Круг превращений азота
Газы азота: узнаём по признакам
При распознавании газа одного признака обычно недостаточно. Сначала обращают внимание на цвет, запах и отношение к горению, затем проводят характерные реакции. Молярная масса помогает проверить предположение, но не всегда позволяет однозначно определить вещество.
| Газ | Признаки |
|---|---|
| \(\ce{N2}\) | Газ не имеет цвета и запаха, не горит и не поддерживает горение; \(M = 28\). |
| \(\ce{NH3}\) | Газ имеет резкий запах, окрашивает влажный лакмус в синий цвет и образует белый дым при взаимодействии с HCl; \(M = 17\). |
| \(\ce{N2O}\) | Газ имеет сладковатый запах; тлеющая лучинка в нём вспыхивает; \(M = 44\), как у \(\ce{CO2}\). |
| \(\ce{NO}\) | Бесцветный газ буреет на воздухе; \(M = 30\). |
| \(\ce{NO2}\) | Бурый газ имеет резкий запах и образует с водой кислый раствор; \(M = 46\). |
boltОдинаковая молярная масса
\(\ce{N2O}\) и \(\ce{CO2}\) имеют одинаковую молярную массу. Поэтому их различают по свойствам: известковая вода мутнеет только при пропускании \(\ce{CO2}\), а тлеющая лучинка вспыхивает только в \(\ce{N2O}\).
Некоторые признаки объясняются превращениями газов. Например, побурение оксида азота на воздухе связано с его окислением, а белый дым при смешении аммиака с хлороводородом образуют частицы соли.
scienceРеакции для распознавания газов
- \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) — бесцветный оксид азота окисляется кислородом воздуха с образованием бурого газа.
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — при взаимодействии аммиака с хлороводородом образуется хлорид аммония, заметный как белый дым.
- \(\ce{2N2O -> 2N2 + O2}\) — на раскалённой лучинке оксид азота(I) разлагается с выделением кислорода.
Цепочки превращений
Свойства газов помогают распознавать вещества, а уравнения реакций позволяют проследить превращения азота между его соединениями. В одной цепочке азот переходит из простого вещества в аммиак, затем в оксиды и азотную кислоту.
edit_noteКруг азота
\(\ce{N2 ->[H2, кат.] NH3 ->[O2, Pt] NO ->[O2] NO2 ->[O2, H2O] HNO3 ->[Cu] NO}\) … и обратно: \(\ce{HNO3 ->[Zn, оч. разб.] NH4NO3 ->[t] N2O}\); \(\ce{NH4NO2 ->[t] N2}\).
Последний переход к оксиду азота в первой цепочке происходит при взаимодействии меди с разбавленной азотной кислотой. Возможны и другие пути превращения соединений азота в простое вещество. Чтобы проверить такую цепочку, полезно рассмотреть отдельно её характерные стадии.
Когда атомы одного элемента с разными степенями окисления образуют вещество с промежуточной степенью окисления, реакцию называют сопропорционированием. Именно так из аммония и нитрита образуется азот.
scienceКлючевые переходы
- \(\ce{2NH3 + 3CuO -> 3Cu + N2 + 3H2O}\) — при нагревании аммиак восстанавливает оксид меди; так проводят переход \(\ce{NH3 -> N2}\).
- \(\ce{4Zn + 10HNO3 -> 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O}\) — цинк восстанавливает очень разбавленную азотную кислоту, поэтому переход \(\ce{HNO3 -> NH4+}\) приводит к образованию соли аммония.
- \(\ce{NaNO3 + 4Zn + 7NaOH + 6H2O -> NH3 ^ + 4Na2[Zn(OH)4]}\) — в щелочной среде цинк восстанавливает нитрат до аммиака; это переход \(\ce{NO3- -> NH3}\). Для обнаружения нитратов методом Деварда используют алюминий в составе сплава.
- \(\ce{NO2- + NH4+ -> N2}\) — схема показывает образование азота при сопропорционировании; в полном уравнении реакции нужно учесть также воду.
