Перейти до основного вмісту
Вся хімія

140. Оксиды азота

Николай Глинка - Общая химия

Азот образует с кислородом ряд оксидов; все они могут быть получены из азотной кислоты или ее солей.

Оксид азота(I), или закись азота, N2O получается при нагревании нитрата аммония:

NH4NO3 = N2O↑ + 2H2O

Оксид азота(I) представляет собою бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом. Он мало растворим в воде: один объем воды при 20 °C растворяет 0,63 объема N2O.

Оксид азота(I) — термодинамически неустойчивое соединение. Стандартная энергия Гиббса его образования положительна ($\Delta G^\circ_{\text{обр}} = 104$ кДж/моль). Однако вследствие большой прочности связей в молекуле N2O энергии активации реакций, протекающих с участием этого вещества, высоки. В частности, высока энергия активации распада N2O. Поэтому при комнатной температуре оксид азота(I) устойчив. Однако при повышенных температурах он разлагается на азот и кислород; разложение идет тем быстрее, чем выше температура.

Ни с водой, ни с кислотами, ни со щелочью оксид азота(I) не реагирует.

Электронная структура молекулы N2O рассмотрена в § 41.

Вдыхание небольших количеств оксида азота(I) приводит к притуплению болевой чувствительности, вследствие чего этот газ иногда применяют в смеси с кислородом для наркоза. Большие количества оксида азота(I) действуют на нервную систему возбуждающе; поэтому раньше его называли «веселящим газом».

Оксид азота(II), или окись азота, NO представляет собой бесцветный трудно сжижаемый газ. Жидкий оксид азота(II) кипит при −151,7 °C и затвердевает при −163,7 °C. В воде он мало растворим: 1 объем воды растворяет при 0 °C всего 0,07 объема NO.

По химическим свойствам оксид азота(II) относится к числу безразличных оксидов, так как не образует никакой кислоты.

Подобно N2O оксид азота(II) термодинамически неустойчив — стандартная энергия Гиббса его образования положительна ($\Delta G^\circ_{\text{обр}} = 86{,}6$ кДж/моль). Но, опять-таки подобно N2O, при комнатной температуре NO не разлагается, потому что его молекулы достаточно прочны. Лишь при температурах выше 1000 °C его распад на азот и кислород начинает протекать с заметной скоростью. При очень высоких температурах, по причинам, рассмотренным в § 65, распад NO проходит не до конца — в системе NO—N2—O2 устанавливается равновесие. Благодаря этому оксид азота(II) можно получить из простых веществ при температурах электрической дуги (3000—4000 °C).

В лаборатории оксид азота(II) обычно получают взаимодействием 30—35 %-ной азотной кислоты с медью:

3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

В промышленности он является промежуточным продуктом при производстве азотной кислоты (см. § 143).

Для оксида азота(II) характерна окислительно-восстановительная двойственность. Под действием сильных окислителей он окисляется, а в присутствии сильных восстановителей — восстанавливается. Например, он легко окисляется кислородом воздуха до диоксида азота:

2NO + O2 = 2NO2

В то же время смесь равных объемов NO и H2 при нагревании взрывает:

2NO + 2H2 = N2 + 2H2O + 655 кДж

Электронная структура молекулы NO лучше всего описывается методом МО. На рис. 116 представлена схема заполнения МО в молекуле NO (ср. с аналогичными схемами для молекул N2 и CO — рис. 51 и 53 на стр. 142 и 143). Молекула NO имеет на один электрон больше, чем молекулы N2 и CO: этот электрон находится на разрыхляющей орбитали πразр2p. Таким образом, число связывающих электронов превышает здесь число разрыхляющих на пять. Это соответствует кратности связи 2,5 (5 : 2 = 2,5). Действительно, энергия диссоциации молекулы NO на атомы (632 кДж/моль) имеет промежуточное значение по сравнению с соответствующими величинами для молекулы O2 (498 кДж/моль), в которой кратность связи равна двум, и молекулы N2 (945 кДж/моль), где связь тройная. Вместе с тем, по энергии диссоциации молекула NO близка к молекулярному иону кислорода O2+ (644 кДж/моль), в котором кратность связи также равна 2,5 (см. стр. 142).

Рис. 116. Энергетическая схема образования молекулы NO.

Рис. 116. Энергетическая схема образования молекулы NO.

