Конспект урока: Кислородные соединения азота

Степени окисления азота весьма разнообразны. Но кислород является более электроотрицательным элементом, поэтому в соединениях с кислородом азот будет проявлять только положительные степени окисления: +1, +2, +3, +4 и +5.

Мы начнём с рассмотрения оксидов азота. Всего их пять.

Оксиды азота

Азот взаимодействует с кислородом только при температуре выше 2 000 °С. При этом образуется оксид азота (II):

${{\mathrm{N}}_2}^0 + {{\mathrm{O}}_2}^0 \stackrel{\mathrm{t}}{\leftrightarrow } 2{\mathrm{N}}^{+2}{\mathrm{O}}^{-2}$.

Оксид азота (II) — это бесцветный газ, он относится к несолеобразующим оксидам, то есть не взаимодействует с кислотами и основаниями с образованием солей.

Кроме данного оксида, азот образует ещё четыре:

• оксид азота (I) ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ — также несолеобразующий оксид;
• оксид азота (III) ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_3$ — кислотный оксид. Ему соответствует азотистая кислота ${\mathrm{HNO}}_2$ (азот в степени окисления +3, также как в оксиде), она образуется при взаимодействии оксида с водой:

${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = 2{\mathrm{HNO}}_2$;

• оксид азота (V) ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5$ — кислотный оксид. Ему соответствует азотная кислота ${\mathrm{HNO}}_3$ (степень окисления азота +5, как в оксиде):

${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = 2{\mathrm{HNO}}_3$.

• оксид азота (IV) ${\mathrm{NO}}_2$ — кислотный оксид, но не совсем обычный. Азот не образует кислоту, в которой он находился бы в степени окисления +4, как в оксиде. При взаимодействии с водой данный оксид образует две кислоты — азотистую и азотную:

$2{\mathrm{N}}^{+4}{\mathrm{O}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{HN}}^{+3}{\mathrm{O}}_2 + {\mathrm{HN}}^{+5}{\mathrm{O}}_3$.

Азотистая кислота

Азотистая кислота относится к слабым кислотам. Она легко разлагается, поэтому получить её в свободном состоянии нельзя. В водном растворе она диссоциирует обратимо:

${\mathrm{HNO}}_2 \leftrightarrow {\mathrm{H}}^{+} + {{\mathrm{NO}}_2}^{-}$.

В азотистой кислоте атом азота находится в промежуточной степени окисления, поэтому она может проявлять как окислительные свойства (слабые), так и восстановительные.

• Кислород — хороший окислитель. Он может окислять азотистую кислоту, которая в этом случае будет проявлять восстановительные свойства:

$2{\mathrm{HN}}^{+3}{\mathrm{O}}_2 + {{\mathrm{O}}_2}^0 = 2{\mathrm{HN}}^{+5}{{\mathrm{O}}_3}^{-2}$.

• Слабые окислительные свойства азотистая кислота проявляет с восстановителями, например:

$2{\mathrm{HN}}^{+3}{\mathrm{O}}_2 + 2{\mathrm{HI}}^{-1} = {{\mathrm{I}}_2}^0\downarrow + 2{\mathrm{N}}^{+2}\mathrm{O}\uparrow + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

• Проявляя обычные кислотные свойства, азотистая кислота взаимодействует с щелочами и основными оксидами с образованием нитритов:

${\mathrm{HNO}}_2 + \mathrm{KOH} = {\mathrm{KNO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Соли азотистой кислоты — нитриты. Представляют собой белые кристаллические вещества. Они уже более устойчивы, чем азотистая кислота, но многие из них токсичны.

Нитрит аммония проявляет интересное свойство. Он разлагается при нагревании с образованием азота:

${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_{2 }= {\mathrm{N}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Теперь обсудим одну из самых сильных и необычных по свойствам кислот — азотную.

Азотная кислота

Исходным веществом для получения азотной кислоты служит аммиак. Почему не азот? Как мы уже говорили, азот достаточно инертное вещество, его сложно заставить взаимодействовать с чем-либо из-за тройной связи между атомами в молекуле ${\mathrm{N}}_2$. Связи в аммиаке не такие прочные, их легко разрушить при окислении, поэтому на производство азотной кислоты из аммиака будет затрачено меньше ресурсов, чем из азота.

Получение азотной кислоты происходит в несколько стадий.

• Для начала окисляют аммиак до оксида азота (II) с использованием катализатора:

$4{\mathrm{NH}}_3 + 5{\mathrm{O}}_2 \stackrel{\mathrm{кат}.}{\to } 4\mathrm{NO} + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

• Затем оксид азота (II) окисляют кислородом воздуха до оксида азота (IV):

$2\mathrm{NO} + {\mathrm{O}}_2 = 2{\mathrm{NO}}_2$.

• И на последней стадии оксид азота (IV) реагирует с водой. Здесь протекает множество сложный реакций, но упрощённо эта стадия соответствует следующему уравнению реакции:

$4{\mathrm{NO}}_2 + {\mathrm{O}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = 4{\mathrm{HNO}}_3$. 

По своим свойствам азотная кислота — сильный электролит, который полностью диссоциирует в водном растворе.

И так как ${\mathrm{HNO}}_3$ — типичная кислота, она реагирует с основными и амфотерными оксидами, с щелочами и нерастворимыми гидроксидами металлов, а также с солями.

Особенные свойства азотная кислота проявляет при взаимодействии с металлами. Окислителем в таких реакциях выступает нитрат-ион ${{\mathrm{NO}}_3}^{-}$, поэтому продуктом процесса восстановления будет не водород, а соединения азота в более низких степенях окисления. Как понять, что именно за соединения это будут? Здесь всё будет зависеть от концентрации кислоты и от активности металла. Более подробно особенности взаимодействия металлов с азотной кислотой можно изучить на рисунке 1.

Рисунок 1. Взаимодействие металлов с азотной кислотой

Железо, алюминий и хром пассивируются концентрированной азотной кислотой.

Соли азотной кислоты — нитраты. Это твёрдые кристаллические вещества, которые хорошо растворяются в воде. Нитраты щелочных, щелочноземельных металлов и аммония имеют название «селитры».

Стоит обратить внимание на особенности термического разложения нитратов. Состав продуктов разложения будет зависеть от активности металла в составе соли.