Нитраты и их термические превращения

9 заданий

Три типа разложения

При нагревании нитраты превращаются в другие вещества. Такое превращение называют термическим разложением. Чтобы предсказать продукты реакции, прежде всего определяют, какому металлу принадлежит нитрат.

Металл	Продукты	Пример
K, Na, Rb, Cs (и Ba при умеренном нагреве)	Образуются нитрит и \(\ce{O2}\).	\(\ce{2KNO3 -> 2KNO2 + O2}\)
Li, Mg … Cu (и Ca, Sr, Ba при сильном нагреве)	Образуются оксид, \(\ce{NO2}\) и \(\ce{O2}\).	\(\ce{2Cu(NO3)2 -> 2CuO + 4NO2 + O2}\)
Ag, Hg, Au	Образуются металл, \(\ce{NO2}\) и \(\ce{O2}\). Для Au эта схема условна.	\(\ce{2AgNO3 -> 2Ag + 2NO2 + O2}\)

Различие между первыми двумя группами связано с поляризующей способностью катиона — его способностью смещать электронную плотность нитрат-иона. Крупные однозарядные катионы слабо поляризуют нитрат-ион, поэтому при нагревании от него отщепляется лишь атом кислорода и образуется нитрит. Небольшие катионы с большим зарядом сильно оттягивают электронную плотность нитрат-иона и отрывают от него оксид-ион; в результате образуются оксид металла, диоксид азота и кислород. Оксиды малоактивных металлов при нагревании могут разлагаться далее до металлов. Случай золота приведён в таблице лишь условно: простой нитрат золота не относится к обычным устойчивым солям.

Литий отличается от остальных щелочных металлов: его небольшой катион способствует образованию оксида по реакции \(\ce{4LiNO3 -> 2Li2O + 4NO2 + O2}\). Сходство свойств лития и магния, расположенных по диагонали в периодической системе, называют диагональным сходством.

boltГазы при образовании оксида

В реакции разложения нитрата меди соотношение объёмов газов составляет \(\ce{NO2 : O2 = 4 : 1}\). Такое же соотношение требуется для реакции \(\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}\), поэтому при пропускании этих газов через воду оба газа поглощаются. При разложении нитрата серебра соотношение газов составляет 2 : 1, и после поглощения остаётся кислород. При разложении нитрата натрия из газов выделяется только кислород.

scienceТермическое разложение

\(\ce{2NaNO3 ->[t] 2NaNO2 + O2}\) — при нагревании нитрата натрия, или натриевой селитры, выделяется кислород; поэтому селитра поддерживает горение и применяется в порохе и фейерверках.
\(\ce{2Pb(NO3)2 ->[t] 2PbO + 4NO2 + O2}\) — при нагревании нитрата свинца(II) получают \(\ce{NO2}\) в лаборатории; при этом кристаллы трещат.
\(\ce{Hg(NO3)2 ->[t] Hg + 2NO2 + O2}\) — при нагревании нитрата ртути(II) образуются ртуть, диоксид азота и кислород.

Особые случаи

Общее правило требует уточнения, если в составе нитрата есть частица, способная окисляться. Тогда часть кислорода нитрата расходуется на её окисление, и состав продуктов меняется.

scienceОсобые случаи разложения нитратов

\(\ce{NH4NO3 ->[200 °C] N2O + 2H2O}\) — катион аммония окисляется, а нитрат-ион восстанавливается; при 200 °C образуются газы и пар, поэтому твёрдого остатка нет (урок 127).
\(\ce{4Fe(NO3)2 ->[t] 2Fe2O3 + 8NO2 + O2}\) — железо(II) окисляется до +3, поэтому кислорода выделяется меньше, чем при разложении нитрата меди.
\(\ce{Mn(NO3)2 ->[t] MnO2 + 2NO2}\) — марганец окисляется до +4, поэтому кислород не выделяется.
\(\ce{4LiNO3 ->[t] 2Li2O + 4NO2 + O2}\) — литий образует оксид, как магний, вследствие диагонального сходства их свойств.
\(\ce{4Al(NO3)3 ->[t] 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2}\) — при разложении нитрата алюминия образуются оксид алюминия, диоксид азота и кислород.