При отрыве от молекулы NO одного электрона образуется ион NO+, не содержащий разрыхляющих электронов; кратность связи между атомами возрастает при этом до трех (шесть связывающих электронов). Поэтому энергия диссоциации иона NO+ (1050 кДж/моль) выше энергии диссоциации молекулы NO и близка к соответствующей величине для молекулы CO (1076 кДж/моль), в которой кратность связи равна трем.

Диоксид (или двуокись) азота NO2 — бурый ядовитый газ, обладающий характерным запахом. Он легко сгущается в красноватую жидкость (темп. кип. 21 °C), которая при охлаждении постепенно светлеет и при −11,2 °C замерзает, образуя бесцветную кристаллическую массу. При нагревании газообразного диоксида азота его окраска, наоборот, усиливается, а при 140 °C становится почти черной. Изменение окраски диоксида азота при повышении температуры сопровождается и изменением его молекулярной массы. При низкой температуре плотность пара приблизительно отвечает удвоенной формуле N2O4. С повышением температуры плотность пара уменьшается и при 140 °C соответствует формуле NO2. Бесцветные кристаллы, существующие при −11,2 °C и ниже, состоят из молекул N2O4. По мере нагревания молекулы N2O4 диссоциируют с образованием молекул темно-бурого диоксида азота; полная диссоциация происходит при 140 °C. Таким образом, при температурах от −11,2 до 140 °C молекулы NO2 и N2O4 находятся в равновесии друг с другом:

N2O4 ⇄ 2NO2 − 56,9 кДж

Выше 140 °C начинается диссоциация NO2 на NO и кислород.

Диоксид азота — очень энергичный окислитель. Многие вещества могут гореть в атмосфере NO2, отнимая от него кислород. Диоксид серы окисляется им в триоксид, на чем основан нитрозный метод получения серной кислоты (см. § 131).

Пары NO2 ядовиты. Вдыхание их вызывает сильное раздражение дыхательных путей и может привести к серьезному отравлению.

При растворении в воде NO2 вступает в реакцию с водой, образуя азотную и азотистую кислоты:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

Поэтому диоксид азота можно считать смешанным ангидридом этих кислот.

Но азотистая кислота очень нестойка и быстро разлагается:

3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O

Поэтому практически взаимодействие диоксида азота с водой, особенно с горячей, идет согласно уравнению

6NO2 + 2H2O = 4HNO3 + 2NO

которое можно получить сложением двух предыдущих уравнений, если предварительно первое из них умножить на три.

В присутствии воздуха образующийся оксид азота немедленно окисляется в диоксид азота, так что в этом случае NO2 в конечном итоге полностью переходит в азотную кислоту:

4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3

Эта реакция используется в современных способах получения азотной кислоты.

Если растворять диоксид азота в щелочах, то образуется смесь солей азотной и азотистой кислот, например:

2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O

Оксид азота(III), или азотистый ангидрид, N2O3 представляет собой темно-синюю жидкость, уже при низких температурах разлагающуюся на NO и NO2. Смесь равных объемов NO и NO2 при охлаждении вновь образует N2O3:

NO + NO2 ⇄ N2O3

Оксиду азота(III) соответствует азотистая кислота HNO2.

Оксид азота(V), или азотный ангидрид, N2O5 — белые кристаллы, уже при комнатной температуре постепенно разлагающиеся на NO2 и O2. Он может быть получен действием фосфорного ангидрида на азотную кислоту:

2HNO3 + P2O5 = N2O5 + 2HPO3

Оксид азота(V) — очень сильный окислитель. Многие органические вещества при соприкосновении с ним воспламеняются. В воде оксид азота(V) хорошо растворяется с образованием азотной кислоты.

В твердом состоянии N2O5 образован нитратным ионом NO3− и ионом нитрония NO2+. Последний содержит такое же число электронов, что и молекула CO2 и, подобно последней, имеет линейное строение: $\mathrm{O{=}\overset{+}{N}{=}O}$. В парах молекула N2O5 симметрична; ее строение может быть представлено следующей валентной схемой, в которой пунктиром показаны трехцентровые связи (ср. с валентной схемой молекулы азотной кислоты на стр. 134):

Валентная схема молекулы N2O5: две группы NO2, связанные через атом кислорода, трехцентровые связи N—O пунктиром