Кислородные соединения азота — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Элементы VA-группы. Азот

Коротко о главном

Азот образует пять оксидов — от $\mathrm{N_2O}$ до $\mathrm{N_2O_5}$ — и две кислородсодержащие кислоты: слабую азотистую $\mathrm{HNO_2}$ и сильную азотную $\mathrm{HNO_3}$ . Азотная кислота окисляет металлы ионом $\mathrm{NO_3^-}$ , поэтому водород не выделяется, а нитраты при нагревании разлагаются по-разному в зависимости от активности металла.

\mathrm{Cu + 4HNO_3(конц.) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}

Подробное объяснение

После грозы в воздухе появляется немного оксидов азота. В разряде молнии температура превышает 2000 °C, и только при таком нагреве инертный азот соединяется с кислородом. С дождём эти оксиды попадают в почву уже в виде азотной кислоты и нитратов — природное удобрение.

Оксиды азота

Азот проявляет в оксидах степени окисления от +1 до +5: $\mathrm{N_2O}$ , $\mathrm{NO}$ , $\mathrm{N_2O_3}$ , $\mathrm{NO_2}$ , $\mathrm{N_2O_5}$ . Напрямую из простых веществ получается только $\mathrm{NO}$ : $\mathrm{N_2 + O_2 \rightarrow 2NO}$ . Бесцветный $\mathrm{NO}$ на воздухе сразу буреет — окисляется в бурый $\mathrm{NO_2}$ : $\mathrm{2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2}$ .

Оксиды $\mathrm{N_2O}$ и $\mathrm{NO}$ — несолеобразующие. Остальные кислотные: $\mathrm{N_2O_3}$ отвечает азотистой кислоте, $\mathrm{N_2O_5}$ — азотной. Особый случай — $\mathrm{NO_2}$ : кислоты с азотом +4 нет, и с водой он даёт сразу две кислоты, $\mathrm{2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_2 + HNO_3}$ .

Азотистая кислота и нитриты

$\mathrm{HNO_2}$ — слабая и неустойчивая кислота, существует только в разбавленном растворе. Азот в ней в промежуточной степени окисления +3, поэтому она может быть и восстановителем (окисляется до $\mathrm{HNO_3}$ ), и окислителем (восстанавливается до $\mathrm{NO}$ ). Её соли — нитриты, например $\mathrm{NaNO_2}$ . Нитрит аммония при нагревании разлагается на азот и воду: $\mathrm{NH_4NO_2 \rightarrow N_2 + 2H_2O}$ — так в лаборатории получают чистый азот.

Азотная кислота

В промышленности её получают из аммиака в три стадии:

$\mathrm{4NH_3 + 5O_2 \rightarrow 4NO + 6H_2O}$ (катализатор — платина);
$\mathrm{2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2}$ ;
$\mathrm{4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3}$ .

Азотная кислота — сильный электролит. С основными оксидами, основаниями и солями она реагирует как обычная кислота, за счёт ионов $\mathrm{H^+}$ . На свету постепенно разлагается и желтеет от растворённого $\mathrm{NO_2}$ : $\mathrm{4HNO_3 \rightarrow 4NO_2 + O_2 + 2H_2O}$ .

Азотная кислота и металлы

Здесь главное отличие. Окислитель — не $\mathrm{H^+}$ , а азот +5 в ионе $\mathrm{NO_3^-}$ . Поэтому:

водород не выделяется никогда;
реагируют и металлы после водорода — медь, серебро, ртуть (золото и платина — нет);
азот восстанавливается тем глубже, чем разбавленнее кислота и активнее металл: $\mathrm{NO_2}$ (+4) → $\mathrm{NO}$ (+2) → $\mathrm{N_2O}$ (+1) → $\mathrm{N_2}$ (0) → $\mathrm{NH_4NO_3}$ (−3);
железо, алюминий и хром концентрированная кислота пассивирует.

