Тема азота и его соединений часто встречается в первой и второй частях ЕГЭ по химии. В заданиях 6–9 нужно знать неорганические реакции и цепочки превращений, а в заданиях 29–31 — окислительно-восстановительные реакции и ионный обмен. Из-за множества степеней окисления азота продукты реакций напрямую зависят от окружающих условий: температуры, концентрации реагентов и активности металла. В статье разберём основные свойства этого элемента, чтобы выполнение заданий формата ЕГЭ не вызывало у тебя трудностей.
Строение атома и положение в таблице Менделеева
Азот располагается во втором периоде, V группе главной подгруппы. Его электронная конфигурация внешнего уровня записывается как $2s^2 2p^3$. У атома пять валентных электронов, три из которых неспаренные.
У азота нет свободного d-подуровня. Он не может распарить электроны со своей $2s$-орбитали. Поэтому максимальная валентность азота равна IV (три связи образуются по обменному механизму и одна — по донорно-акцепторному), хотя высшая степень окисления достигает +5.
Степени окисления азота и примеры соединений
| Степень окисления | Примеры веществ | Роль в окислительно-восстановительных реакциях |
|---|---|---|
| −3 (низшая) | $NH_3$ (аммиак), $Ca_3N_2$ (нитриды), соли аммония | Только восстановитель |
| −2 | $N_2H_4$ (гидразин) | — |
| −1 | $NH_2OH$ (гидроксиламин) | — |
| 0 | $N_2$ (простое вещество) | Окислитель и восстановитель |
| +1 | $N_2O$ (оксид азота I) | Окислитель и восстановитель |
| +2 | $NO$ (оксид азота II) | Окислитель и восстановитель |
| +3 | $N_2O_3$ (оксид), $HNO_2$ (кислота), нитриты | Окислитель и восстановитель |
| +4 | $NO_2$ (оксид азота IV) | Окислитель и восстановитель |
| +5 (высшая) | $N_2O_5$ (оксид), $HNO_3$ (кислота), нитраты | Только окислитель |
Простое вещество: получение, физические и химические свойства азота
Молекула $N_2$ состоит из двух атомов, связанных прочной тройной связью ($N \equiv N$), которая полностью определяет физические свойства азота. Это газ без цвета и запаха, который крайне плохо растворяется в воде и отличается высочайшей химической инертностью.
В промышленности газообразный азот получают фракционной перегонкой жидкого воздуха.
В лаборатории используют реакции термического разложения:
$NH_4NO_2 \xrightarrow{t^\circ} N_2 \uparrow + 2H_2O$
$(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t^\circ} N_2 \uparrow + Cr_2O_3 + 4H_2O$
Взаимодействие с неметаллами
Из-за прочной тройной связи реакции требуют высоких температур или применения катализаторов. Азот не реагирует с галогенами и серой.
Взаимодействие с кислородом происходит только при температуре электрической дуги (около 2000 градусов), реакция эндотермическая:
$N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO - Q$
Взаимодействие с водородом (процесс Габера) — обратимая и экзотермическая реакция. Протекает при нагревании, высоком давлении и с катализатором в виде пористого железа:
$N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3 + Q$
Взаимодействие с металлами
При стандартных условиях азот реагирует только с литием, образуя стабильный нитрид:
$N_2 + 6Li \rightarrow 2Li_3N$
С остальными щелочными и щёлочноземельными металлами, а также с магнием и алюминием, реакция идёт исключительно при нагревании:
$N_2 + 3Mg \xrightarrow{t^\circ} Mg_3N_2$
Соединения в степени окисления −3
Свойства аммиака
Аммиак ($NH_3$) — бесцветный газ с резким запахом. Молекула полярна, между молекулами образуются водородные связи, чем объясняется уникально высокая растворимость газа в воде: в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов аммиака.