Для проверки многостадийного превращения составляют баланс атомов азота: число этих атомов во всех продуктах должно равняться их числу в исходных веществах. Если меняются степени окисления, проверяют и электронный баланс: число электронов, отданных при окислении, должно равняться числу электронов, принятых при восстановлении.
boltПроверка баланса атомов азота
В многостадийной задаче учитывайте азот во всех продуктах реакции. Особенно внимательно проверяйте \(\ce{NH4NO3}\): в нём два атома азота имеют разные степени окисления. В оксидах \(\ce{N2O}\) и \(\ce{N2O3}\) также содержится по два атома азота в каждой молекуле.
Сквозная задача с балансами
Рассмотрим, как признаки газа и количественные данные дополняют друг друга. По свойствам продукта можно предложить состав исходной соли, а расчёт по объёму газа позволяет проверить это предположение.
Задача-образец. Соль A массой 8,00 г при нагревании разложилась без твёрдого остатка; образовалось 2,24 л газа (н. у., после конденсации воды), который поддерживает горение, но не буреет с NO.
- Отсутствие твёрдого остатка позволяет сначала рассмотреть соль аммония, которая разлагается с образованием летучих продуктов.
- Газ поддерживает горение, но не вызывает побурения NO. Следовательно, газом может быть \(\ce{N2O}\).
- Объёму 2,24 л при н. у. соответствует 0,100 моль газа. Проверим предположение по реакции \(\ce{NH4NO3 -> N2O + 2H2O}\): для образования 0,100 моль газа нужно 0,100 моль соли, масса которой равна 8,00 г. Все данные задачи согласуются.
- Другие предположения не объясняют наблюдения: при разложении \(\ce{NH4NO2}\) образовался бы азот, который не поддерживает горение; \(\ce{(NH4)2Cr2O7}\) оставил бы твёрдый \(\ce{Cr2O3}\); газы, образующиеся из \(\ce{NH4Cl}\) при нагревании, вновь соединялись бы друг с другом.
boltПроверка предположения
Если предположение противоречит хотя бы одному условию, его нельзя принимать только потому, что совпал результат расчёта. Проверяйте все наблюдения и числа: иногда они указывают на смесь солей, кристаллогидрат или неполное разложение.
Превращения азота происходят не только в лаборатории. В природном круговороте также участвуют реакции образования нитритов, нитратов и газообразного азота.
auto_awesomeАзотный цикл планеты
Бактерии нитрификации окисляют аммоний до нитрита и нитрата, а денитрификаторы восстанавливают нитрат до \(\ce{N2O}\) и \(\ce{N2}\). Анаммокс-бактерии, открытые в 1990-х, превращают аммоний и нитрит в азот. С превращением \(\ce{NH4NO2 -> N2}\) в пробирке этот процесс сходен по изменению состава соединений азота, но не по механизму. Сегодня деятельность человека добавляет в круговорот количества связанного азота, сопоставимые с природной фиксацией; это одна из главных экологических проблем века.
push_pinГлавное
Неизвестный газ азота определяют по совокупности признаков: бесцветный газ, буреющий на воздухе, — NO; бурый газ — \(\ce{NO2}\); газ, дающий щелочную реакцию по влажному индикатору, — \(\ce{NH3}\); газ, который поддерживает горение, но не вызывает побурения NO, — \(\ce{N2O}\). Кислотность раствора соли зависит от обоих ионов: соли аммония с анионами сильных кислот обычно дают кислую среду, нитриты щелочных металлов — слабощелочную, а нитраты щелочных металлов — нейтральную. При проверке превращений учитывают степени окисления азота: \(\ce{NH3 (-3)}\), \(\ce{N2H4 (-2)}\), \(\ce{NH2OH (-1)}\), \(\ce{N2 (0)}\), \(\ce{N2O (+1)}\), \(\ce{NO (+2)}\), \(\ce{HNO2 (+3)}\), \(\ce{NO2 (+4)}\), \(\ce{HNO3 (+5)}\). Для \(\ce{N2O (+1)}\) указана средняя степень окисления азота. Вывод о составе вещества должен согласоваться и с наблюдениями, и с балансами атомов азота и электронов.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.