Для меди: концентрированная кислота даёт бурый $\mathrm{NO_2}$ , разбавленная — бесцветный $\mathrm{NO}$ .

Нитраты

Соли азотной кислоты хорошо растворимы в воде. Нитраты натрия, калия, кальция и аммония называют селитрами. При нагревании все нитраты разлагаются, и продукты зависят от места металла в ряду активности.

Как решать задачи

Определите тип реакции: обмен (свойства $\mathrm{H^+}$ ) или окисление металла (свойства $\mathrm{NO_3^-}$ ).
Для металла выберите продукт восстановления азота по концентрации кислоты и активности металла.
Расставьте коэффициенты электронным балансом, потом добавьте молекулы $\mathrm{HNO_3}$ , ушедшие на соль, и уравняйте водород водой.
Для разложения нитрата найдите металл в ряду активности и выберите схему.
Расчёт ведите через количество вещества по коэффициентам уравнения.

Разобранные примеры

База

Медь и разбавленная азотная кислота

Условие

Составьте уравнение реакции меди с разбавленной азотной кислотой методом электронного баланса.

Решение

С разбавленной кислотой медь даёт $\mathrm{NO}$ :

$\mathrm{\overset{0}{Cu} - 2e^- \rightarrow \overset{+2}{Cu}}$ — 3, окисление;

$\mathrm{\overset{+5}{N} + 3e^- \rightarrow \overset{+2}{N}}$ — 2, восстановление.

Значит, 3 атома меди и 2 молекулы $\mathrm{NO}$ . В трёх $\mathrm{Cu(NO_3)_2}$ ещё 6 атомов азота — это 6 молекул кислоты на соль, всего $$2 + 6 = 8$$ . Водород из 8 молекул кислоты даёт 4 молекулы воды:

\mathrm{3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}

Проверка по кислороду: слева $8 \cdot 3 = 24$ , справа $$18 + 2 + 4 = 24$$ .

Ответ: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O; восстановитель Cu, окислитель HNO₃

Средний

Объём газов при разложении нитрата

Условие

Прокалили 37,6 г нитрата меди(II). Какой общий объём газов (н. у.) выделился?

Дано

$m(\mathrm{Cu(NO_3)_2}) = 37{,}6$ г

Найти

$$V$$ (газов)

Решение

Медь входит в группу «от магния до меди включительно», поэтому нитрат разлагается до оксида:

\mathrm{2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow}

$M(\mathrm{Cu(NO_3)_2}) = 64 + 2 \cdot 62 = 188$ г/моль, $n = \dfrac{37{,}6}{188} = 0{,}2$ моль.

$n(\mathrm{NO_2}) = 2 \cdot 0{,}2 = 0{,}4$ моль, $n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{0{,}2}{2} = 0{,}1$ моль, всего $$0{,}5$$ моль.

$V = 0{,}5 \cdot 22{,}4 = 11{,}2$ л.

Ответ: 11,2 л

Сложный

Сколько нужно концентрированной кислоты

Условие

Какая масса 63%-ного раствора азотной кислоты нужна, чтобы растворить 9,6 г меди, и какой объём газа (н. у.) при этом выделится?

Дано

$m(\mathrm{Cu}) = 9{,}6$ г
$w(\mathrm{HNO_3}) = 0{,}63$

Найти

$$m$$ (раствора)
$V(\mathrm{NO_2})$

Решение

Кислота концентрированная, газ — $\mathrm{NO_2}$ :

\mathrm{Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}

$n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{9{,}6}{64} = 0{,}15$ моль.

$n(\mathrm{HNO_3}) = 4 \cdot 0{,}15 = 0{,}6$ моль, $m(\mathrm{HNO_3}) = 0{,}6 \cdot 63 = 37{,}8$ г, $m(\text{р-ра}) = \dfrac{37{,}8}{0{,}63} = 60$ г.

