16.2. Азот

У атома азота есть три неспаренных электрона, поэтому по обменному механизму он может образовать три ковалентных связи. Еще одну ковалентную связь он может образовать по донорно-акцепторному механизму, при этом атом азота приобретает положительный формальный заряд +1 е. Таким образом, максимально азот пятивалентен, но его максимальная ковалентность равна четырем.(Именно этим объясняется часто свтречающееся утверждение о том, что азот не может быть пятивалентным) Почти весь земной азот находится в атмосфере нашей планеты. Существенно меньшая часть азота присутствует в литосфере в виде нитратов. Азот входит в состав органических соединений, содержащихся во всех организмах и в продуктах их разложения. Азот образует единственное простое молекулярное вещество N₂ с тройной связью двухатомной в молекуле (рис. 16.2). Энергия этой связи равна 945 кДж/моль, что превышает значения других энергий связи (см. таблицу 21). Этим объясняется инертность азота при обычных температурах. По физическим характеристикам азот – бесцветный газ без запаха, хорошо знакомый нам с рождения (земная атмосфера на три четверти состоит из азота). В воде азот малорастворим.

Азот образует два водородных соединения: аммиак NH₃ и гидразин N₂H₆:

Аммиак – бесцветный газ с резким удушающим запахом. Неосторожное вдыхание концентрированных паров аммиака может привести к спазму и удушью. Аммиак очень хорошо растворим в воде, что объясняется образованием каждой молекулой аммиака четырех водородных связей с молекулами воды.

 

Молекула аммиака – частица-основание (см. приложение 14). Принимая протон она превращается в ион аммония. Реакция может протекать как в водном растворе, так и в газовой фазе:

NH₃ + H₂O NH₄ + OH (в растворе); NH₃ + H₃O ^B = NH₄ + H₂O (в растворе); NH_3г + HCl_г = NH₄Cl_кр (в газовой фазе).

Водные растворы аммиака достаточно щелочные для осаждения нерастворимых гидроксидов, но недостаточно щелочные для того, чтобы амфотерные гидроксиды растворялись в них с образованием гидроксокомплексов. Поэтому раствор аммиака удобно использовать для получения амфотерных гидроксидов p-элементов: Al(OH)₃, Be(OH)₂, Pb(OH)₂ и т. п., например:

Pb² + 2NH₃ + 2H₂O = Pb(OH)₂ + 2NH₄.

При поджигании на воздухе аммиак сгорает, образуя азот и воду; при взаимодействии с кислородом в присутствии катализатора (Pt) обратимо окисляется до монооксида азота:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O (без катализатора), 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (с катализатором).

При нагревании аммиак может восстанавливать оксиды не очень активных металлов, например, меди:

3CuO + 2NH₃ = 3Cu + N₂ + 3H₂O

Соли аммония по своим свойствам (кроме термической устойчивости) похожи на соли щелочных металлов. как и последние, почти все они растворимы в воде, но, так как ион аммония является слабой кислотой, гидролизованы по катиону. При нагревании соли аммония разлагаются:

NH₄Cl = NH₃ + HCl ; (NH₄)₂SO₄ = NH₄HSO₄ + NH₃ ; (NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ + CO₂ + H₂O ; NH₄HS = NH₃ + H₂S ; NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O ; NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O ; (NH₄)₂HPO₄ = NH₃ + (NH₄)H₂PO₄;

Оксокислота азота в степени окисления +III – азотистая кислота HNO₂. Это слабая кислота, молекулы которой существуют только в водном растворе. Ее соли – нитриты. Азот в азотистой кислоте и нитритах легко окисляется до степени окисления +V.

В отличие от азотистой, азотная кислота HNO₃ – сильная кислота. Строение ее молекулы может быть выражено двумя способами:

С водой азотная кислота смешивается во всех отношениях, в разбавленных растворах нацело с ней реагируя:

HNO₃ + H₂O = H₃O + NO₃

Азотная кислота и ее растворы – сильные окислители. При разбавлении азотной кислоты ее окислительная активность снижается. В растворах азотной кислоты любой концентрации атомами окислителями являются прежде всего атомы азота, а не водорода. Поэтому при окислении азотной кислотой различных веществ водород если и выделяется, то только как побочный продукт. В зависимости от концентрации кислоты и восстановительной активности другого реагента, продуктами реакции могут быть NO₂, NO, N₂O, N₂ и даже NH₄ . Чаще всего образуется смесь газов, но в случае концентрированной азотной кислоты выделяется только диоксид азота:

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO_{2 ­} + 2H₂O 3FeS + 30HNO₃ = Fe₂(SO₄)₃ + Fe(NO₃)₃ + 27NO₂ + 15H₂O

В случае разбавленной азотной кислоты чаще всего выделяется монооксид азота:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O 3H₂S + 2HNO₃ = 2NO + 4H₂O + 3S

В случае очень разбавленной азотной кислоты, реагирующей с сильным восстановителем (Mg, Al, Zn), образуются ионы аммония:

4Mg + 10HNO₃ = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O