Курс лекций по дисциплине «неорганическая химия» (для студентов инженерно технологического факультета) (стр. 15 из 24)
N2O ; NO ; N2O3 ; NO2 ; N2O4 ; N2O5
Оксиды N2O и NO – несолеобразующие, остальные солеобразующие.
Оксид азота (I) и оксид азота (II) – бесцветные газы, оксид азота (III) – синяя жидкость, (IV) – бурый газ, (V) – прозрачные бесцветные кристаллы.
Кроме N2O, все они чрезвычайно ядовиты. Закись азота N2O обладает весьма своеобразным физиологическим действием, за которые ее часто называют веселящим газом. Вот как описывают действия закиси азота английский химик Хэмфри Дэви, который с помощью этого газа устраивал специальные сеансы: «Одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязывались языки, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке». Вдыхание N2O вызывает потерю болевых ощущений и поэтому применяется в медицине как анестезирующее средство.
МВС предполагает в молекуле N2O наличие ионов N+ и N–
sp-гибридизация
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
+N
| ↑↓ | ↑↓ | ↓ | ↓ |
–N
| ↑↓ | ↑↓ | ↓ | ↓ |
O
За счет sp-гибридизации ион N+ дает 2σ связи: одну с N– и другую с атомом кислорода. Эти связи направлены под углом 180º друг к другу и молекула N2O линейна. Структуру молекулы определяет направленность σ связей. Оставшиеся у N+ два p-электрона образуют еще по одной π-связи: одну с ионом N– и другую с атомом кислорода. Отсюда N2O имеет строение
σ σ
: N– = N+ = O :
· · · ·
Склонность NO2 к димеризации – следствие нечетного числа электронов в молекуле (парамагнитна).
С оксидами азота связаны серьезные экологические проблемы. Увеличение их концентрации в атмосфере приводит к образованию азотной кислоты и соответсвенно кислотных дождей.
N2O3 взаимодействует с водой, образует неустойчивую азотистую кислоту HNO2, которая существует только в разбавленных растворах, так как легко разлагается
2HNO2 = N2O3 + H2O.
HNO2 может быть более сильным восстановителем, чем HNO3, о чём свидетельствуют значения стандартных электродных потенциалов.
HNO3 + 2 Н+ + 2е = HNO2 + Н2О Е0 = + 0,93 В
HNO2 + Н+ + 1е = NO + H2O Е0 = + 1,10 В
HNO2 + 1e = NO + H+ Е0 = + 1,085 В
Ее соли нитриты – устойчивы. HNO2 - кислота средней силы (К ≈ 5 · 10–4). Наряду с кислотной диссоциацией в незначительной степени идет диссоциация с образованием NO+ и OH–.
Степень окисления азота в нитритах промежуточная (+3), поэтому в реакциях он может вести себя и как окислитель, и как восстановитель, т.е. обладает окислительно-восстановительной двойственностью.
Сильные окислители переводят NO2– в NO3–.
5NaNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5NaNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O
Сильные восстановители обычно восстанавливают HNO2 до NO.
2NaNO2 + 2KI + 2H2SO4 = Na2SO4 +2NO + I2 + K2SO4 +2H2O
Может происходить также процесс диспропорционирования, одновременного увеличения и уменьшения степени окисления атомов одного и того же элемента.
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O
Нитриты обладают токсичностью: переводят гемоглобин в метгемоглобин, не способный переносить кислород и они служат причиной образования в продуктах питания нитрозааминов R2N–NO – канцерогенных веществ.
Важнейшее соединение азота – HNO3
Азотная кислота – важнейший продукт основной химической промышленности. Идет на приготовление взрывчатых веществ, лекарственных веществ, красителей, пластических масс, искусственных волокон и др. материалов.
HNO3 – бесцветная жидкость с резким удушливым запахом, дымящая на воздухе. В небольших количествах образуется при грозовых разрядах и присутствует в дождевой воде.
N2 + O2 → 2NO
2NO + O2 → 2NO2
4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3
Высококонцентрированная HNO3 имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету или при нагревании процесса разложения
4HNO3 = 4NO2 + 2H2O + O2
HNO3 – очень опасное вещество.