Без катализатора аммиак горит жёлто-зелёным пламенем, окисляясь до простого вещества:
$4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + 6H_2O$
В присутствии платинового катализатора кислород глубже окисляет азот — до оксида азота (II):
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ},\, Pt\ 4NO + 6H_2O$
Также аммиак восстанавливает малоактивные металлы из их оксидов:
$2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t^\circ} N_2 + 3Cu + 3H_2O$
За счёт неподелённой электронной пары на атоме азота аммиак выступает хорошим основанием. Он присоединяет протон ($H^+$), образуя катион аммония:
- с водой протекает обратимый процесс: $NH_3 + H_2O \rightleftarrows NH_4^+ + OH^-$;
- с кислотами образуются соли: $NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl$;
- с серной кислотой образуются кислые и средние соли в зависимости от соотношения: $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$.
Свойства нитридов
Нитриды — соли, образованные катионом металла и анионом $N^{3-}$. Они склонны к необратимому гидролизу в двух вариантах.
Водный гидролиз приводит к образованию гидроксида металла и аммиака:
$Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2NH_3 \uparrow$
При кислотном гидролизе выделяющийся аммиак связывается кислотой в соль:
$Ca_3N_2 + 8HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2NH_4Cl$
Свойства солей аммония
Качественная реакция на катион аммония — взаимодействие со щелочами при нагревании. При этом выделяется газ с характерным резким запахом:
$NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$
С солями бария работает классическое правило осадков для сульфат-ионов:
$(NH_4)_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NH_4Cl$
Термическое разложение солей аммония зависит от природы аниона. Процесс сопровождается либо простым распадом, либо окислительно-восстановительной реакцией.
Соли кислот-неокислителей (галогениды, карбонаты) разлагаются на летучие продукты:
$NH_4Cl \xrightarrow{t^\circ} NH_3 \uparrow + HCl \uparrow$
$(NH_4)_2CO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2NH_3 \uparrow + CO_2 \uparrow + H_2O$
Соли кислот-окислителей (нитриты, нитраты, дихроматы) разлагаются за счёт внутримолекулярной реакции:
$NH_4NO_3 \xrightarrow{t^\circ} N_2O \uparrow + 2H_2O$
$NH_4NO_2 \xrightarrow{t^\circ} N_2 \uparrow + 2H_2O$
$(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t^\circ} N_2 \uparrow + Cr_2O_3 + 4H_2O$
Соединения в промежуточных степенях окисления
Оксиды +1 и +2
Оксид азота (I) ($N_2O$), который часто называют веселящим газом, это бесцветный газ. Относится к несолеобразующим оксидам. Химически он родственен кислороду, так как способен поддерживать горение за счёт отщепления атомарного кислорода. При нагревании разлагается:
$2N_2O \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + O_2$
Оксид азота (II) ($NO$) — бесцветный ядовитый газ, несолеобразующий оксид. Мгновенно окисляется кислородом воздуха даже при комнатной температуре:
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$
Соединения +3: оксид, кислота и нитриты
Оксид азота (III) ($N_2O_3$) — синяя жидкость при низких температурах. Это типичный кислотный оксид и ангидрид азотистой кислоты:
$N_2O_3 + H_2O \rightarrow 2HNO_2$
$N_2O_3 + 2NaOH \rightarrow 2NaNO_2 + H_2O$
Азотистая кислота ($HNO_2$) нестабильна. Она разлагается на промежуточные формы по принципу диспропорционирования:
$3HNO_2 \rightarrow HNO_3 + 2NO \uparrow + H_2O$
Азотистая кислота и нитриты проявляют окислительно-восстановительную двойственность.
Выступает как восстановитель в реакции с перманганатом:
$5KNO_2 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 5KNO_3 + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$
Выступает как окислитель в реакции с иодидами:
$2KNO_2 + 2KI + 2H_2SO_4 \rightarrow I_2 + 2NO \uparrow + 2K_2SO_4 + 2H_2O$
В щелочной среде нитриты окисляют амфотерные металлы:
$2Al + KNO_2 + KOH + 5H_2O \rightarrow 2K[Al(OH)_4] + NH_3$
Свойства оксида азота (IV)
Оксид азота (IV) ($NO_2$) — бурый газ со специфическим удушливым запахом, который часто называют лисьим хвостом. Молекула выступает смешанным ангидридом двух кислот: азотной и азотистой.