Разложение любого нитрата — внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция: окислителем служит азот(V), а восстановителем — кислород нитрат-иона. В нитрате аммония восстановителем выступает катион аммония, поэтому эта соль разлагается иначе.

errorОтличие нитрата аммония

При разложении \(\ce{NH4NO3}\) не образуются ни нитрит, ни оксид металла: окисляется катион аммония. Смеси нитрата аммония с горючим, например аммонал и игданит, являются промышленными взрывчатыми веществами.

boltПроверка состава газов

Если катион может окисляться, как \(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{Mn^2+}\) или \(\ce{Sn^2+}\), соотношение выделившихся газов может отличаться от 4 : 1: кислорода будет меньше. Поэтому отношение \(\ce{NO2 : O2}\) помогает определить неизвестный нитрат в расчётной задаче.

Задачи на смеси нитратов

При прокаливании смеси нитратов разных групп каждый из них образует свой твёрдый продукт и выделяет газы. Чтобы найти количества двух исходных солей, нужны два независимых уравнения. Одно составляют по массе исходной смеси, другое — по массе остатка или по объёму газа.

edit_noteНитраты натрия и меди

Смесь \(\ce{NaNO3}\) и \(\ce{Cu(NO3)2}\) массой 27,26 г после прокаливания дала 14,86 г твёрдого остатка. Обозначим количества исходных нитратов через \(x\) и \(y\) моль. Исходная масса складывается из масс двух солей, а остаток состоит из нитрита натрия и оксида меди. Поэтому \(84{,}99x + 187{,}56y = 27{,}26\); \(69{,}00x + 79{,}55y = 14{,}86\). С учётом округления масс из системы находят \(x = 0{,}100\), \(y = 0{,}100\) моль.

boltПроверка по газу после пропускания через воду

Если пропустить газы разложения этой смеси через воду, диоксид азота и кислород, выделившиеся из нитрата меди, полностью поглотятся водой, поскольку они выделяются в объёмном соотношении 4 : 1. Кислород, выделившийся из нитрата натрия, останется. По объёму этого газа можно независимо найти количество нитрата натрия и проверить расчёт.

scienceРеакции в задаче о смеси

\(\ce{2NaNO3 -> 2NaNO2 + O2}\) — при разложении нитрата натрия образуются нитрит натрия и кислород.
\(\ce{2Cu(NO3)2 -> 2CuO + 4NO2 + O2}\) — при разложении нитрата меди(II) образуются оксид меди, диоксид азота и кислород.
\(\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}\) — при пропускании диоксида азота и кислорода через воду образуется азотная кислота.

push_pinГлавное

Продукты термического разложения нитрата зависят прежде всего от металла. Нитраты щелочных металлов, кроме лития, образуют нитрит и \(\ce{O2}\); нитраты щёлочноземельных металлов и металлов от Mg до Cu, а также лития, образуют оксид, \(\ce{NO2}\) и \(\ce{O2}\). Для последней группы обычное соотношение газов составляет 4 : 1, а средняя молярная масса газовой смеси — 43,2 г/моль. Нитраты Ag и Hg при достаточно сильном нагревании могут образовывать металл, \(\ce{NO2}\) и \(\ce{O2}\) в соотношении 2 : 1; включение Au в эту группу условно. Особые случаи связаны с окислением катиона: \(\ce{NH4NO3 -> N2O + 2H2O}\), при разложении \(\ce{Fe(NO3)2}\) образуется \(\ce{Fe2O3}\), а реакция \(\ce{Mn(NO3)2 -> MnO2 + 2NO2}\) протекает без выделения кислорода. Газы в соотношении 4 : 1 поглощаются водой по реакции \(\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}\). Состав смеси нитратов находят из независимых уравнений для измеренных масс и объёмов.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.