Кислородные соединения азота. В кислородных соединениях азот проявляет степень окисления от +1 до +5.

В кислородных соединениях азот проявляет степень окисления от +1 до +5.

N₂O ; NO ; N₂O₃ ; NO₂ ; N₂O₄ ; N₂O₅

Оксиды N₂O и NO – несолеобразующие, остальные солеобразующие.

Оксид азота (I) и оксид азота (II) – бесцветные газы, оксид азота (III) – синяя жидкость, (IV) – бурый газ, (V) – прозрачные бесцветные кристаллы.

Кроме N₂O, все они чрезвычайно ядовиты. Закись азота N₂O обладает весьма своеобразным физиологическим действием, за которые ее часто называют веселящим газом. Вот как описывают действия закиси азота английский химик Хэмфри Дэви, который с помощью этого газа устраивал специальные сеансы: «Одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязывались языки, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке». Вдыхание N₂O вызывает потерю болевых ощущений и поэтому применяется в медицине как анестезирующее средство.

МВС предполагает в молекулеN₂O наличие ионов N⁺ и N^–

sp-гибридизация

⁺N

^–N

O

За счет sp-гибридизации ион N⁺ дает 2σ связи: одну с N^– и другую с атомом кислорода. Эти связи направлены под углом 180º друг к другу и молекула N₂O линейна. Структуру молекулы определяет направленность σ связей. Оставшиеся у N⁺ два p-электрона образуют еще по одной π-связи: одну с ионом N^– и другую с атомом кислорода. Отсюда N₂O имеет строение

_{σ σ}

: N^– = N⁺ = O :

^{· · · ·}

Склонность NO₂ к димеризации – следствие нечетного числа электронов в молекуле (парамагнитна).

С оксидами азота связаны серьезные экологические проблемы. Увеличение их концентрации в атмосфере приводит к образованию азотной кислоты и соответсвенно кислотных дождей.

N₂O₃ взаимодействует с водой, образует неустойчивую азотистую кислоту HNO₂, которая существует только в разбавленных растворах, так как легко разлагается

2HNO₂ = N₂O₃ + H₂O.

HNO₂ может быть более сильным восстановителем, чем HNO₃, о чём свидетельствуют значения стандартных электродных потенциалов.

HNO₃ + 2 Н⁺ + 2е = HNO₂ + Н₂О Е⁰ = + 0,93 В

HNO₂ + Н⁺ + 1е = NO + H₂O Е⁰ = + 1,10 В

HNO₂ + 1e = NO + H⁺ Е⁰ = + 1,085 В

Ее соли нитриты – устойчивы. HNO₂ - кислота средней силы (К ≈ 5 · 10^–4). Наряду с кислотной диссоциацией в незначительной степени идет диссоциация с образованием NO⁺ и OH^–.

Степень окисления азота в нитритах промежуточная (+3), поэтому в реакциях он может вести себя и как окислитель, и как восстановитель, т.е. обладает окислительно-восстановительной двойственностью.

Сильные окислители переводят NO₂^– в NO₃^–.

5NaNO₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5NaNO₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Сильные восстановители обычно восстанавливают HNO₂ до NO.

2NaNO₂ + 2KI + 2H₂SO₄ = Na₂SO₄ +2NO + I₂ + K₂SO₄ +2H₂O

Может происходить также процесс диспропорционирования, одновременного увеличения и уменьшения степени окисления атомов одного и того же элемента.

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O

Нитриты обладают токсичностью: переводят гемоглобин в метгемоглобин, не способный переносить кислород и они служат причиной образования в продуктах питания нитрозааминов R₂N–NO – канцерогенных веществ.

Важнейшее соединение азота – HNO₃

Азотная кислота – важнейший продукт основной химической промышленности. Идет на приготовление взрывчатых веществ, лекарственных веществ, красителей, пластических масс, искусственных волокон и др. материалов.

HNO₃ – бесцветная жидкость с резким удушливым запахом, дымящая на воздухе. В небольших количествах образуется при грозовых разрядах и присутствует в дождевой воде.

N₂ + O₂ → 2NO

2NO + O₂ → 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Высококонцентрированная HNO₃ имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету или при нагревании процесса разложения

4HNO₃ = 4NO₂ + 2H₂O + O₂

HNO₃ – очень опасное вещество.