При растворении в воде без доступа кислорода образуются обе кислоты:
$2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_3 + HNO_2$
При пропускании кислорода процесс сдвигается до получения чистой азотной кислоты:
$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$
При взаимодействии со щелочами образуется смесь нитрата и нитрита:
$2NO_2 + 2NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$
Соединения в высшей степени окисления +5
Оксид азота (V) ($N_2O_5$) — неустойчивое твёрдое вещество. Является кислотным оксидом, бурно реагирует с водой и щелочами:
$N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HNO_3$
$N_2O_5 + 2KOH \rightarrow 2KNO_3 + H_2O$
Азотная кислота
Азотная кислота ($HNO_3$) — бесцветная жидкость, сильная кислота.
Реакции ионного обмена типичны: она взаимодействует с оксидами металлов, основаниями, гидроксидами и солями слабых кислот.
$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$
$NaOH + HNO_3 \rightarrow NaNO_3 + H_2O$
$CaCO_3 + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + CO_2 \uparrow + H_2O$
Азотная кислота окисляет вещества за счёт атома азота $N^{+5}$, а не катиона водорода. При реакциях с металлами выделение водорода ($H_2$) исключено.
Точный состав продуктов зависит от активности металла и концентрации кислоты. Ориентировочная таблица продуктов восстановления поможет решить задания ЕГЭ.
Продукты восстановления азотной кислоты при реакции с металлами
| Активность металла | Концентрированная кислота | Разбавленная кислота |
|---|---|---|
| Активные (до $Al$, щелочные и щёлочноземельные) | Восстанавливается до $N_2O$ | Восстанавливается глубоко до $NH_4NO_3$ |
| Средней активности (от $Mn$ до $Pb$) | Восстанавливается до $NO_2$ (бурый газ) или $NO$ | Восстанавливается до $NO$, $N_2O$ или $N_2$ |
| Малоактивные ($Cu$, $Ag$, $Hg$) | Выделяется $NO_2$ | Выделяется $NO$ |
| Пассивирующиеся ($Fe$, $Al$, $Cr$) | При обычной температуре реакция не идёт. При нагревании образуется $NO_2$ | Выделяется $NO$ |
Примеры уравнений с медью (малоактивный металл):
$Cu + 4HNO_{3 (конц.)} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$
$3Cu + 8HNO_{3 (разб.)} \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$
Пример с очень разбавленной кислотой и активным цинком, где азот восстанавливается с +5 до −3:
$4Zn + 10HNO_{3 (оч.разб.)} \rightarrow 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$
Пример пассивации (железо с холодным концентратом не реагирует, но реакция запускается при нагревании):
$Fe + 6HNO_{3 (конц.)} \xrightarrow{t^\circ} Fe(NO_3)_3 + 3NO_2 + 3H_2O$
Азотная кислота также реагирует с неметаллами. Азот переходит в форму $NO_2$, а неметалл окисляется до своей высшей кислоты или оксида:
$S + 6HNO_{3 (конц.)} \xrightarrow{t^\circ} H_2SO_4 + 6NO_2 \uparrow + 2H_2O$
$C + 4HNO_{3 (конц.)} \xrightarrow{t^\circ} CO_2 \uparrow + 4NO_2 \uparrow + 2H_2O$
$P + 5HNO_{3 (конц.)} \xrightarrow{t^\circ} H_3PO_4 + 5NO_2 \uparrow + H_2O$
Химические свойства нитратов
Все нитраты растворимы в воде. Их характерная особенность — полное или ступенчатое разрушение молекулы под действием высокой температуры.
Термическое разложение нитратов
| Положение металла в электрохимическом ряду | Схема разложения | Пример уравнения |
|---|---|---|
| До $Mg$ (щелочные и щёлочноземельные), кроме $Li$ | Нитрит металла + $O_2$ | $2NaNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2NaNO_2 + O_2 \uparrow$ |
| От $Mg$ до $Cu$ включительно, а также $Li$ | Оксид металла + $NO_2$ + $O_2$ | $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow$ |
| Правее $Cu$ (серебро, ртуть и другие) | Металл + $NO_2$ + $O_2$ | $2AgNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Ag + 2NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow$ |
В разложении нитратов существуют особые исключения. Если металл в соли способен дополнительно окисляться кислородом, который образуется при распаде, то металл изменит свою степень окисления. Так происходит с $Fe(NO_3)_2$:
$4Fe(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3 + 8NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow$
Образуется оксид железа (III), а не оксид железа (II).
