Материал: 5 и 6 группы

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

21 

 

Рис

. 6. 

Энергетическая

 

диаграмма

 

молекулярных

 

орбиталей

 

молекулы

 NO [1]

 

Молекула

 NO 

содержит

 

нечётное

 

число

 

электронов

, 

следовательно

, 

она

 

парамагнитна

, 

кратность

 

связи

 

равна

 2,5. 

Благодаря

 

неспаренному

 

электрону

, NO 

обладает

 

высокой

 

реакционной

 

способностью

. 

Оксид

 

азо

-

та

(II) 

легко

 

и

 

быстро

 

окисляется

 

кислородом

 

воздуха

 

и

 

галогенами

: 

NO + 0,5O

2

 = NO

2

;  

Δ

Н

°

 

= 

−

113,4 

кДж

/

моль

, 

2NO + Cl

2

 

⇔

 2NOCl. 

Нитрозилгалогениды

 

имеют

 

общую

 

формулу

 NOX, 

где

 X = F, Cl, Br:   

2NO

 

+ 

Х

2 

= 2NO

Х

 

NO

 

+ 2HNO

3, 

конц

. 

= 3NO

2 

↑

 + H

2

O 

2NO

 

+ K

2

Cr

2

O

7

 + 4H

2

SO

4 

= 2HNO

3 

+ Cr

2

(SO

4

)

3

 + K

2

SO

4

 + 3H

2

O 

Хлорид

 

нитрозила

  (

хлорангидрид

 

азотистой

 

кислоты

)

 NOCl 

−

 

оранжево

-

жёлтый

 

газ

 (t

пл

. 

= 

−

60 °

С

, t

кип

. 

= 

−

5,4 °

С

), 

обладает

 

сильными

 

окислительными

 

и

 

хлорирующими

 

свойствами

 

за

 

счёт

 

диссоциации

 

на

 

NO 

и

 Cl

•

. 

В

 

воде

 

вещество

 

разлагается

, 

образуя

 

смесь

 HCl, NO, HNO

2

 

и

 

HNO

3

. 

Нитрозил

-

ион

 NO

+

 

изоэлектронен

 

молекуле

  N

2

, 

в

 

отличие

 

от

 NO 

диамагнитен

. 

Для

 

него

 

известны

 

следующие

 

солеподобные

 

соединения

: 

[NO]ClO

4

, [NO]HSO

4

, [NO]

2

[PtCl

6

] 

и

 

др

. 

Ионы

 NO

+

 

и

 NO

–

 

также

 

образу

-

ются

 

при

 

координации

 

молекулы

 NO 

к

 

ионам

 

переходных

 

металлов

 

и

 

входят

 

как

 

лиганды

 

в

 

состав

 

нитрозильных

 

комплексов

, 

например

, 

[Ru(NH

3

)

5

NO]

3+

, [Fe(CN)

5

NO]

2

−

, [Fe(H

2

O)

5

NO]

2+

. 

Последний

 

комплекс

 

легко

 

получается

 

в

 

виде

 

соединения

 

бурого

 

цвета

  

при

 

пропускании

 NO  

в

 

раствор

 FeSO

4

  (

качественная

 

реакция

  «

бурого

 

кольца

» 

на

 

нитрат

- 

и

 

нит

-

рит

-

ионы

): 

[Fe(H

2

O)

6

]

2+

 + NO 

⇔

 [Fe(H

2

O)

5

 NO]

2+

 + H

2

O. 

В

 

нитрозильных

 

комплексах

 

электрон

 

с

 

π

-

разрыхляющей

 

орбитали

 NO 

может

 

перейти

 

на

 

вакантные

 

орбитали

 

иона

 

металла

 

с

 

образованием

 NO

+

 

или

, 

наоборот

, 

с

 d-

орбиталей

 

металла

 

на

 

π

∗

 

молекулярную

 

орбиталь

 NO 

с

 

background image

22 

 

образованием

 NO

−

. 

Так

, 

установлено

, 

что

 

в

  

комплексе

 [Fe(H

2

O)

5

NO]

2+

 

желе

-

зо

(+2) 

приобретает

 

степень

 

окисления

 +3, 

а

 

лигандом

 

становится

 NO

−

. 

Ко

-

ординация

 NO 

к

 

молекулам

 

гемоглобина

 

вызывает

 

серьёзные

 

нарушения

 

процессов

 

клеточного

 

дыхания

 

живых

 

организмов

. 

Поэтому

 

оксид

 

азота

(II) 

относится

 

к

 

числу

 

наиболее

 

опасных

 

веществ

 

с

 

точки

 

зрения

 

экологии

. 

Оксид

 

азота

 

проявляет

 

и

 

слабые

 

окислительные

 

свойства

: 

2NO + 2H

2

S = N

2

 + 2S + 2H

2

O, 

2NO + 2CO = N

2

 + 2CO

2

 (

в

 

присутствии

  

металлического

 Rh), 

2NO + SO

2

 = N

2

O + SO

3

. 

В

 

промышленности

 NO 

получают

 

окислением

 

аммиака

 

на

 

платино

-

родиевом

 

катализаторе

: 

4NH

3

 + 5O

2

 = 4NO + 6H

2

O, 

а

 

в

 

лаборатории

 

−

 

действием

 

на

 

медь

 

разбавленной

 

азотной

 

кислотой

: 

3Cu + 8HNO

3

 = 3Cu(NO

3

)

2

 + 4H

2

O + 2NO

↑

 

или

 

разложением

 

нитрита

 

натрия

 

раствором

 

серной

 

кислоты

: 

6NaNO

2

 + 3H

2

SO

4

 = 4NO

↑

 + 2H

2

O + 2HNO

3

 + 3Na

2

SO

4

. 

