Оксиды азота

9 заданий

Пять оксидов

Оксиды азота различаются степенью окисления азота и химическими свойствами. Чтобы понять, какие из них образуют кислоты при взаимодействии с водой, а какие не образуют солей, сначала сравним все пять оксидов. Несолеобразующими оксидами называют оксиды, которые не образуют солей при взаимодействии с водой и щелочами. Ангидридом кислоты называют оксид, из которого при взаимодействии с водой образуется эта кислота.

Оксид	Степень окисления азота	Свойства
\(\ce{N2O}\)	+1	Это бесцветный газ со сладковатым запахом. Он не образует солей и поддерживает горение.
\(\ce{NO}\)	+2	Это бесцветный газ, молекула которого содержит 11 валентных электронов. Оксид не образует солей.
\(\ce{N2O3}\)	+3	При охлаждении ниже −4 °C образует синюю жидкость. Является ангидридом азотистой кислоты.
\(\ce{NO2}\) / \(\ce{N2O4}\)	+4	\(\ce{NO2}\) представляет собой бурый газ, а его димер \(\ce{N2O4}\) бесцветен.
\(\ce{N2O5}\)	+5	Образует бесцветные кристаллы состава \(\ce{[NO2]+[NO3]-}\). Является ангидридом азотной кислоты.

history_eduВеселящий газ

Гемфри Дэви в 1799 году вдыхал закись азота и описал «неудержимый смех и ощущение блаженства». Впоследствии британская знать вдыхала «веселящий газ» на вечеринках ради развлечения. В 1844 году американский дантист Хорас Уэллс применил \(\ce{N2O}\) для обезболивания при удалении зуба. Это стало важным этапом в развитии анестезии. Сегодня \(\ce{N2O}\) считают третьим по значимости долгоживущим парниковым газом и главным среди современных выбросов веществ, разрушающих озоновый слой, после запрета фреонов.

Радикалами называют частицы с неспаренными электронами. К ним относятся молекулы двух оксидов азота: \(\ce{NO}\) и \(\ce{NO2}\). Наличие неспаренного электрона помогает объяснить их строение и способность \(\ce{NO2}\) соединяться с другой такой же молекулой.

infoРадикалы NO и NO₂

В молекуле \(\ce{NO}\) нечётное число электронов: один электрон неспарен и находится на разрыхляющей \(\pi^*\)-орбитали. Порядок связи равен 2,5. После отдачи этого электрона образуется прочный катион нитрозония \(\ce{NO+}\), изоэлектронный \(\ce{N2}\) и \(\ce{CO}\). Молекула \(\ce{NO2}\) также является радикалом. При охлаждении две такие молекулы соединяются, образуя димер: \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\) (урок 58).

Значение \(\ce{NO}\) не ограничивается его химическими свойствами: этот оксид действует и в организме человека.

auto_awesomeМолекула года

Оксид азота(II) служит сигнальной молекулой организма и расслабляет стенки сосудов. Нитроглицерин, применяемый при стенокардии, действует благодаря выделению \(\ce{NO}\). Фёрчготт, Игнарро и Мурад получили за это открытие Нобелевскую премию по медицине 1998 года.

Оксиды и вода

Отношение оксидов азота к воде зависит от того, образуют ли они кислоты. Для \(\ce{N2O3}\) и \(\ce{N2O5}\) результат следует из их свойств как ангидридов. Поведение \(\ce{NO2}\) сложнее: часть атомов азота повышает степень окисления, а часть понижает её. Такое превращение называют диспропорционированием.

scienceРеакции с водой

\(\ce{N2O3 + H2O -> 2HNO2}\) — при взаимодействии с холодной водой образуется азотистая кислота.
\(\ce{2NO2 + H2O -> HNO2 + HNO3}\) — в холодной воде образуются азотистая и азотная кислоты; азот при этом диспропорционирует.
\(\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}\) — в тёплой воде образуются азотная кислота и \(\ce{NO}\), поскольку азотистая кислота сама диспропорционирует.
\(\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}\) — в присутствии кислорода весь азот переходит в азотную кислоту; эта реакция завершает способ Оствальда.
\(\ce{4NO + 3O2 + 2H2O -> 4HNO3}\) — при совместном действии кислорода и воды \(\ce{NO}\) превращается в азотную кислоту.
\(\ce{N2O5 + H2O -> 2HNO3}\) — при взаимодействии с водой образуется азотная кислота.

В отличие от перечисленных оксидов, \(\ce{N2O}\) и \(\ce{NO}\) с водой не реагируют. Поэтому их относят к несолеобразующим оксидам.

boltПоглощение нитрозных газов

Для полного превращения оксидов азота в азотную кислоту необходим кислород. Без него при взаимодействии \(\ce{NO2}\) с водой из каждых трёх молекул оксида образуется одна молекула \(\ce{NO}\). Поэтому на заводах поглотительные колонны продувают воздухом: кислород снова окисляет \(\ce{NO}\) до \(\ce{NO2}\).

