Решебник по химии 9 класс Габриелян §18

Кислородные соединения азота

Стр. 95

Вопрос

В соединениях с кислородом азот проявляет степени окисления +1, +2, +3, +4, +5. Какими свойствами характеризуются эти соединения? Какие из них проявляют только окислительные свойства, а какие — и окислительные, и восстановительные?

Соединения азота с кислородом, в которых он проявляет степени окисления от +1 до +5, обладают различными химическими свойствами. Их поведение в реакциях зависит от конкретной степени окисления атома азота.

1. Степени окисления +1 (N₂O) и +2 (NO) — это минимальные положительные степени окисления азота в его кислородсодержащих оксидах. Эти соединения могут быть только восстановителями, поскольку азот в них может перейти к более высокой степени окисления, отдавая электроны.

2. Степень окисления +3 (N₂O₃) — промежуточная. Соединения с этой степенью окисления проявляют двойственные свойства, то есть могут быть как восстановителями (повышая степень окисления до +4 или +5), так и окислителями (понижая её до +2 или 0).

3. Степень окисления +4 (NO₂, N₂O₄) — также двойственная, как и +3. Например, в лабораторных реакциях диоксид азота может как окислять, так и восстанавливаться. Он активно вступает в окислительно-восстановительные процессы, что делает его химически важным реагентом.

4. Степень окисления +5 (N₂O₅, HNO₃) — максимальная степень окисления азота. Такие соединения, как азотная кислота и оксид азота(V), проявляют только окислительные свойства, так как азоту уже некуда дальше отдавать электроны, и он может только принимать их.

Вывод:

• Только окислительные свойства проявляют соединения азота со степенью окисления +5.

• Окислительно-восстановительные свойства (двойственные) характерны для соединений с азотом в степенях окисления +3 и +4.

• Только восстановительные свойства характерны для соединений азота со степенями окисления +1 и +2.

Стр. 97

Лабораторный опыт 37

1. В пробирку поместите немного (на кончике шпателя) оксида меди(II) и добавьте 2 мл раствора азотной кислоты. Нагрейте пробирку. Что наблюдаете? О чём свидетельствует изменение окраски раствора?

При добавлении азотной кислоты к оксиду меди(II) и нагревании наблюдается растворение оксида с образованием голубого раствора. Это свидетельствует о том, что образуется растворимая соль — нитрат меди(II) (Cu(NO₃)₂), окрашенная в голубой цвет.

Молекулярное уравнение: (CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O)

Ионное уравнение: (CuO + 2H⁺ → Cu²⁺ + H₂O)

2. В пробирку налейте 1 мл раствора гидроксида натрия и добавьте 2 капли раствора фенолфталеина. Добавляйте в пробирку раствор азотной кислоты. Что наблюдаете? Почему исчезает окраска индикатора?

Сначала появляется малиновая окраска фенолфталеина, указывающая на щелочную среду. При добавлении азотной кислоты окраска исчезает — среда становится нейтральной или кислой из-за нейтрализации гидроксида натрия кислотой.

Молекулярное уравнение: (NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O)

Ионное уравнение: (OH⁻ + H⁺ → H₂O)

3. Получите гидроксид меди(II). Для этого к 1–2 мл раствора сульфата меди добавьте немного раствора гидроксида натрия. Прилейте в пробирку раствор азотной кислоты. Что наблюдаете? Почему растворился осадок гидроксида меди(II)? Запишите молекулярные и ионные уравнения реакций.

При добавлении NaOH к раствору CuSO₄ выпадает голубой осадок Cu(OH)₂. При добавлении азотной кислоты осадок растворяется с образованием нитрата меди(II) и воды.

1. Образование осадка: (CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄)

Ионное уравнение: (Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓)

2. Растворение осадка в кислоте: (Cu(OH)₂ + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2H₂O)

Ионное уравнение: (Cu(OH)₂ + 2H⁺ → Cu²⁺ + 2H₂O)

Стр. 99

Проверьте свои знания

1. Запишите формулы всех оксидов азота и дайте им названия. Разделите их на две группы. Какой критерий классификации вы использовали при этом?

Формулы и названия всех оксидов азота:

1. N₂O — оксид азота(I), веселящий газ

2. NO — оксид азота(II)

3. N₂O₃ — оксид азота(III)

4. NO₂ — оксид азота(IV)

5. N₂O₄ — динитродиоксид (или тоже оксид азота(IV), димер NO₂)

6. N₂O₅ — оксид азота(V)

Оксиды можно разделить на несолеобразующие и кислотные:

• Несолеобразующие: N₂O, NO — не образуют кислот и солей.

