Азот и его соединения

Азот

Азот и его соединения

Азот – неметаллический элемент Va группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Составляет 78% воздуха. Входит в состав белков, являющихся важной частью живых организмов.

Температура кипения азота составляет -195,8 °C. Однако быстрого замораживания объектов, которое часто демонстрируют в кинофильмах, не происходит. Даже для заморозки растения нужно продолжительное время, это связано с низкой теплоемкостью азота.

Общая характеристика элементов Va группы

От N к Bi (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Азот, фосфор и мышьяк являются неметаллами, сурьма – полуметалл, висмут – металл.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np3:

  • N – 2s22p3
  • P – 3s23p3
  • As – 4s24p3
  • Sb – 5s25p3
  • Bi – 6s26p3

Основное и возбужденное состояние азота

При возбуждении атома азота электроны на s-подуровне распариваются и переходят на p-подуровень. Поскольку азот находится во втором периоде, то 3ий уровень у него отсутствует, что проявляется в особенностях электронной конфигурации возбужденного состояния.

Сравнивая возможности перемещения электронов у азота и фосфора, разница становится очевидна.

Природные соединения

В природе азот встречается в виде следующих соединений:

  • Воздух – во вдыхаемом нами воздухе содержится 78% азота
  • Азот входит в состав нуклеиновых кислот, белков
  • KNO3 – индийская селитра, калиевая селитра
  • NaNO3 – чилийская селитра, натриевая селитра
  • NH4NO3 – аммиачная селитра (искусственный продукт, в природе не встречается)

Селитры являются распространенными азотными удобрениями, которые обеспечивают быстрый рост и развитие растений, повышают урожайность. Однако, следует строго соблюдать правила их применения, чтобы не превысить допустимые концентрации.

Получение

В промышленности азот получают путем сжижения воздуха. В дальнейшем путем испарения их сжиженного воздуха получают азот.

Применяют и метод мембранного разделения, при котором через специальный фильтр из сжатого воздуха удаляют кислород.

В лаборатории методы не столь экзотичны. Чаще всего получают азот разложением нитрита аммония

NH4NO2 → (t) N2 + H2O

Также азот можно получить путем восстановления азотной кислоты активными металлами.

HNO3(разб.) + Zn → Zn(NO3)3 + N2 + H2O

Химические свойства

Азот восхищает – он принимает все возможные для себя степени окисления от -3 до +5.

Молекула азота отличается большой прочностью из-за наличия тройной связи. Вследствие этого многие реакции эндотермичны: даже горение азота в кислороде сопровождается поглощением тепла, а не выделением, как обычно бывает при горении.

  • Реакция с металлами
  • Без нагревания азот взаимодействует только с литием. При нагревании реагирует и с другими металлами.N2 + Li → Li3N (нитрид лития)N2 + Mg → (t) Mg3N2N2 + Al → (t) AlN

  • Реакция с неметаллами
  • Важное практическое значение имеет синтез аммиака, который применяется в дальнейшим при изготовлении удобрений, красителей, лекарств.N2 + H2 ⇄ (t, p) NH3

Аммиак

Бесцветный газ с резким едким запахом, раздражающим слизистые оболочки. Раствор концентрацией 10% аммиака применяется в медицинских целях, называется нашатырным спиртом.

Получение

В промышленности аммиак получают прямым взаимодействием азота и водорода.

N2 + H2 ⇄ (t, p) NH3

В лабораторных условиях сильными щелочами действуют на соли аммония.

NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O

Химические свойства

Аммиак проявляет основные свойства, окрашивает лакмусовую бумажку в синий цвет.

  • Реакция с водой
  • Образует нестойкое соединение – гидроксид аммония, слабое основание. Оно сразу же распадается на воду и аммиак.NH3 + H2O ⇄ NH4OH

  • Основные свойства
  • Как основание аммиак способен реагировать с кислотами с образованием солей.NH3 + HCl → NH4Cl (хлорид аммония)NH3 + HNO3 → NH4NO3 (нитрат аммония)

  • Восстановительные свойства
  • Поскольку азот в аммиаке находится в минимальной степени окисления -3 и способен только ее повышать, то аммиак проявляет выраженные восстановительные свойства. Его используют для восстановления металлов из их оксидов.NH3 + FeO → N2↑ + Fe + H2ONH3 + CuO → N2↑ + Cu + H2OГорение аммиака без катализатора приводит к образованию азота в молекулярном виде. Окисление в присутствии катализатора сопровождается выделением NO.NH3 + O2 → (t) N2 + H2ONH3 + O2 → (t, кат) NO + H2O

Соли аммония

Получение

NH3 + H2SO4 → NH4HSO4 (гидросульфат аммония, избыток кислоты)

3NH3 + H3PO4 → (NH4)3PO4

Химические свойства

Помните, что по правилам общей химии, если по итогам реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется вода – реакция идет.

