Свойства азота и его соединений

Азот находится в природе в свободном состоянии в виде N₂ (78% атмосферы). Связанный азот накапливается в растительном и животном мире - в организмах животных, например, от1 до 10% азота. Все важнейшие части клеток построены из белковых веществ. Без белка нет жизни, а без азота нет белка.

В промышленности азот получают сжижением воздуха, при последующем нагревании которого первым испаряется азот (t_кип = -195,8^оС) и лишь после него - кислород (t_кип = -183,0^оС).

При обычных температурах азот химически инертен, вследствие большой прочности его двухатомных молекул N₂, имеющих тройную связь. Азот используется в промышленности для синтеза аммиака и дальнейшего получения азотных удобрений. Синтез аммиака идет при 320 - 1000 атм., при 500-550^оС на железном катализаторе.

N₂ + 3H₂ ® 2NH₃ ; DH = -46,36кДж/моль

Соединение азота в степени окисления -3 - аммиак NH₃ - является бесцветным газом с резким запахом. Аммиак ядовит, легче воздуха, хорошо растворим в воде (в 1 объеме воды при 20^оС растворяется 710 объемов аммиака) с образованием гидроксида аммония, который считается слабым основанием (К = 1,79×10^-5):

NH₃ + H₂O ® NH₃×H₂O NH₄OH ® NH₄⁺ + OH^-

Основные свойства аммиака проявляются и в реакциях с кислотами:

NH₃ + НСl ® NH₄Cl

Аммиак имеет восстановительные свойства (азот - в низшей степени окисления), реагируя с кислородом до азота при горении аммиака на воздухе или до NO в присутствии платинового катализатора при 600^оС.

4NH₃ + 3O₂ ® 2N₂ + 6H₂O

4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O

Наличие у атома азота в молекуле аммиака неподеленной пары электронов обуславливает донорные свойства аммиака, образующего комплексные соединения - аммиакаты:

CuSO₄ + 4NH₃ ® [Cu(NH₃)₄]SO₄

Cоли аммония при нагревании разлагаются:

NH₄Cl ® NH₃ + HCl

NH₄NO₂ ® N₂ + 2H₂O

NH₄NO₃ ® N₂O + 2H₂O

В последней реакции мы получаем оксид азота (I) - N₂O, называемый “веселящим” газом. Это безразличный оксид, разлагающийся при нагревании на азот и кислород. Безразличным оксидом является также и оксид азота(II) - NO, получаемый по следующим реакциям:

N₂ + O₂ ® 2NO при t>1000^oC

3Cu + 8HNO₃(разб.) ® 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Оксид азота(II) - NO, бесцветный газ, является восстановителем и легко окисляется кислородом, воздуха до оксида азота(IV) - NO₂.

2NO + O₂ ® 2NO₂

Оксида азота(IV) - NO₂ - газ бурого цвета, ядовит. При охлаждении димеризуется в бесцветный оксид N₂O₄. NO₂ - сильный окислитель: уголь, сера, фосфор горят в нем, а оксид серы(IV) SO₂ окисляется до оксида серы(VI) SO₃. Оксида азота(IV) взаимодействует с водой и щелочами, проявляя кислотные свойства. При этом N⁺⁴ диспропорционирует на N⁺⁵ и N⁺³:

2NO₂ + H₂O ® HNO₃ + HNO₂

2NO₂ + 2NaOH ® NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O

Оксид азота (III) N₂O₃ существует лишь при низких температурах. При t = 3,5^oC кипит и разлагается:

N₂O₃ ® NO₂ + NO

Этому оксиду соответствует слабая азотистая кислота HNO₂ (K=4×10^-4), которая существует лишь в разбавленных растворах и легко разлагается:

2HNO₂ ® NO₂ + NO + H₂O

Соли азотистой кислоты - нитриты - устойчивы, для них характерны как окислительные, так и восстановительные свойства (азот - в промежуточной степени окисления):

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

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

Разложение иодида азота(III) происходит с взрывом:

2NI₃ ® N₂ + 2I₂

Гидратным соединением оксида азота(V) N₂O₅ является азотная кислота HNO₃. Получение азотной кислоты и ее солей основано на синтезе аммиака, его окислении до NO, окислении NО до NO₂ и взаимодействии NO₂ с водой в присутствии кислорода воздуха:

N₂ + 3H₂ 2NH₃ ;

4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O

2NO + O₂ ® 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O ® 4HNO₃

Азотная кислота - сильная кислота, ее соли хорошо растворимы в воде. Азотная кислота и ее соли - нитраты - являются окислителями (азот - в высшей степени окисления). Концентрированная азотная кислота не реагирует с Au и Pt, пассивирует на холоду Fe, Al, Cr, выделяет NO₂ с тяжелыми металлами и N₂O - с активными металлами:

Cu + 4HNO₃ (конц.) ® Сu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

4Ca + 10HNO₃ (конц.) ® 4Сa(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

Разбавленная кислота выделяет NO c тяжелыми металлами и N₂ - c активными металлами, очень разбавленная кислота выделяет с активными металлами - NH₃ - NH₄NO₃

3Cu + 8HNO₃ (разб.) ® 3Сu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

4Ca + 10HNO₃ (оч.разб.) ® 4Сa(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Азотная кислота окисляет при нагревании некоторые неметаллы (S, P, C), при этом концентрированная кислота образует NO₂, а разбавленная кислота - NO.

6HNO₃ (конц.) + S ® 6NO₂ + H₂SO₄ + 2H₂O

5HNO₃ (разб.) + 3P + 2H₂O ® 5NO + 3H₃PO₄

Нитраты разлагаются при нагревании. Состав продуктов зависит от положения металла соли в ряду напряжений. При разложении нитратов металлов, стоящих в этом ряду левее магния, образуются нитриты и кислород, стоящих от магния до меди - оксиды металлов, оксид азота (IV) и кислород, стоящих после меди - свободные металлы, оксид азота (IV) и кислород:

2KNO₃ 2KNO₂ + O₂

2Cu(NO₃)₂ 2CuO + 4NO₂ + O₂

2AgNO₃ 2Ag + 2NO₂ + O₂

Соли азотной кислоты (селитры) и соли аммония являются ценными минеральными удобрениями.