Установление и использование межпредметных связей при изучении элементов III и V группы периодической системы Д.И. Менделеева (стр. 4 из 9)
N2O имеет слабый приятный запах и сладковатый вкус. С кислородом, водой, растворами кислот и щелочей не реагирует. Разлагается на элементы при температуре выше 500 °С, иными словами, достаточно устойчив.
Строение: у кислорода 2 неспаренных электрона, у азота 3 – образуется двойная связь и один неспаренный электрон в остатке. Можно предположить, что молекулы NO будут спариваться и образовывать димерную молекулу ONNO. Строение молекулы: линейная молекула О=N=N, в которой центральный атом N четырехвалентен. Он образует две двойные связи: одну – с кислородом по типичной схеме создания ковалентной связи (два электрона азота, два электрона кислорода), другую – с атомом азота (который два из своих трех неспаренных электронов спаривает и образует за счет этого пустую орбиталь), одна из связей ковалентная, вторая донорно-акцепторная (рис. 1).
Установка для получения оксида азота(I) состоит из штативов, пробирки, пробки с газоотводной трубкой, кристаллизатора, цилиндра и спиртовки (рис. 2). В пробирку помещают NH4NO3, закрывают пробкой с газоотводной трубкой и нагревают. Газ собирают в цилиндр, наполненный водой.
Рис. 1. Молекула оксида азота(I) – N2O
Оксид N2O разлагается при нагревании:
Оксид N2O реагирует с водородом:
N+2O – оксид азота(II), несолеобразующий оксид. Получают NO реакцией меди с кислотой HNO3 (разб.) (рис. 3).
Кристаллическая решетка молекулярная; молекула легкая, слабополярная (электроотрицательность кислорода немного выше, чем у азота). Можно предположить, что температуры плавления и кипения будут низкими, но выше, чем у азота, т. к. полярность молекулы дает возможность подключать электростатические силы притяжения к просто межмолекулярным силам. Образование димера тоже способствует повышению температуры кипения. Строение молекулы позволяет предположить и невысокую растворимость в воде. Оксид азота(II) не имеет ни цвета, ни запаха.
Для получения оксида азота(II) в пробирку помещают немного медных стружек и заливают разбавленную азотную кислоту. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и укрепляют в штативе. Конец газоотводной трубки опускают в кристаллизатор с водой и далее в цилиндр (рис. 3). При нагревании выделяется NO. NO легко окисляется кислородом воздуха, т. е. действует как восстановитель:
В реакции с сернистым газом оксид NO – окислитель:
N+22O3 – оксид азота(III), азотистый ангидрид (ему соответствуют азотистая кислота HNО2 и соли нитриты); это кислотный оксид, для него характерны все свойства кислотных оксидов. Получают оксид N2O3 по реакции:
NO2 + NO
N2O3.N+4O2– оксид азота(IV), диоксид азота, бурый газ (токсичен).
Рассмотрим электроны азота в молекуле NО. Это неспаренный электрон, свободная пара электронов и еще два электрона на связи с кислородом – всего пять. А у атома кислорода, «выходящего на связь», шесть электронов на четырех орбиталях. Если расположить их по два, то одна орбиталь останется свободной. Именно ее и занимает пара электронов атома азота (рис. 4, 5).
Рис. 4. Схема электронного строения молекулы NO2 (первый вариант). (Точками обозначены электроны атомов О, крестиками – электроны атома N)
Рис. 5. Схема электронного строения молекулы NO2 (второй вариант). (Звездочкой обозначен возбужденный атом O, стрелкой – донорно-акцепторная связь.
Раз пара электронов, находящаяся на s-орбитали, «пошла на связь», она просто обязана подвергнуться гибридизации. Возникает вопрос: какой тип гибридизации использует атом? Ответ: три электронные орбитали азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. Молекула NO2 угловая, угол 134° (угол больше 120° потому, что 1 электрон отталкивает от себя электроны связи слабее, чем пара электронов) (рис. 6, 7).
Кристаллическая решетка молекулярная, однако, поскольку сама молекула тяжелее NO и склонность к димеризации у нее заметно выше, то плавиться и кипеть это вещество должно при заметно более высоких температурах. Температура кипения составляет 21 °С, поэтому при обычных условиях – 20 °С и 760 мм рт. ст. – оксид азота(IV) жидкий.