  • Реакции с кислотами
  • NH4Cl + H2SO4 → (NH4)2SO4 + HCl↑

  • Реакции с щелочами
  • В реакциях с щелочами образуется гидроксид аммония – NH4OH. Нестойкое основание, которое легко распадается на воду и аммиак.NH4Cl + KOH → KCl + NH3 + H2O

  • Реакции с солями
  • (NH4)2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + NH4Cl

  • Реакция гидролиза
  • В воде ион аммония подвергается гидролизу с образованием нестойкого гидроксида аммония.NH4+ + H2O ⇄ NH4OH + H+NH4OH ⇄ NH3 + H2O

  • Реакции разложения
  • NH4Cl → (t) NH3↑ + HCl↑(NH4)2CO3 → (t) NH3↑ + H2O + CO2↑NH4NO2 → (t) N2↑ + H2ONH4NO3 → (t) N2O↑ + H2O(NH4)3PO4 → (t) NH3↑ + H3PO4

Оксид азота I – N2O

Закись азота, веселящий газ – N2O – обладает опьяняющим эффектом. Несолеобразующий оксид. При н.у. является бесцветным газом с приятным сладковатым запахом и привкусом. В медицине применяется в больших концентрациях для ингаляционного наркоза.

Получают N2O разложением нитрата аммония при нагревании:

NH4NO3 → N2O + H2O

Оксид азота I разлагается на азот и кислород:

N2O → (t) N2 + O2

Оксид азота II – NO

Окись азота – NO. Несолеобразующий оксид. При н.у. бесцветный газ, на воздухе быстро окисляется до оксида азота IV.

Получение

В промышленных масштабах оксид азота II получают при каталитическом окислении аммиака.

NH3 + O2 → (t, кат) NO + H2O

В лабораторных условиях – в ходе реакции малоактивных металлов с разбавленной азотной кислотой.

Cu + HNO3(разб.) → Cu(NO3)2 + NO + H2O

Химические свойства

На воздухе быстро окисляется с образованием бурого газа – оксида азота IV – NO2.

NO + O2 → NO2

Оксид азота III – N2O3

При н.у. жидкость синего цвета, в газообразной форме бесцветен. Высокотоксичный, приводит к тяжелым ожогам кожи.

Получение

Получают N2O3 в две стадии: сначала реакцией оксида мышьяка III с азотной кислотой, затем охлаждением полученной смеси газов до температуры – 36 °C.

As2O3 + HNO3 → H3AsO 3 + NO↑ + NO2↑

При охлаждении газов образуется оксид азота III.

NO + NO2 → N2O3

Химические свойства

Является кислотным оксидом. соответствует азотистой кислота – HNO2, соли которой называются нитриты (NO2-). Реагирует с водой, основаниями.

H2O + N2O3 → HNO2

NaOH + N2O3 → NaNO2 + H2O

Оксид азота IV – NO2

Бурый газ, имеет острый запах. Ядовит.

Получение

В лабораторных условиях данный оксид получают в ходе реакции меди с концентрированной азотной кислотой. Также NO2 выделяется при разложении нитратов.

Cu + HNO3(конц) → Cu(NO3)2 + NO2 + H2O

Cu(NO3)2 → (t) CuO + NO2 + O2

Pb(NO3)2 → (t) PbO + NO2 + O2

Химические свойства

Проявляет высокую химическую активность, кислотный оксид.

  • Окислительные свойства
  • Как окислитель NO2 ведет себя в реакциях с фосфором, углеродом и серой, которые сгорают в нем.NO2 + C → CO2 + N2NO2 + P → P2O5 + N2Окисляет SO2 в SO3 – на этой реакции основана одна из стадий получения серной кислоты.SO2 + NO2 → SO3 + NO

  • Реакции с водой и щелочами
  • Оксид азота IV соответствует сразу двум кислотам – азотистой HNO2 и азотной HNO3. Реакции с водой и щелочами протекают по одной схеме.NO2 + H2O → HNO3 + HNO2NO2 + LiOH → LiNO3 + LiNO2 + H2OЕсли растворение в воде оксида проводить в избытке кислорода, образуется азотная кислота.NO2 + H2O + O2 → HNO3

Источник: https://studarium.ru/article/168

Азот (N)

Азот и его соединения

  • Обозначение – N (Nitrogen);
  • Период – II;
  • Группа – 15 (Va);
  • Атомная масса – 14,00674;
  • Атомный номер – 7;
  • Радиус атома = 92 пм;
  • Ковалентный радиус = 75 пм;
  • Распределение электронов – 1s22s22p3;
  • t плавления = -209,86°C;
  • t кипения = -195,8°C;
  • Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 3,04/3,07;
  • Степень окисления: +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3;
  • Плотность (н. у.) = 0,808 г/см3 (-195,8°C);
  • Молярный объем = 17,3 см3/моль.

Соединения азота:

Однозначано назвать ученого, который первым открыл азот не представляется возможным по той простой причине, что это практически одновременно сделали в 1772 году сразу трое – Генри Кавендиш, Джозеф Пристли и Даниэль Резерфорд (еще к этому списку можно причислить и Карла Шееле). Однако, ни один из ученых в свое время так и не понял до конца своего открытия. Многие “пальму первенства” отдают шотландцу Даниэлю Резерфорду, поскольку он первым опубликовал магистерскую диссертацию, в которой описал основные свойства “испорченного воздуха”.