• Кислотные: N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅ — соответствуют азотистой и азотной кислотам, вступают в реакции с основаниями.

Критерий классификации — способность образовывать кислоты (кислотность).

2. Сравните по свойствам две кислородосодержащие кислоты азота. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Кислородосодержащие кислоты азота:

• Азотистая кислота HNO₂

• Азотная кислота HNO₃

HNO₂ — слабая кислота, нестойкая, обладает как окислительными, так и восстановительными свойствами (двуфункциональна).

HNO₃ — сильная кислота, стойкая, обладает только окислительными свойствами.

Уравнения:

1. Восстановительные свойства HNO₂:

(2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃)

2. Окислительные свойства HNO₂:

(2HNO₂ + 2HI → I₂ + 2NO + 2H₂O)

3. Окислительные свойства HNO₃ (разбавленная):

(Cu + 4HNO₃(разб.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O)

3. Какие особенности азотной кислоты следует учитывать при рассмотрении её реакций с металлами? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Азотная кислота — сильный окислитель, вступает в реакции даже с неактивными металлами.

В зависимости от концентрации HNO₃ и активности металла продуктом восстановления азота могут быть NO, NO₂, N₂O, N₂, NH₄NO₃.

Особенности:

• Даже пассивные металлы (например, Cu) реагируют.

• Может пассивировать активные металлы (Al, Fe, Cr) при высокой концентрации кислоты.

• Образуются различные продукты восстановления азота.

Уравнение (разбавленная HNO₃):

(3Cu + 8HNO₃(разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O)

Уравнение (концентрированная HNO₃):

(Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O)

4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых получают азотную кислоту.

Окисление аммиака кислородом:

(4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O) — с катализатором (Pt)

Окисление NO до NO₂:

(2NO + O₂ → 2NO₂)

Поглощение NO₂ водой:

(4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃)

Итоговая реакция получения азотной кислоты (упрощённо):

(4NH₃ + 8O₂ → 4HNO₃ + 4H₂O)

Стр. 99

Примените свои знания

5. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций, протекающих по схемам:

а) NO₂ + P → N₂ + P₂O₅

б) I₂ + HNO₃ → HIO₃ + NO₂ + H₂O

в) FeCl₂ + NaNO₂ + HCl → FeCl₃ + NaCl + NO + H₂O

В каждой реакции укажите окислитель и восстановитель.

а) NO₂ + P → N₂ + P₂O₅

Степени окисления: N (+4) → N (0) — восстановление

P (0) → P (+5) — окисление

Уравнение реакции с коэффициентами: (10NO₂ + 3P → 5N₂ + 3P₂O₅)

Окислитель — NO₂, восстановитель — P

б) I₂ + HNO₃ → HIO₃ + NO₂ + H₂O

Степени окисления: I (0) → I (+5) — окисление

N (+5) → N (+4) — восстановление

Уравнение реакции: (I₂ + 10HNO₃ → 2HIO₃ + 10NO₂ + 4H₂O)

Окислитель — HNO₃, восстановитель — I₂

в) FeCl₂ + NaNO₂ + HCl → FeCl₃ + NaCl + NO + H₂O

Степени окисления: Fe (+2) → Fe (+3) — окисление

N (+3) → N (+2) — восстановление

Уравнение: (2FeCl₂ + 2NaNO₂ + 4HCl → 2FeCl₃ + 2NaCl + 2NO + 2H₂O)

Окислитель — NaNO₂, восстановитель — FeCl₂

6. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) NH₃ → N₂ → NO → NO₂ → HNO₃ → NaNO₃ → NaNO₂

б) KNO₃ + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ → NO₂ → N₂

а) NH₃ → N₂ → NO → NO₂ → HNO₃ → NaNO₃ → NaNO₂

1. (4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O)

2. (N₂ + O₂ → 2NO)

3. (2NO + O₂ → 2NO₂)

4. (4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃)

5. (HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O)

6. (NaNO₃ → NaNO₂ + ½O₂)

б) KNO₃ + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ → NO₂ + N₂

1. (2KNO₃ + H₂SO₄ → 2HNO₃ + K₂SO₄)

2. (Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O)

3. (2NO₂ → 2NO + O₂)

4. (2NO + 2NO₂ → 2N₂O₃ → N₂)

7. При разложении 66,2 г нитрата металла в степени окисления +2 образовалось 8,96 л бурого газа. Установите формулу нитрата и напишите уравнение реакции разложения.