Оксид азота (IV) в воде растворяется, одновременно с ней реагируя, и получается при этом сразу две кислоты.
Рис. 6. Молекула NO2 — вид «сверху»
Рис. 7. Молекула NO2 – вид «сбоку», со стороны донорно-акцепторной связи. (Второй атом кислорода не виден за орбиталями атома азота. Заштрихованные кружки – это гибридизованные орбитали атомов, направленные к читателю.)
Оксид азота(IV) имеет и характерный резкий запах, и рыжевато-бурый цвет, оттенки которого отличаются друг от друга в зависимости от концентрации. Именно за этот цвет выбросы оксидов азота в атмосферу называют «лисьими хвостами» [4].
Реакции оксида NO2
1) С водой:
2NO2 + Н2O = НNO3 + НNO2.
2) С щелочами:
2NO2 + 2NaOH = NаNО3 + NаNО2 + Н2O.
3) Димеризация при охлаждении:
При температуре –11 °С равновесие полностью смещено вправо, а при +140 °С – целиком влево.
N+52O5 – оксид азота(V), азотный ангидрид, кислотный оксид, сильный окислитель. Оксид N2O5 легко разлагается:
2N2O5 = 4NO2 + O2.
2.2.1.2 Азотная кислота
Из гидроксидов азота мы рассмотрим наиболее многотоннажный – азотную кислоту.
Молекула азотной кислоты полярна (из-за разной электроотрицательности кислорода и водорода, потому что азот как бы скрыт внутри молекулы) и асимметрична. Все три имеющихся в ней угла между связями азота с кислородом разные. Формальная степень окисления азота высшая (+5). Но при этом только 4 связи у атома азота с другими атомами – валентность азота равна 4.
Строение молекулы легче понять, если рассмотреть процесс ее получения. Азотная кислота получается при реакции оксида азота(IV) с водой (в присутствии кислорода): две молекулы NO2 одновременно «атакуют» молекулу воды своими неспаренными электронами, в результате связь водорода с кислородом разрывается не как обычно (пара электронов у кислорода и «голый протон»), а одной молекуле NO2 достается водород со своим электроном, другой – радикал ОН (рис. 8). Образуются две кислоты: обе кислоты сильные, обе быстро отдают свой протон ближайшим молекулам воды и остаются в итоге в виде ионов NO2- и NO3-. Ион NO2- нестоек, две молекулы НNО2 разлагаются на воду, NО2 и NО. Оксид NO реагирует с кислородом, превращаясь в NО2, и так до тех пор, пока не получится одна только азотная кислота.
Рис. 8. Схема образования молекул азотной и азотистой кислот. (Черный шар – атом N, большие белые шары – атомы O, маленькие белые шарики – атомы H.)
Формально выходит, что с одним атомом кислорода атом азота связан двойной связью, а с другим – обычной одинарной связью (этот атом кислорода связан еще и с атомом водорода). С третьим атомом кислорода азот в HNO3 связан донорно-акцепторной связью, причем в качестве донора выступает атом азота. Гибридизация атома азота при этом должна быть sр2 из-за наличия двойной связи, что определяет структуру – плоский треугольник. Реально получается, что действительно фрагмент из атома азота и трех атомов кислорода – плоский треугольник, только в молекуле азотной кислоты этот треугольник неправильный – все три угла ОNО разные, следовательно, и разные стороны треугольника. Когда же молекула диссоциирует, треугольник становится правильным, равносторонним. Значит, и атомы кислорода в нем становятся равноценными. Одинаковыми становятся и все связи.
Физические свойства азотной кислоты
Соединение ионизированное, пусть даже и частично, сложно перевести в газ. Таким образом, температура кипения должна бы быть достаточно высокой, однако при такой небольшой молекулярной массе температура плавления высокой быть не должна. Следовательно, агрегатное состояние при 20°С жидкое. Что касается растворимости, то, как и многие другие полярные жидкости, азотная кислота легко смешивается с водой в любых соотношениях. Чистая азотная кислота бесцветна и не имеет запаха. Однако из-за разложения на кислород и оксид азота(IV), который в ней же и растворяется, можно сказать, что обычная концентрированная азотная кислота имеет желто-бурый цвет и характерный для NO2 резкий запах. Посмотрим, как влияет строение молекулы азотной кислоты на ее химические свойства.