Собственно название “азот” было предложено в 1787 году А. Лавуазье.

Азот является четвертым самым распространенным химическим элементом Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода). Азот является одним из самых распространенных элементов на Земле:

  • в земной атмосфере азота содержится 3,87·1018 кг – 75,6% (по массе) или 78,08% (по объему);
  • в земной коре азота содержится (0,7—1,5)·1018 кг;
  • в земной мантии азота содержится 1,3·1019 кг;
  • в гидросфере азота содержится 2·1016 кг (7·1014 кг в виде соединений).

Азот играет важнейшую роль в жизнедеятельности организмов – он присутствует в белках, аминокислотах, аминах, нуклеиновых кислотах.

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14N — 99,635% и 15N — 0,365%.

Азот в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером “7”, относится к 15(Va) группе (См. Атомы 15(Va) группы).

Атом азота содержит 7 электронов, которые располагаются на двух орбиталях (s и p) (см. Электронная структура атомов). На внутренней орбитали расположены 2 электрона; на внешней – 5 (одна свободная электронная пара + три неспаренных электрона, которые могут образовывать три ковалентные связи; см. Ковалентная связь).

Вступая в реакции с другими химическими элементами, атом азота может проявлять степень окисления от +5 до -3 (кроме трех валентных электронов еще одна связь может образовываться по донорно-акцепторному механизму за счет свободной электронной пары с атомом, имеющим свободную орбиталь).

Степени окисления азота:

  • +5 – HNO3;
  • +4 – NO2;
  • +3 – HNO2;
  • +2 – NO;
  • +1 – N2O;
  • -1 – NH2OH;
  • -2 – N2H4;
  • -3 (самая распространенная) – NH3.

N2

Три неспаренных р-электрона атома азота, лежащие на его внешнем энергетическом уровне, имеют форму равноплечей восьмерки, располагаясь перпендикулярно друг к другу:

При образовании молекулы азота (N2) p-орбиталь, расположенная по оси X, одного атома, перекрывается с аналогичной px-орбиталью другого атома – в месте пересечения орбиталей образуется повышенная электронная плотность с формирование ковалентной связи (σ-связь).

Две другие орбитали одного атома, расположенные по осям Y и Z, перекрываются боковыми поверхностями со своими “собратьями” другого атома, образуя еще две ковалентные связи (π-связи).

В итоге, в молекуле азота (N2) образуются 3 ковалентные связи (две π-связи + одна σ-связь), т. е., возникает очень прочная тройная связь (см. Множественные связи).

Молекула азота очень прочная (энергия диссоциации 940 кДж/моль), обладает низкой реакционной способностью.

Свойства молекулярного азота

В нормальных условиях азот является малоактивным веществом, что объясняется достаточно прочными межатомарными связями в его молекуле, поскольку образованы они аж тремя парами электронов. По этой причине, обычно азот вступает в реакции при высоких температурах.

Азот:

  • газ без запаха и цвета;
  • плохо растворим в воде;
  • растворим в органических растворителях;
  • может реагировать с металлами и неметаллами при нагревании в присутствии катализатора (под воздействием ионизирующего облучения);
  • азот вступает в реакции как окислитель (исключение составляют кислород и фтор):
    • при нормальных условиях азот реагирует только с литием: 6Li + N2 = 2Li3N;
    • при нагревании азот реагирует с металлами: 2Al + N2 = 2AlN;
    • при температуре 500°C и при высоком давлении в присутствии железа азот реагирует с водородом: N2 + 3H2 ↔ 2NH3;
    • при температуре 1000°C азот реагирует с кислородом, бором, кремнием: N2 + O2 ↔ 2NO.
  • азот взаимодействует, как восстановитель:
    • с кислородом: N20+O20 ↔ 2N+2O-2 (оксид азота II)
    • с фтором: N20+3F20 = 2N+3F3-1 (фторид азота III)

Получение и применение азота

Получение азота:

  • промышленным способом азот получают сжижением воздуха с последующим отделением азота путем испарения;
  • лабораторные способы получения азота:
    • разложением нитрита аммония: NH4NO2 = N2 + 2H2O;
    • восстановлением азотной кислоты активными металлами: 36HNO3 + 10Fe = 10Fe(NO3)3 + 3N2 + 18H2O;
    • разложением азидов металлов (чистый азот): 2NaN3 → (t) 2Na + 3N2;
    • атмосферный азот получают реагированием воздуха с раскаленным коксом: O2 + 4N2 + 2C → 2CO + 4N2;
    • пропусканием аммиака над оксидом меди (II) при t=700°C: 2NH3 + 3CuO → N2 + 3H2O + 3Cu.

