₂ — бурый газ; N₂O₄ — бесцветный димер | Кислотный | Димеризуется при охлаждении и реагирует с водой |
| N₂O₅ | +5 | Твёрдое бесцветное вещество | Кислотный | Ангидрид азотной кислоты |
Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить степень окисления и внешний вид, затем связать их с характером и реакциями оксида. Запись NO₂ (N₂O₄) означает равновесие между мономером и димером, а не одинаковые формулы одного вещества.
Составьте уравнение окисления NO кислородом воздуха и расставьте коэффициенты. Нужно определить продукт по изменению степени окисления азота, а затем проверить сохранение атомов.
Ответ: 2NO + O₂ → 2NO₂. Азот отдаёт электроны, а кислород принимает их, поэтому реакция является окислительно-восстановительной.
Запишите реакцию NO₂ с водой и объясните появление двух кислот. В исходном веществе азот имеет степень окисления +4, промежуточную между +3 и +5.
Ответ: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. Это диспропорционирование, а не простое образование одной кислоты.
Для получения 9,2 г NO₂ азот сжигают в кислороде, а затем полностью окисляют продукт. Требуется найти общий объём O₂ при нормальных условиях, поэтому сначала определяем количество NO₂.
Ответ: 4,48 л кислорода при н. у. Важно учесть обе стадии, поскольку кислород расходуется и при образовании NO, и при его превращении в NO₂.
Считать все оксиды азота кислотными — ошибка: N₂O и NO относятся к несолеобразующим. Её допускают, потому что многие оксиды неметаллов действительно являются кислотными. Проверяйте степень окисления и реакцию с водой, а не только принадлежность элемента к неметаллам.
Путать цвета NO и NO₂ тоже нельзя: NO бесцветен, а NO₂ бурый. Ошибка возникает из-за того, что оба вещества имеют похожие формулы и связаны превращением. Запомните уравнение 2NO + O₂ → 2NO₂: появление бурой окраски указывает на продукт.
Записывать при реакции NO₂ с водой только одну кислоту неправильно. Без особых условий образуются HNO₂ и HNO₃, потому что азот +4 одновременно переходит в +3 и +5. Проверка по степеням окисления сразу показывает необходимость двух продуктов.
Нельзя приравнивать NO₂ и N₂O₄: это разные молекулярные формулы. Между ними устанавливается равновесие 2NO₂ ⇄ N₂O₄, причём димеризация усиливается при охлаждении. Если видите N₂O₄, учитывайте отдельную молекулу димера и её бесцветность.
Для понимания темы нужны степени окисления, правила составления формул оксидов и электронный баланс. Свойства N₂O и NO опираются на различие между несолеобразующими и кислотными оксидами, а превращения NO и NO₂ — на окислительно-восстановительные реакции. Эти знания пригодятся при изучении азотной кислоты, круговорота азота и причин кислотных осадков.
Почему оксидов азота несколько?
Азот способен проявлять несколько степеней окисления, поэтому с кислородом образует ряд соединений разного состава. В оксидах азота реализуются степени окисления от +1 до +5.
Чем отличаются NO и NO₂?
NO — бесцветный газ с азотом в степени окисления +2, а NO₂ — бурый ядовитый газ со степенью окисления +4. На воздухе NO окисляется кислородом до NO₂, поэтому бесцветный газ постепенно становится бурым.
Почему NO₂ бурого цвета?
Молекулы NO₂ поглощают часть видимого света, поэтому газ кажется бурым. При охлаждении часть молекул соединяется в бесцветный димер N₂O₄, и окраска ослабевает.
Какие кислоты образуются при взаимодействии NO₂ с водой?
Без дополнительных условий образуются азотистая и азотная кислоты: 2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃. Азот в NO₂ одновременно восстанавливается с +4 до +3 и окисляется с +4 до +5.
Как оксиды азота влияют на окружающую среду?
Оксиды азота загрязняют воздух, раздражают дыхательные пути и участвуют в образовании фотохимического смога. В атмосфере они превращаются в кислоты, вызывающие кислотные осадки.
18.4. Оксиды азота