Важнейшее химическое свойство HNO₃ состоит в том, что она является сильным окислителем и поэтому взаимодействует почти со всеми металлами кроме Au, Pt, Rh, Ir, Ti, Ta, металлы Al, Fe, Co, Ni и Cr она «пассивирует». Кислота же в зависимости от концентрации и активности металла может восстанавливаться до соединений:

_{+4 +3 +2 +1 0 -3 -3}

NO₂ → HNO₂ → NO → N₂O → N₂ → NH₃ (NH₄NO₃)

и также образуется соль азотной кислоты.

Как правило, при взаимодействии азотной кислоты с металлами не происходит выделения водорода. При действии HNO₃ на активные металлы может получаться водород. Однако атомарный водород в момент выделения обладает сильными восстановительными свойствами, а азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому водород окисляется до воды.

Свойства концентрированной и разбавленной HNO₃

1) Действие концентрированной HNO₃ на малоактивные металлы (Cu, Hg, Ag)

Cu + 4 HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ ↑ + 2H₂O

2) Действие разбавленной HNO₃ на малоактивные металлы

3Cu + 8 HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

3) Действие концентрированной кислоты на активные металлы

4Ca + 10HNO₃ = 4Ca(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂O

4) Действие разбавленной HNO₃ на активные металлы

4Ca + 10 HNO₃ = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Одна из наиболее сильных кислот, характерны все реакции кислот: реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами. Специфичное свойство – ярко выраженная окислительная. В зависимости от условий (концентрации, природы восстановителя, температуры)HNO₃ может принимать от 1 до 8 электронов.

Ряд соединений N с различными степенями окисления:

NH₃ ; N₂H₄ ; NH₂OH ; N₂O ; NO ; N₂O₃ ; NO₂ ; N₂O₅

NO₃^– + 2H⁺ + 1e = NO₂ + H₂O

NO₃^– + 4H⁺ + 3e = NO + 2H₂O

2NO₃^– +10H⁺ + 8e = N₂O + 5H₂O

2NO₃^– +12H⁺ + 10e = N₂ + 6H₂O

NO₃^– + 10H⁺ + 8e = NH₄^– + 3H₂O

Образование продуктов зависит от концентрации, чем выше концентрация, тем менее глубоко она восстанавливается. Реагирует со всеми металлами, кроме Au, Pt, W. Концентрированная HNO₃ не взаимодействует при обычных условиях с Fe, Cr, Al, которым она пассивирует, но при очень сильном нагревании реагирует с этими металлами.

Большинство неметаллов и сложных веществ восстанавливается HNO₃ до NO (реже NO₂).

3P + 5HNO₃ + 2H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO

S + HNO₃ = H₂SO₄ + 2NO

3C + 4HNO₃ = 3CO₂ + 4NO + 2H₂O

ZnS + 8HNO_{3 k} = ZnSO₄ + 8NO₂ + 4H₂O

6HCl + 2HNO_{3 k} =3Cl₂ + 2NO + 4H₂O

Запись окислительно-восстановительной реакции с участием HNO₃ обычно условна, т.к. образуется смесь азотсодержащих соединений, а указывают тот продукт восстановления, который образовался в большем количестве.

Золото и платиновые металлы растворяются в «царской водке» – смеси 3 объемов концентрированной соляной кислоты и 1 объема концентрированной азотной кислоты, которая обладает сильнейшим окислительным свойством, растворяет «царя металлов» – золото.

Au + HNO₃ +4HCl = H[AuCl₄] + NO↑ + 2H₂O

HNO₃ – сильная одноосновная кислота, образует только средние соли -нитраты, которые получают действием ее на металлы, оксиды, гидроксиды или карбонаты. Все нитраты хорошо растворимы в воде. Их растворы обладают незначительными окислительными свойствами.

При нагревании нитраты разлагаются; нитраты щелочных металлов превращаются в нитриты и выделяется кислород.

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂

Состав других продуктов зависит от положения металла в РСЭП.

^{Левее Mg} = MeNO₂ + O₂до магния

MeNO₃ = Mg – Cu = MeO + NO₂ + O₂ правее магния.

_{правее Cu} = Me + NO₂ + O₂ менее активных металлов