Применение азота:

  • создание инертных сред в металлургии;
  • синтез аммиака и азотной кислоты;
  • производство взрывчатых веществ;
  • для создания низких температур;
  • производство минеральных удобрений: калийная селитра (KNO3); натриевая селитра (NaNO3); аммонийная селитра (NH4NO3); известковая селитра (Ca(NO3)2).

Источник: https://prosto-o-slognom.ru/chimia/504_azot_N.html

Азот и его соединения

Азот и его соединения

Азот —  элемент 2-го периода  V А-группы Периодической системы,  порядковый номер 7. Электронная формула атома [2He]2s22p3, характерные степени окисления 0,-3, +3 и +5, реже +2 и +4 и др. состояние Nvсчитается относительно устойчивым.

Шкала степеней окисления у азота:
+5 —   N2O5, NO3, NaNO3, AgNO3

+4 —  NO2

+3 – N2O3, NO2, HNO2, NaNO2, NF3

+2 —  NO

+1 – N2O

0 —  N2

-3 — NH3, NH4, NH3 * H2O, NH2Cl, Li3N, Cl3N.

Азот обладает высокой электроотрицательностью (3,07), третий после F и O. Проявляет типичные неметаллические (кислотные) свойства, образуя при этом различные кислородсодержащие кислоты, соли и бинарные соединения, а так же катион аммония NH4 и его соли.

В природе – семнадцатый по химической распространенности элемент (девятый среди неметаллов). Жизненно важный элемент для всех организмов.

  Азот N2

Простое вещество. Состоит из неполярных молекул с очень устойчивой ˚σππ-связью N≡N, этим объясняется химическая инертность элемента при обычных условиях.

Бесцветный газ без вкуса и запаха, конденсируется в бесцветную жидкость (в отличие от O2).

составная часть воздуха 78,09% по объему, 75,52 по массе. Из жидкого воздуха азот выкипает раньше, чем кислород. Малорастворим в воде (15,4 мл/1 л H2O при 20 ˚C), растворимость азота меньше, чем у кислорода.

При комнатной температуре N2, реагирует с фтором и в очень малой степени – с кислородом:

 N2 + 3F2 = 2NF3,  N2 + O2  ↔ 2NO

Обратимая реакция получения аммиака протекает при температуре 200˚C, под давлением до 350 атм и обязательно в присутствии катализатора (Fe, F2O3, FeO, в лаборатории при Pt )

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 92 кДж

В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение выхода аммиака должно происходить при повышении давления и понижении температуры. Однако скорость реакции при низких температурах очень мала, поэтому процесс ведут при 450-500 ˚C, достигая  15%-ного выхода аммиака. Непрориагировавшие  N2 и H2 возвращают в реактор  и тем самым увеличивают степень протекания реакции.

Азот химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам, не поддерживает горения.

Получение в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха или удаление из воздуха кислорода химическим путем, например по реакции 2C(кокс) + O2 = 2CO при нагревании. В этих случаях получают азот, содержащий так же примеси благородных газов (главным образом аргон).

В лаборатории небольшие количества химически чистого азота можно получить по реакции конмутации при умеренном нагревании:

N-3H4N3O2(T) = N20 + 2H2O (60-70)

NH4Cl(p) + KNO2(p) = N20↑ + KCl +2H2O (100˚C)

Применяется для синтеза аммиака. Азотной кислоты и других азотсодержащих продуктов, как инертная среда проведения химических и металлургических процессов и хранения огнеопасных веществ.

   Аммиак NH3

Бинарное соединение , степень окисления азота равна – 3. Бесцветный газ с резким характерным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: N(H)3] (sp3-гибридизация).

Наличие у азота в молекуле NH3  донорской пары электронов на  sp3-гибридной орбитали обуславливает характерную реакцию присоединения катиона водорода, при этом образуется катион аммония NH4. Сжижается под избыточным давлением при комнатной температуре. В жидком состоянии ассоциирован за счет водородных связей.

Термически неустойчив. Хорошо растворим в воде (более 700 л/1 л H2O при 20˚C); доля в насыщенном растворе равна 34% по массе и  99% по объему, pH= 11,8.

Весьма реакционноспособный, склонен к реакциям присоединения. Сгорает в кислороде, реагирует с кислотами. Проявляет восстановительные (за счет N-3) и окислительные (за счет H+1) свойства. Осушается только оксидом кальция.

Качественные реакции – образование белого «дыма» при контакте с газообразным  HCl, почернение бумажки, смоченной раствором Hg2(NO3)2.

Промежуточный продукт при синтезе HNO3  и солей аммония. Применяется  в производстве соды, азотных удобрений, красителей, взрывчатых веществ; жидкий аммиак – хладагент. Ядовит.
Уравнения важнейших реакций:

2NH3(г) ↔ N2 + 3H2
NH3(г) + H2O  ↔ NH3 *  H2O (р)↔ NH4++ OH—
NH3(г) + HCl(г) ↔ NH4Cl(г) белый «дым»
4NH3 + 3O2 (воздух) = 2N2 + 6 H2O   (сгорание)
4NH3 + 5O2 =  4NO+ 6 H2O   (800˚C, кат.