Окисление оксидов азота происходит и вне производства. В атмосфере оно способствует образованию кислоты, а под действием солнечного света — фотохимического смога.

auto_awesomeКислотные дожди и смог

\(\ce{NO}\) образуется в цилиндрах двигателей из азота и кислорода воздуха (урок 58). В атмосфере он окисляется до \(\ce{NO2}\) и затем превращается в азотную кислоту. На солнце \(\ce{NO2}\) распадается: \(\ce{NO2 ->[h\nu] NO + O}\). Атомарный кислород образует озон, который входит в состав фотохимического смога мегаполисов.

Оксиды и щёлочи; окислительные свойства

Щёлочь поглощает \(\ce{NO2}\), но состав продуктов зависит от присутствия других газов. Без кислорода образуются нитрит и нитрат. Если вместе с \(\ce{NO2}\) присутствует \(\ce{NO}\), образуется нитрит: азот в двух оксидах приобретает промежуточную степень окисления. Такое превращение называют сопропорционированием. В присутствии кислорода образуется нитрат.

scienceПоглощение щелочами

\(\ce{2NO2 + 2NaOH -> NaNO2 + NaNO3 + H2O}\) — при поглощении \(\ce{NO2}\) щёлочью азот диспропорционирует.
\(\ce{NO + NO2 + 2NaOH -> 2NaNO2 + H2O}\) — азот сопропорционирует; смесь с равными количествами \(\ce{NO}\) и \(\ce{NO2}\) образует нитрит, как и \(\ce{N2O3}\).
\(\ce{4NO2 + O2 + 4NaOH -> 4NaNO3 + 2H2O}\) — в присутствии кислорода при поглощении \(\ce{NO2}\) щёлочью образуется нитрат.

Окислительные свойства. \(\ce{NO2}\) является сильным окислителем: в нём горят углерод, сера и фосфор. Он также окисляет другие вещества, например: \(\ce{NO2 + SO2 -> SO3 + NO}\); \(\ce{2NO2 + 2KI -> 2KNO2 + I2}\). Окислительные свойства проявляет и \(\ce{N2O}\). Он поддерживает горение: тлеющая лучинка в нём вспыхивает, как в кислороде. При нагревании оксид разлагается: \(\ce{2N2O ->[t] 2N2 + O2}\). В смеси газообразных продуктов разложения содержится 33 % кислорода — больше, чем в воздухе.

boltКак отличить N₂O от O₂

И \(\ce{N2O}\), и \(\ce{O2}\) заставляют тлеющую лучинку вспыхнуть. Различить газы помогает их отношение к \(\ce{NO}\): при смешении с \(\ce{N2O}\) бурый газ не появляется, поскольку реакции нет. Кислород сразу окисляет \(\ce{NO}\) до бурого \(\ce{NO2}\).

Окислительные свойства оксида азота(IV) в форме \(\ce{N2O4}\) используют и в ракетной технике.

auto_awesomeN₂O₄ в ракетах

Жидкий тетраоксид азота служит окислителем ракетного топлива, самовоспламеняющегося при контакте с гидразинами (урок 129). Его использовали в ракетах «Протон» и «Титан», а также в лунном модуле «Аполлона». Двигатели модуля должны были запускаться безотказно, а такая самовоспламеняющаяся, или гиперголичная, пара не требовала системы зажигания.

push_pinГлавное

\(\ce{N2O}\) (+1) — несолеобразующий «веселящий газ», поддерживающий горение; \(\ce{NO}\) (+2) — радикал и биологическая сигнальная молекула, которая на воздухе быстро превращается в бурый \(\ce{NO2}\). Оксид \(\ce{N2O3}\) (+3) образует синюю жидкость и является ангидридом \(\ce{HNO2}\). Для оксида азота со степенью окисления +4 характерно равновесие \(\ce{NO2 <=> N2O4}\) между бурым радикалом и бесцветным димером. Оксид \(\ce{N2O5}\) (+5) имеет в кристалле состав \(\ce{NO2+NO3-}\) и является ангидридом \(\ce{HNO3}\). При взаимодействии \(\ce{NO2}\) с водой возможна реакция \(\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}\), а в присутствии кислорода и воды образуется только азотная кислота. Щёлочь без кислорода поглощает \(\ce{NO2}\) по уравнению \(\ce{2NO2 + 2NaOH -> NaNO2 + NaNO3 + H2O}\); при совместном поглощении \(\ce{NO}\) и \(\ce{NO2}\) идёт реакция \(\ce{NO + NO2 + 2NaOH -> 2NaNO2 + H2O}\).

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