Конспект урока: Кислородные соединения азота

Степени окисления азота весьма разнообразны. Но кислород является более электроотрицательным элементом, поэтому в соединениях с кислородом азот будет проявлять только положительные степени окисления: +1, +2, +3, +4 и +5.

Мы начнём с рассмотрения оксидов азота. Всего их пять.

Оксиды азота

Азот взаимодействует с кислородом только при температуре выше
2 000 °С. При этом образуется оксид азота (II):

$N_2^0+O_2^0\overset{t}{\leftrightarrow}2N^{+2}O^{-2}$.

Оксид азота (II) — это бесцветный газ, он относится к несолеобразующим оксидам, то есть не взаимодействует с кислотами и основаниями с образованием солей.

Кроме данного оксида, азот образует ещё четыре:

• оксид азота (I) $N_{2} O$ — также несолеобразующий оксид;
• оксид азота (III) $N_{2} O_{3}$ — кислотный оксид. Ему соответствует азотистая кислота $HNO_{2}$ (азот в степени окисления +3, такая же как в оксиде), она образуется при взаимодействии оксида с водой:

$N_{2} O_{3} + H_{2} O = 2 HNO_{2}$;

• оксид азота (V) $N_{2} O_{5}$ — кислотный оксид. Ему соответствует азотная кислота $HNO_{3}$ (степень окисления азота +5, как в оксиде):

$N_{2} O_{5} + H_{2} O = 2 HNO_{3}$.

• оксид азота (IV) $NO_{2}$ — кислотный оксид, но не совсем обычный. Азот не образует кислоту, в которой он находился бы в степени окисления +4, как в оксиде. При взаимодействии с водой данный оксид образует две кислоты — азотистую и азотную:

$2 N^{+ 4} O_{2} + H_{2} O = HN^{+ 3} O_{2} + HN^{+ 5} O_{3}$.

Азотистая кислота

Азотистая кислота относится к слабым кислотам. Она легко разлагается, поэтому получить её в свободном состоянии нельзя. В водном растворе она диссоциирует обратимо:

$HNO_2\leftrightarrow H^{+}+NO_2^{-}$.

В азотистой кислоте атом азота находится в промежуточной степени окисления, поэтому она может проявлять как окислительные свойства (слабые), так и восстановительные.

• Кислород — хороший окислитель. Он может окислять азотистую кислоту, которая в этом случае будет проявлять восстановительные свойства:

$2HN^{+3}O_2+O_2^0=2HN^{+5}O_3^{-2}$.

• Слабые окислительные свойства азотистая кислота проявляет с восстановителями, например:

$2HN^{+3}O_2+2HI^{-1}=I_2^0\downarrow+2N^{+2}O\uparrow+2H_2O$.

• Проявляя обычные кислотные свойства, азотистая кислота взаимодействует со щелочами и основными оксидами с образованием нитритов:

$HNO_{2} + KOH = KNO_{2} + H_{2} O$.

Соли азотистой кислоты — нитриты. Представляют собой белые кристаллические вещества. Они уже более устойчивы, чем азотистая кислота, но многие из них токсичны.

Нитрит аммония проявляет интересное свойство. Он разлагается при нагревании с образованием азота:

$NH_{4} NO_{2 } = N_{2} + 2 H_{2} O$.

Теперь обсудим одну из самых сильных и необычных по свойствам кислот — азотную.

Азотная кислота

Исходным веществом для получения азотной кислоты служит аммиак. Почему не азот? Как мы уже говорили, азот — достаточно инертное вещество, его сложно заставить взаимодействовать с чем-либо из-за тройной связи между атомами в молекуле $N_{2}$. Связи в аммиаке не такие прочные, их легко разрушить при окислении, поэтому на производство азотной кислоты из аммиака будет затрачено меньше ресурсов, чем из азота.

Получение азотной кислоты происходит в несколько стадий.

• Для начала окисляют аммиак до оксида азота (II) с использованием катализатора:

$4NH_{3} + 5O_{2} \overset{\text{кат.}}{\rightarrow} 4NO + 6H_{2}O$.

• Затем оксид азота (II) окисляют кислородом воздуха до оксида азота (IV):

$2 NO + O_{2} = 2 NO_{2}$.

• И на последней стадии оксид азота (IV) реагирует с водой. Здесь протекает множество сложных реакций, но упрощённо эта стадия соответствует следующему уравнению реакции:

$4 NO_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O = 4 HNO_{3}$. 

По своим свойствам азотная кислота — сильный электролит, который полностью диссоциирует в водном растворе.

И так как $HNO_{3}$ — типичная кислота, она реагирует с основными и амфотерными оксидами, со щелочами и нерастворимыми гидроксидами металлов, а также с солями.

Особенные свойства азотная кислота проявляет при взаимодействии с металлами. Окислителем в таких реакциях выступает нитрат-ион $NO_3^{-},$ 
поэтому продуктом процесса восстановления будет не водород, а соединения азота в более низких степенях окисления. Как понять, что именно за соединения это будут? Здесь всё будет зависеть от концентрации кислоты и от активности металла. Более подробно особенности взаимодействия металлов с азотной кислотой можно изучить на рисунке 1.

Рис. 1. Взаимодействие металлов с азотной кислотой

Железо, алюминий и хром пассивируются концентрированной азотной кислотой.

Соли азотной кислоты — нитраты. Это твёрдые кристаллические вещества, которые хорошо растворяются в воде. Нитраты щелочных, щёлочноземельных металлов и аммония имеют название «селитры».

Стоит обратить внимание на особенности термического разложения нитратов. Состав продуктов разложения будет зависеть от активности металла в составе соли.