Молярный объём газа при н.у. — 22,4 л/моль, значит:

8,96 л : 22,4 л/моль = 0,4 моль NO₂

В уравнении разложения, например:

(2Me(NO₃)₂ → 2MeO + 4NO₂ + O₂)

0,4 моль NO₂ → 2 моль соли

Молярная масса соли = 66,2 г / 0,2 моль = 331 г/моль

Подходит соль Ba(NO₃)₂. Формула соли: Ba(NO₃)₂

Уравнение: (2Ba(NO₃)₂ → 2BaO + 4NO₂ + O₂)

8. Для нейтрализации 25,0 мл раствора азотной кислоты (плотность 1,115 г/мл) потребовалось 31,9 мл 10%-ного раствора гидроксида натрия (плотность 1,11 г/мл). Определите массовую долю кислоты в исходном растворе.

Масса раствора HNO₃:

(25,0 мл × 1,115 г/мл = 27,875 г)

Масса раствора NaOH:

(31,9 мл × 1,11 г/мл = 35,409 г)

Масса NaOH в нём:

(10% от 35,409 г = 3,5409 г)

Кол-во NaOH:

(3,5409 г / 40 г/моль = 0,0885 моль)

Реакция:

(HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O)

1 : 1 → HNO₃ = 0,0885 моль

Масса HNO₃: (0,0885 моль × 63 г/моль = 5,5755 г)

Массовая доля HNO₃:

(5,5755 г / 27,875 г) × 100% ≈ 20,0%

Стр. 99

Используйте дополнительную информацию

9. К какой группе (кислотных или несолеобразующих) оксидов следует отнести оксид азота(IV)? Обоснуйте свою точку зрения.

Оксид азота(IV) (формула — NO₂) относится к кислотным оксидам. Это подтверждается его химическими свойствами:

Во-первых, оксид азота(IV) реагирует с водой с образованием азотистой и азотной кислот:

(2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃)

Эта реакция характерна именно для кислотных оксидов, так как несолеобразующие оксиды с водой не взаимодействуют.

Во-вторых, NO₂ вступает в реакции с основаниями, образуя соли — нитриты и нитраты. Например:

(2NaOH + NO₂ → NaNO₂ + NaNO₃ + H₂O)

Это также признак кислотного характера, так как только кислотные оксиды могут образовывать соли при взаимодействии со щелочами.

Таким образом, по способности образовывать кислоты и соли, оксид азота(IV) является кислотным оксидом, а не несолеобразующим.

10. Бурый дым, выходящий из труб некоторых химических предприятий, называют «лисьим хвостом». Какое вещество придаёт выбросам бурую окраску? Какие химические предприятия загрязняют атмосферу этим веществом?

Бурую окраску выбросам придаёт диоксид азота (NO₂) — бурый ядовитый газ, который является одним из оксидов азота. Он образуется при сжигании топлива, а также в результате производства азотной кислоты и других процессов, связанных с окислением аммиака. Именно из-за его характерного бурого цвета выбросы называют «лисьим хвостом».

Атмосферу этим веществом загрязняют прежде всего азотно-химические предприятия, где получают азотную кислоту (по окислению аммиака), а также металлургические заводы и тепловые электростанции, в которых сжигаются уголь и другие виды топлива с высоким содержанием азота.

11. Перед оккупацией Дании гитлеровскими войсками выдающийся физик Нильс Бор спас от конфискации свою золотую Нобелевскую медаль, растворив её в «царской водке». После освобождения Европы в 1945 г. Бор выделил золото из раствора, и Нобелевский комитет отчеканил медаль заново. Напишите уравнение реакции взаимодействия золота с «царской водкой».

Царская водка — смесь концентрированной азотной (HNO₃) и соляной (HCl) кислот в соотношении 1:3. При взаимодействии золота с царской водкой происходит окисление золота азотной кислотой и образование хлоротетразолота (III) — комплексного соединения, хорошо растворимого в воде.

Уравнение реакции:

(Au + 3HNO₃ + 4HCl → H[AuCl₄] + 3NO₂↑ + 3H₂O)

Это реакция окислительно-восстановительная:

• золото (Au⁰) окисляется до Au³⁺,

• Нитрат-ион (NO₃⁻) восстанавливается до NO₂.

  Хлорид-ионы (Cl⁻) участвуют в образовании комплекса [AuCl₄]⁻.

Таким образом, золото переходит в раствор в виде ионного комплекса, что позволило Нильсу Бору сохранить свою награду.