$n(\mathrm{NO_2}) = 2 \cdot 0{,}15 = 0{,}3$ моль, $V = 0{,}3 \cdot 22{,}4 = 6{,}72$ л.

Ответ: 60 г раствора; 6,72 л NO₂

Типичные ошибки

Пишут водород среди продуктов реакции металла с азотной кислотой

Почему неверно

В азотной кислоте окислитель — азот +5 в нитрат-ионе, а не ион водорода. Азот восстанавливается легче, поэтому вместо $\mathrm{H_2}$ получаются $\mathrm{NO_2}$ , $\mathrm{NO}$ , $\mathrm{N_2O}$ , $\mathrm{N_2}$ или соль аммония, а водород кислоты уходит в воду.

Как правильно

Продукты реакции металла с азотной кислотой: нитрат металла, соединение азота с пониженной степенью окисления и вода. Например, $\mathrm{Zn + HNO_3(разб.)}$ даёт $\mathrm{Zn(NO_3)_2}$ , $\mathrm{N_2O}$ (или $\mathrm{N_2}$ , $\mathrm{NH_4NO_3}$ ) и воду.

Учитывают только кислоту-окислитель и теряют коэффициент перед HNO₃

Почему неверно

После электронного баланса для меди с разбавленной кислотой получается $\mathrm{3Cu + 2HNO_3}$ . Но азотная кислота нужна ещё и для соли: в $\mathrm{3Cu(NO_3)_2}$ шесть нитрат-ионов. Без них не сходятся азот и водород.

Как правильно

Перед $\mathrm{HNO_3}$ ставят сумму: молекулы-окислители плюс молекулы, ушедшие на соль ( $$2 + 6 = 8$$ ). Затем по водороду находят воду и проверяют кислород.

Разлагают все нитраты одинаково

Почему неверно

Продукты зависят от металла. $\mathrm{KNO_3}$ не даёт ни оксида калия, ни $\mathrm{NO_2}$ , а $\mathrm{AgNO_3}$ даёт металлическое серебро, а не оксид.

Как правильно

Сначала найдите металл в ряду активности: до магния — нитрит и $\mathrm{O_2}$ ; от магния до меди — оксид, $\mathrm{NO_2}$ и $\mathrm{O_2}$ ; после меди — металл, $\mathrm{NO_2}$ и $\mathrm{O_2}$ .

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Запишите формулы пяти оксидов азота и назовите их. Какие из них несолеобразующие?

Подсказка

Степень окисления азота в оксидах — от +1 до +5.

Решение

$\mathrm{N_2O}$ — оксид азота(I), $\mathrm{NO}$ — оксид азота(II), $\mathrm{N_2O_3}$ — оксид азота(III), $\mathrm{NO_2}$ — оксид азота(IV), $\mathrm{N_2O_5}$ — оксид азота(V).

Несолеобразующие — $\mathrm{N_2O}$ и $\mathrm{NO}$ : они не дают солей ни с кислотами, ни со щелочами. Остальные три оксида кислотные.

Ответ

N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅; несолеобразующие — N₂O и NO

База Задача 2

Какая масса нитрита калия получится при полном разложении 20,2 г нитрата калия?

Подсказка

Калий — активный металл, его нитрат разлагается до нитрита и кислорода.

Решение

\mathrm{2KNO_3 \xrightarrow{t} 2KNO_2 + O_2\uparrow}

$M(\mathrm{KNO_3}) = 101$ г/моль, $n = \dfrac{20{,}2}{101} = 0{,}2$ моль.

$n(\mathrm{KNO_2}) = n(\mathrm{KNO_3}) = 0{,}2$ моль, $M(\mathrm{KNO_2}) = 85$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 85 = 17$ г.

Ответ

17 г

Средний Задача 3

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в схеме $\mathrm{Ag + HNO_3(конц.) \rightarrow AgNO_3 + NO_2 + H_2O}$ . Укажите окислитель и восстановитель.