Pt/Rh)
2 NH3 + 3CuO = 3Cu + N2  + 3 H2O   (500˚C)
2 NH3 + 3Mg = Mg3N2 +3 H2           (600 ˚C )
NH3(г) + CO2(г) + H2O = NH4HCO3    (комнатная температура, давление)
Получение.

  В лаборатории – вытеснение аммиака из солей аммония при нагревании с натронной известью:  Ca(OH)2 + 2NH4Cl = CaCl2+ 2H2O +NH3
Или кипячение водного раствора аммиака с последующим осушением газа.

  В промышленности аммиак получают из азота с водородом. Выпускается промышленностью либо в сжиженном виде, либо в виде концентрированного водного раствора под техническим названием аммиачная вода.

  Гидрат аммиака NH3 *H2O. Межмолекулярное соединение. Белый, в кристаллической решетке – молекулы  NH3 и H2O, связанные слабой водородной связью. Присутствует в водном растворе аммиака, слабое основание (продукты диссоциации – катион NH4 и анион OH).

Катион аммония имеет правильно-тетраэдрическое строение   (sp3-гибридизация). Термически неустойчив, полностью разлагается при кипячении раствора. Нейтрализуется сильными кислотами. Проявляет восстановительные свойства (за счет N-3) в концентрированном растворе.

Вступает в реакцию ионного обмена и комплексообразования.

   Качественная реакция – образование белого «дыма» при контакте с газообразным HCl. Применяется для создания слабощелочной среды в растворе, при осаждении амфотерных гидроксидов.

В 1 М растворе аммиака содержится в основном гидрат NH3 *H2O и лишь 0,4% ионов NH4  OH (за счет диссоциации гидрата); таким образом, ионный «гидроксид аммония NH4 OH» практически не содержится в растворе,  нет такого соединения и в твердом гидрате.

Уравнения важнейших реакций:

NH3 H2O (конц.)  = NH3↑ + H2O    (кипячение с NaOH)

NH3 H2O   + HCl (разб.)  = NH4Cl + H2O
3(NH3 H2O) (конц.)   + CrCl3 = Cr(OH)3↓ + 3 NH4Cl
8(NH3 H2O) (конц.)   + 3Br2(p) = N2↑ + 6 NH4Br + 8H2O (40-50˚C)
2(NH3 H2O) (конц.)   + 2KMnO4 = N2↑ + 2MnO2↓ + 4H2O + 2KOH
4(NH3 H2O) (конц.)    + Ag2O = 2[Ag(NH3)2]OH + 3H2O
4(NH3 H2O) (конц.)    + Cu(OH)2 + [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O
6(NH3 H2O) (конц.)   + NiCl2 = [Ni(NH3)6]Cl2 + 6H2O
Разбавленный раствор аммиака (3-10%-ный) часто называют нашатырным спиртом (название придумано алхимиками), а концентрированный раствор (18,5 – 25%-ный) – аммиачный раствор (выпускается промышленностью).

  Монооксид азота NO

Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ. Радикал, содержит ковалентную σπ-связь (N꞊O) , в твердом состоянии димер N2О2  со связью N-N. Чрезвычайно термически устойчив. Чувствителен к кислороду воздуха (буреет). Малорастворим в воде и не реагирует с ней.

Химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам. При нагревании реагирует с металлами и неметаллами . весьма реакционноспособная смесь NO и NO2 («нитрозные газы»). Промежуточный продукт в синтезе азотной кислоты.Уравнения важнейших реакций:

2NO + O2(изб.

) = 2NO2    (20˚C)

2NO + C(графит) =  N2 +  CО2 (400- 500˚C)
10NO + 4P(красный) =  5N2 + 2P2O5 (150- 200˚C)
2NO + 4Cu = N2  + 2 Cu2O   (500- 600˚C)
Реакции на смеси  NO и  NO2:
NO + NO2  +H2O = 2HNO2(p)
NO + NO2  + 2KOH(разб.) = 2KNO2 + H2O
NO + NO2  +  Na2CO3 =  2Na2NO2  +  CО2 (450- 500˚C)
Получение в промышленности: окисление аммиака кислородом на катализаторе, в лаборатории  — взаимодействие разбавленной азотной кислоты с восстановителями:
8HNO3 + 6Hg = 3Hg2(NO3)2 + 2NO + 4 H2Oили восстановлении нитратов:

2NaNO2 + 2H2SO4 + 2NaI = 2NO↑ + I2↓ + 2 H2O + 2Na2SO4

Диоксид азота NO2

Кислотный оксид, условно отвечает двум кислотам — HNO2 и  HNO3 (кислота для N4 не существует). Бурый газ, при комнатной температуре мономер  NO2, на холоду жидкий бесцветный димер N2О4 (тетраоксид диазота).  Полностью реагирует с водой, щелочами.

Очень сильный окислитель, вызывает коррозию металлов. Применяется для синтеза азотной кислоты и безводных нитратов, как окислитель ракетного топлива, очиститель нефти от серы и катализатор окисления органических соединений. Ядовит.