Важнейшее химическое свойство HNO3 состоит в том, что она является сильным окислителем и поэтому взаимодействует почти со всеми металлами кроме Au, Pt, Rh, Ir, Ti, Ta, металлы Al, Fe, Co, Ni и Cr она «пассивирует». Кислота же в зависимости от концентрации и активности металла может восстанавливаться до соединений:
+4 +3 +2 +1 0 -3 -3
NO2 → HNO2 → NO → N2O → N2 → NH3 (NH4NO3)
и также образуется соль азотной кислоты.
Как правило, при взаимодействии азотной кислоты с металлами не происходит выделения водорода. При действии HNO3 на активные металлы может получаться водород. Однако атомарный водород в момент выделения обладает сильными восстановительными свойствами, а азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому водород окисляется до воды.
Свойства концентрированной и разбавленной HNO3
1) Действие концентрированной HNO3 на малоактивные металлы (Cu, Hg, Ag)
Cu + 4 HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 ↑ + 2H2O
2) Действие разбавленной HNO3 на малоактивные металлы
3Cu + 8 HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
3) Действие концентрированной кислоты на активные металлы
4Ca + 10HNO3 = 4Ca(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O
4) Действие разбавленной HNO3 на активные металлы
4Ca + 10 HNO3 = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Одна из наиболее сильных кислот, характерны все реакции кислот: реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами. Специфичное свойство – ярко выраженная окислительная. В зависимости от условий (концентрации, природы восстановителя, температуры) HNO3 может принимать от 1 до 8 электронов.
Ряд соединений N с различными степенями окисления:
NH3 ; N2H4 ; NH2OH ; N2O ; NO ; N2O3 ; NO2 ; N2O5
NO3– + 2H+ + 1e = NO2 + H2O
NO3– + 4H+ + 3e = NO + 2H2O
2NO3– +10H+ + 8e = N2O + 5H2O
2NO3– +12H+ + 10e = N2 + 6H2O
NO3– + 10H+ + 8e = NH4– + 3H2O
Образование продуктов зависит от концентрации, чем выше концентрация, тем менее глубоко она восстанавливается. Реагирует со всеми металлами, кроме Au, Pt, W. Концентрированная HNO3 не взаимодействует при обычных условиях с Fe, Cr, Al, которым она пассивирует, но при очень сильном нагревании реагирует с этими металлами.
Большинство неметаллов и сложных веществ восстанавливается HNO3 до NO (реже NO2).
3P + 5HNO3 + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO
S + HNO3 = H2SO4 + 2NO
3C + 4HNO3 = 3CO2 + 4NO + 2H2O
ZnS + 8HNO3 k = ZnSO4 + 8NO2 + 4H2O
6HCl + 2HNO3 k =3Cl2 + 2NO + 4H2O
Запись окислительно-восстановительной реакции с участием HNO3 обычно условна, т.к. образуется смесь азотсодержащих соединений, а указывают тот продукт восстановления, который образовался в большем количестве.
Золото и платиновые металлы растворяются в «царской водке» – смеси 3 объемов концентрированной соляной кислоты и 1 объема концентрированной азотной кислоты, которая обладает сильнейшим окислительным свойством, растворяет «царя металлов» – золото.
Au + HNO3 +4HCl = H[AuCl4] + NO↑ + 2H2O
HNO3 – сильная одноосновная кислота, образует только средние соли -нитраты, которые получают действием ее на металлы, оксиды, гидроксиды или карбонаты. Все нитраты хорошо растворимы в воде. Их растворы обладают незначительными окислительными свойствами.
При нагревании нитраты разлагаются; нитраты щелочных металлов превращаются в нитриты и выделяется кислород.
2KNO3 = 2KNO2 + O2
Состав других продуктов зависит от положения металла в РСЭП.
Левее Mg = MeNO2 + O2 до магния
MeNO3 = Mg – Cu = MeO + NO2 + O2 правее магния.
правее Cu = Me + NO2 + O2 менее активных металлов