Подсказка

Серебро отдаёт один электрон, азот(+5) принимает один.

Решение

$\mathrm{\overset{0}{Ag} - 1e^- \rightarrow \overset{+1}{Ag}}$ — 1, окисление;

$\mathrm{\overset{+5}{N} + 1e^- \rightarrow \overset{+4}{N}}$ — 1, восстановление.

На один атом серебра — одна молекула $\mathrm{NO_2}$ ; ещё одна молекула кислоты идёт на соль:

\mathrm{Ag + 2HNO_3 \rightarrow AgNO_3 + NO_2\uparrow + H_2O}

Восстановитель — серебро, окислитель — азотная кислота (азот +5).

Ответ

Ag + 2HNO₃ → AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O; восстановитель Ag, окислитель HNO₃

Средний Задача 4

Какой объём оксида азота(II) (н. у.) выделится при растворении 19,2 г меди в разбавленной азотной кислоте?

Подсказка

По уравнению на 3 моль меди приходится 2 моль NO.

Решение

\mathrm{3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}

$n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{19{,}2}{64} = 0{,}3$ моль, $n(\mathrm{NO}) = \dfrac{2}{3} \cdot 0{,}3 = 0{,}2$ моль.

$V = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48$ л.

Ответ

4,48 л

Сложный Задача 5

Прокалили 34 г нитрата серебра. Какова масса твёрдого остатка и общий объём выделившихся газов (н. у.)?

Подсказка

Серебро стоит после меди — нитрат разлагается до металла.

Решение

\mathrm{2AgNO_3 \xrightarrow{t} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow}

$M(\mathrm{AgNO_3}) = 170$ г/моль, $n = \dfrac{34}{170} = 0{,}2$ моль.

Остаток — серебро: $n(\mathrm{Ag}) = 0{,}2$ моль, $m = 0{,}2 \cdot 108 = 21{,}6$ г.

Газы: $n(\mathrm{NO_2}) = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{O_2}) = 0{,}1$ моль, всего $$0{,}3$$ моль; $V = 0{,}3 \cdot 22{,}4 = 6{,}72$ л.

Ответ

21,6 г серебра; 6,72 л газов

Сложный Задача 6

Какой объём аммиака (н. у.) нужен, чтобы получить 126 кг азотной кислоты? Потерями пренебрегите.

Подсказка

Весь азот аммиака переходит в азотную кислоту — атом в атом.

Решение

Цепочка: $\mathrm{NH_3 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3}$ . В каждой молекуле один атом азота, и он сохраняется, поэтому $n(\mathrm{NH_3}) = n(\mathrm{HNO_3})$ .

$n(\mathrm{HNO_3}) = \dfrac{126\,000}{63} = 2000$ моль, $V(\mathrm{NH_3}) = 2000 \cdot 22{,}4 = 44\,800$ л $$= 44{,}8$$ м³.

Ответ

44,8 м³

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Начните с грозы: молния «сжигает» азот воздуха, и получаются оксиды азота, а с дождём — азотная кислота и удобрения. Дальше главная мысль параграфа: азотная кислота — необычная. Обычная кислота «бьёт» металл ионами водорода, а азотная — своим азотом, поэтому водорода не будет, а растворится даже медь. Бурый «лисий хвост» над заводами — это $\mathrm{NO_2}$ . Вопросы для проверки понимания: 1) Почему медь не растворяется в соляной кислоте, а в азотной растворяется? 2) Какие продукты дадут при нагревании нитрат калия и нитрат меди? 3) Какой газ выделится у меди с концентрированной и с разбавленной азотной кислотой? На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно расставлять коэффициенты электронным балансом и помнить, что часть молекул $\mathrm{HNO_3}$ уходит на образование соли. Опыты с концентрированной азотной кислотой дома недопустимы: она вызывает тяжёлые ожоги, а $\mathrm{NO_2}$ ядовит.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 18	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11