Уравнение важнейших реакций:

2NO2 ↔ 2NO + O2

4NO2(ж) + H2O = 2HNO3 + N2О3 (син.)     (на холоду)
3 NO2 + H2O = 3HNO3 + NO↑
2NO2 + 2NaOH(разб.) = NaNO2 + NaNO3 + H2O
4NO2 + O2+ 2 H2O = 4 HNO3
4NO2 + O2 + KOH = KNO3 + 2 H2O
2NO2 + 7H2 = 2NH3 + 4 H2O   (кат. Pt, Ni)
NO2 + 2HI(p) = NO↑ + I2↓ + H2O
NO2 + H2O + SO2 = H2SO4 + NO↑   (50- 60˚C)
NO2  + K = KNO2
6NO2 + Bi(NO3)3 + 3NO   (70- 110˚C)
  Получение:  в промышленности —   окислением NO  кислородом воздуха, в лаборатории – взаимодействие концентрированной азотной кислоты с восстановителями:
6HNO3 (конц.,гор.) + S = H2SO4 + 6NO2↑ + 2H2O
5HNO3 (конц.,гор.) + P (красный) = H3PO4  + 5NO2 ↑ + H2O
2HNO3 (конц.,гор.) +  SO2 = H2SO4  + 2 NO2 ↑

Оксид диазота N2O

Бесцветный газ с приятным запахом («веселящий газ»), N꞊N꞊О, формальная степень окисления азота +1, плохо растворим в воде. Поддерживает горение графита и магния:

2N2O + C = CO2 + 2N2   (450˚C)
N2O + Mg = N2 + MgO (500˚C)Получают термическим разложением нитрата аммония:

NH4NO3 = N2O + 2 H2O (195- 245˚C)

применяется в медицине, как анастезирующее средство.

Триоксид диазота N2O3

При низких температурах –синяя жидкость, ON꞊NO2, формальная степень окисления азота +3. При 20 ˚C  на 90% разлагается на смесь бесцветного NO  и  бурого NO2 («нитрозные газы», промышленный дым – «лисий хвост»).

  N2O3 – кислотный оксид, на холоду с водой образует HNO2 , при нагревании реагирует иначе:
3N2O3 + H2O = 2HNO3 + 4NO↑
Со щелочами дает соли HNO2, например NaNO2.
Получают взаимодействием  NO c O2 (4NO + 3O2 = 2N2O3) или с NO2 (NO2 + NO = N2O3)
при сильном охлаждении.

«Нитрозные газы» и экологически опасны, действуют как катализаторы разрушения озонового слоя атмосферы.

Пентаоксид диазотаN2O5

Бесцветное,  твердое вещество, O2N – O – NO2, степень окисления  азота равна +5. При комнатной температуре за 10 ч разлагается на NO2 и O2.

Реагирует с водой и щелочами как кислотный оксид:
N2O5 + H2O = 2HNO3
N2O5 + 2NaOH = 2NaNO3 + H2
Получают дегидротацией дымящейся азотной кислоты:
2HNO3  + P2O5 = N2O5 + 2HPO3
или окислением NO2 озоном при  -78˚C:
2NO2 + O3 = N2O5 + O2

 Нитриты и нитраты

Нитрит калия KNO2.  Белый, гигроскопичный. Плавится без разложения. Устойчив в сухом воздухе. Очень хорошо растворим в воде (образуя бесцветный раствор), гидролизуется по аниону. Типичный окислитель и восстановитель в кислотной среде, очень медленно реагирует в щелочной среде. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественные реакции на ион NO2— обесцвечивание фиолетового раствора MnO4  и появление черного осадка при добавлении ионов I. Применяется в производстве красителей, как аналитический реагент на аминокислоты и йодиды, компонент фотографических реактивов.уравнение важнейших реакций:

2KNO2(т)  + 2HNO3(конц.) = NO2↑ + NO↑ + H2O  + 2KNO3
2KNO2 (разб.)+ O2(изб.

) → 2KNO3 (60-80 ˚C)
KNO2  + H2O + Br2 = KNO3  + 2HBr

5NO2— + 6H+  + 2MnO4— (фиол.) = 5NO3—   + 2Mn2+ (бц.) + 3H2O
3 NO2—  + 8H+ + CrO72- = 3NO3— + 2Cr3+ + 4H2O
NO2—(насыщ.) + NH4+(насыщ.)=  N2↑ +  2H2O
2NO2—  + 4H+ + 2I—(бц.) = 2NO↑ + I2(черн.) ↓ = 2H2O
NO2—(разб.) + Ag+ = AgNO2 (светл.желт.)↓
Получение впромышленности – восстановлением калийной селитры в процессах:
KNO3 + Pb = KNO2  + PbO (350-400˚C)
KNO3 (конц.) + Pb(губка) + H2O = KNO2+ Pb(OH)2↓
3 KNO3 + CaO + SO2 = 2 KNO2  + CaSO4 (300 ˚C)

Hитраткалия KNO3
Техническое название калийная, или индийская соль, селитра. Белый, плавится без разложения при дальнейшем нагревании разлагается. Устойчив на воздухе.