Типичные ошибки на ЕГЭ и как их избежать
Чтобы не терять баллы на экзамене, обращай внимание на классические ловушки:
- Определение валентности. Утверждение, что валентность азота в азотной кислоте равна V — ошибка. Она совпадает со степенью окисления (+5), но структурно атом не может образовать пять связей. Максимальная валентность равна IV.
- Термическое разложение. В цепочках превращений при термическом разложении нитрата аммония часто пишут аммиак и кислоту, путая с разложением солей вроде $NH_4Cl$. Правильно писать образование оксида азота (I): $NH_4NO_3 \xrightarrow{t^\circ} N_2O \uparrow + 2H_2O$.
- Реакции с металлами. При взаимодействии металлов с азотной кислотой в продуктах пишут водород. Азотная кислота никогда не выделяет водород при реакции с металлом в рамках школьной программы. Всегда выделяется оксид азота или образуется соль аммония.
Практический разбор заданий ЕГЭ
Задание 1
Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: хлор, серная кислота, нитрит калия, нитрат меди(II), гидроксид калия. Допустимо использование водных растворов веществ. Среди предложенного перечня веществ выберите вещества, которые вступают в реакцию обмена в щелочной среде. В результате реакции образуются две соли. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.
- Нужно определить окислитель и восстановитель. Нитрит калия ($KNO_2,\, N^{+3}$) готов повысить степень до +5 — это восстановитель. Хлор ($Cl_2^0$) — сильный галоген, он окислитель и восстановится до −1.
- Составляем скелет реакции. В щелочной среде $KNO_2$ перейдёт в $KNO_3$, а хлор даст $KCl$:
$KNO_2 + Cl_2 + KOH \rightarrow KNO_3 + KCl + H_2O$ - Составляем электронный баланс:
$N^{+3} -2e^- \rightarrow N^{+5} \mid 1$
$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^- \mid 1$ - Расставляем коэффициенты в соответствии с балансом:
$KNO_2 + Cl_2 + 2KOH \rightarrow KNO_3 + 2KCl + H_2O$ - Для проверки ответа считаем кислород. Слева: 2 в нитрите и 2 в щёлочи = 4. Справа: 3 в нитрате и 1 в воде = 4. Уравнение верно.
Задание 2
Медь растворили в концентрированной азотной кислоте. Выделившийся газ собрали колбой и пропустили через охлаждённый раствор гидроксида натрия. Образовавшуюся смесь солей выделили и осторожно нагрели. Выделившийся газ прореагировал с аммиаком без участия катализатора. Напишите уравнения четырех описанных реакций.
- Медь и концентрированная азотная кислота дают реакцию с бурным выделением оксида азота (IV):
$Cu + 4HNO_{3 (конц.)} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$ - Выделившийся газ — это $NO_2$. Он диспропорционирует в холодных щелочах, образуя нитрит и нитрат:
$2NO_2 + 2NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$ - Происходит нагревание сухой смеси $NaNO_3$ и $NaNO_2$. По правилам термического разложения нитрат натрия распадается на нитрит и кислород:
$2NaNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2NaNO_2 + O_2 \uparrow$
Сам нитрит натрия термически гораздо более устойчив и остаётся без изменений. - Выделившийся газ — $O_2$. При горении аммиака без катализатора получаются азот и вода:
$4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$
Заключение
Теперь ты знаешь, как азот меняет свои свойства и от чего зависят продукты его реакций. Помни, что при реакции металлов с азотной кислотой водород не выделяется, а вместо него всегда образуется соответствующий оксид азота или соль аммония. Обращай внимание на концентрации и цветовые маркеры веществ (бурый газ, синий оксид), чтобы безошибочно справляться с заданиями экзамена. Чтобы закрепить тему и довести навыки до автоматизма, рекомендуем решить несколько аналогичных заданий в «100балльном банке».