Хорошо растворим в воде (с высоким эндо-эффектом, = -36 кДж), гидролиза нет. Сильный окислитель при сплавлении (за счет выделения атомарного кислорода). В растворе восстанавливается только атомарным водородом (в кислотной среде до KNO2, в щелочной среде до NH3).

Применяется в производстве стекла, как консервант пищевых продуктов, компонент пиротехнических смесей и минеральных удобрений.

2KNO3 = 2KNO2  +  O2                                                             (400- 500 ˚C)

KNO3 + 2H0 (Zn, разб. HCl) = KNO2 + H2O     

KNO3 + 8H0 (Al, конц. KOH) = NH3↑ + 2H2O + KOH     (80 ˚C)

KNO3 + NH4Cl = N2O↑ + 2H2O + KCl                 (230- 300 ˚C)

2 KNO3 + 3C (графит) + S = N2 + 3CO2 + K2S   (сгорание)

KNO3 + Pb = KNO2 + PbO                                    (350 — 400  ˚C)

KNO3 + 2KOH + MnO2 = K2MnO4 + KNO2 + H2O                                    (350 — 400  ˚C)

Получение: в промышленности
4KOH (гор.) + 4NO2  + O2  = 4KNO3 +  2H2O

и в лаборатории:
KCl + AgNO3 = KNO3 + AgCl↓

Азот — характеристика элемента, физические и химические свойства простого вещества. Аммиак, соли аммония.
Азотная кислота — строение и химические свойства

Источник: http://himege.ru/azot-i-ego-soedineniya/

Азот, соединения азота

Азот и его соединения

Азот, соединения азота

Азот – элемент V A группы главной подгруппы, значит, на внешнем энергетическом уровне у него 5 электронов.

До завершения внешнего уровня ему не хватает 3 электрона, которые он может присоединить, в этом случае степень окисления его будет равна -3.

Кроме этого, атом азота может и отдавать электроны и приобретать положительные степени окисления. Таким образом, для атома азота в соединениях возможны степени окисления от -3 до +5.

Рассмотрим соединения азота.

Например, в аммиаке – NH3 – степень окисления азота -3; в оксиде азота (I) – N2O – степень окисления азота +1; в оксиде азота (II) – NO  – степень окисления азота +2; в азотистой кислоте – HNO2 – степень окисления азота +3; в оксиде азота (IV) – NO2 – степень окисления азота +4; в азотной кислоте – HNO3 – степень окисления азота +5.

Таким образом, если степень окисления азота -3, то он проявляет восстановительные свойства, если степень окисления +5, то азот проявляет окислительные свойства, а если у азота в соединении промежуточные степени окисления: +1, +2, +3, +4, то он может проявлять и окислительные, и восстановительные свойства.

Азот входит в состав воздуха, где его объёмная доля составляет 78%, он входит в состав земной коры и живых организмов. В космосе азот занимает по распространённости четвёртое место, вслед за водородом, гелием и кислородом.

Азот входит и в состав чилийской селитры – NaNO3 – это неорганическое вещество образовалось из остатков птичьего помёта в условиях сухого и жаркого климата. Широко распространена и калийная селитра – KNO3, встречающаяся в Индии.

Азот входит в состав всех белков, а белок просто необходим для жизни. Человек получает белок из растительной и животной пищи, а животные получают белок, в основном, из растений. А сами растения являются источником пополнения азота. Поэтому в природе постоянно происходит круговорот азота.

Так как азот входит в состав органических соединений, то он недоступен для растений.

Но, в результате жизнедеятельности определённой группы бактэрий, органические соединения превращаются в неорганические – минеральные – это соли аммония и нитраты.

И уже эти неорганические вещества усваиваются растениями. Затем растениями, которые усвоили азот, питаются животные и из растений получают необходимый белок.

Большую роль в фиксации азота играют клубеньковые бактерии, которые живут в клубеньках бобовых растений (клевера, гороха, люпина). Они усваивают атмосферный азот и превращают его в соединения, которые доступные растениям.

Кроме этого, соединения азота в почве пополняются за счёт грозовых ливней. Сначала из азота и кислорода образуется оксид азота (II), который под действием кислорода воздуха превращается в оксид азота (IV).

Этот оксид реагирует с водой в присутствии кислорода воздуха и получается азотная кислота.

 Кислота затем вступает во взаимодействие с соединениями натрия, кальция и калия, которые находятся в почве, и образует соли – селитры, которые нужны для питания растений.

Простое вещество азот состоит из двухатомных молекул – N2. В молекуле азота атомы связаны между собой тройной ковалентной неполярной связью. Эта связь очень прочная, поэтому азот является малоактивным веществом.

Азот является бесцветным газом, не имеет запаха и вкуса, немного легче воздуха. Не сжижается при обычной температуре, плохо растворим в воде, его температура плавления -210 0C, а температура кипения -196 0C.

В лаборатории азот получают разложением нитрита  аммония при слабом нагревании.

Азот относительно инертен в химических реакциях. Он не реагирует ни с кислотами, ни с водой, ни со щелочами.

При обычных условияхазот реагирует только с литием. При этом образуется нитрид лития.

Литий повышает свою степень окисления с 0 до +1, а азот понижает с 0 до  -3. Каждый атом алюминия отдает по 6 электронов молекуле азота, при этом литий является восстановителем, а азот окислителем.

С другими металлами азот реагирует только при высоких температурах.

Например, в реакции с магнием образуется нитрид магния. Магний изменяет свою степень окисления с 0 до +2, а азот понижает с 0 до -3. Каждый атом магния отдаёт по 3 электрона молекуле азота. Магний в реакции является восстановителем, а азот – окислителем.

При высоких температуре, давлении и в присутствии катализатораазот реагирует с водородом, образуя при этом аммиак. В этой реакции азот понижает свою степень окисления с 0 до -3, а водород повышает с 0я до +1. Азот является окислителем, а водород восстановителем.

Как видите, это реакция соединения, так как из двух простых веществ образуется одно сложное, реакция экзотермическая, так как протекает с выделением теплоты, обратимая, то есть идёт как в прямом, так и в обратном направлении, каталитическая, потому что в реакции присутствует катализатор – железо. Реакция является окислительно-восстановительной, потому что происходит изменение степеней окисления, реакция гомогенная, так как вступающие в химическую реакцию вещества и продукты реакции в одном агрегатном состоянии – газообразном.

При высокой температуреазот соединяется с кислородом, образуя оксид азота два.

В этой реакции азот повышает свою степень окисления с 0 до +2, а кислород понижает с 0 до -2. Азот является восстановителем, а кислород – окислителем.

Так как эта реакция идёт с изменением степеней окисления, то она является окислительно-восстановительной, это реакция соединения, потому что из двух простых веществ образуется одно сложное.

 Реакция обратимая, идёт в прямом и обратном направлении, эндотермическая, так как теплота поглощается, реакция некаталитическая, потому что не требует участия катализатора, является гомогенной, так как  все вещества находятся в газообразном состоянии.

Следует отметить, что в реакциях с металлами и водородом азот проявляет окислительные свойства, а в реакциях с кислородом – восстановительные.

Основная область применения азота – производство аммиака и азотной кислоты. Азот применяют также для создания инертной среды при сушке взрывчатых веществ, при хранении ценных произведений живописи и рукописей. Азотом раньше  наполняли электрические лампы. Жидкий азот используют в охладительных системах.

В медицине чистый азот применяют в качестве инертной среды при лечении туберкулёза лёгких, а жидкий азот – при лечении заболеваний позвоночника и суставов.

В 1772 году английский учёный Резерфорд и шведский исследователь Шееле в экспериментах по сжиганию веществ обнаружили газ, не поддерживающий дыхание и горение.

Позднее, в 1787 году, Лавуазье установил наличие в воздухе газа, не поддерживающего дыхания и горения. Он дал название этому газу «азот», означающее «безжизненный» (от латинского а – нет и зоэ – жизнь).

В 1790 году Шапталь дал азоту другое название – нитрогениум – означающее «рождающий селитру».

Решим задачу. Определим массу соединения, которое образуется при нагревании металлического магния массой      7,2 г  в азоте объёмом  10 л при нормальных условиях.

В условии задачи нам дана масса магния и объём азота. Найти необходимо массу образовавшегося соединения, то есть массу нитрида магния. Найдём количество вещества магния, для этого необходимо массу магния разделить на его молярную массу.

То есть 7,2 г разделим на 24 г/моль, получим 0,3 моль, теперь найдём количество вещества азота, для этого нужно объём азота разделить на молярный объём. Для этого разделим 10 л на 22,4 л/моль, получается 0,446 моль.

По уравнению реакции видно, что соотношение моль магния и азота составляет 3 : 1.  Следовательно, количество вещества азота должно быть в три раза меньше количества вещества магния, то есть 0,1 моль.

В результате вычислений мы получили количество вещества азота, равное 0,446 моль. Поэтому азот находится в избытке, и количество вещества нитрида магния находим по магнию.

Получается, что количество вещества нитрида магния будет 0,1 моль, то есть 0,3 умножим на 1 и разделим на 3 и получится 0,1 моль. Найдём молярную массу нитрида магния.

Для этого относительную атомную массу магния (24) умножим на 3  и прибавим относительную атомную массу азота (14), умноженную на 2, получается 100 г/моль. Найдём массу этого вещества.

Для этого следует количество вещества умножить на молярную массу, поэтому 0,1 моль умножаем на 100 г/моль и получим 10 г.

Таким образом масса нитрида магния будет равна десять г.

Источник: https://videouroki.net/video/22-azot-soiedinieniia-azota.html

Vse-referaty
Добавить комментарий