Оксид

 

азота

 (III) (

триоксид

 

диазота

)

  N

2

O

3

. 

В

 

твёрдом

 

состоянии

 

это

 

ионное

 

соединение

 [NO]

+

[NO

2

]

–

. 

Оксид

 

существует

 

без

 

разложения

 

только

 

в

 

твёрдом

 

состоянии

. 

При

 

нагревании

 

диссоциирует

 

с

 

образовани

-

ем

 NO 

и

 NO

2

: 

N

2

O

3

 

⇔

 NO + NO

2

;  

Δ

Н

0 

= –41,2 

кДж

/

моль

. 

При

 

температуре

 

выше

 40 °

С

 N

2

O

3

 

полностью

 

разлагается

. 

Получают

  N

2

O

3

 

окислением

 NO 

сухим

 

кислородом

 

или

 

диоксидом

 

азота

 

при

 

температуре

 –60

÷

–80 °

С

. 

Оксид

 

азота

 (III) – 

типичный

 

кислот

-

ный

 

оксид

 

и

 

при

 

растворении

 

в

 

воде

 

образует

 

азотистую

 

кислоту

: 

N

2

O

3

 + H

2

O = 2HNO

2

. 

Азотистая

 

кислота

 HNO

2

 

– 

известна

 

только

 

в

 

растворе

. 

Водные

 

растворы

 

окрашены

 

в

 

голубой

 

цвет

, 

при

 

небольшом

 

нагревании

 

или

 

кон

-

центрировании

 

растворов

 

кислота

 

разлагается

:  

3HNO

2

 = HNO

3

 + H

2

O + 2NO. 

 

 

HNO

2

 

−

 

слабая

 

кислота

 (

К

a

 = 5 

⋅

 10

–4

), 

получить

 

её

 

можно

 

обменной

 

реакцией

 

из

 

растворов

 

солей

 

при

 

температуре

 

ниже

 0

 

°

С

: 

Ba(NO

2

)

2

 + H

2

SO

4

 = 2HNO

2

 + BaSO

4

↓

. 

Соли

 

азотистой

 

кислоты

 – 

нитриты

 – 

устойчивы

. 

Нитриты

 

щелочных

 

металлов

 

при

 

нагревании

 

даже

 

возгоняются

 

без

 

разложения

. 

Нитриты

 

хо

-

рошо

 

растворимы

 

в

 

воде

 

и

 

частично

 

гидролизуются

: 

background image

23 

 

NO

2

–

 + H

2

O 

⇔

 HNO

2

 + OH

–

. 

Нитрит

-

ион

 – NO

2

–

 – 

имеет

 

угловую

 

форму

 (sp

2

-

гибридизация

 

орбиталей

 

атома

 

азота

), 

с

 

валентным

 

углом

 

ONO, 

равным

 109°: 

Орбиталь

 

с

 

неподелённой

 

электронной

 

парой

 

доступ

-

но

 

расположена

 

в

 

пространстве

. 

Это

 

определяет

 

высокую

 

донорную

 

способность

 NO

2

−

-

иона

 

и

 

активное

 

его

 

участие

  

в

 

окислитель

-

но

-

восстановительных

 

реакциях

.  

Поскольку

 

азот

 

в

 

азотистой

 

кислоте

 

и

 

её

 

солях

 

находится

 

в

 

промежу

-

точной

 

степени

 

окисления

 +3, 

то

 

азотистая

 

кислота

 

склонна

 

к

 

диспропор

-

ционированию

 

на

 HNO

3

 

и

 NO.  

В

 

разбавленных

 

растворах

 

при

 

сопостави

-

мых

 

концентрациях

 

азотистая

 

кислота

 

более

 

сильный

 

окислитель

, 

чем

  

азотная

, 

и

 

окисляет

 

иодид

-

ионы

: 

2KNO

2

 + 2H

2

SO

4

 + 2KI = I

2

 + 2NO

↑

+ 2K

2

SO

4

 + 2H

2

O. 

Разбавленная

 

азотная

 

кислота

 

с

 KI 

не

 

реагирует

 (

Е

0

(NO

3

–

/NO) = +0,56 B).  

Сильные

 

окислители

 

легко

 

окисляют

 

азотистую

 

кислоту

 

и

 

нитриты

: 

5KNO

2

 + 2KMnO

4

 + 3H

2

SO

4

 = 5KNO

3

 + 2MnSO

4

 + K

2

SO

4

 + 3H

2

O. 

Нитриты

, 

как

 

и

 

большинство

 

других

 

соединений

 

азота

, 

в

 

сильно

 

ще

-

лочной

 

среде

 

восстанавливаются

 

алюминием

 

или

 

цинком

 

до

 

аммиака

: 

KNO

2

 + 3Zn + 5KOH + 5H

2

O = 3K

2

[Zn(OH)

4

] + NH

3

. 

Нитрит

-

ион

 

как

 

лиганд

 

может

 

координироваться

 

через

 

атом

 

азота

, 

образуя

 

нитрокомплексы

, 

или

 

через

 

атом

 

кислорода

, 

образуя

 

нитритоком

-

плексы

. 

Нитрито

-

нитро

-

изомерия

 

известна

 

для

 

комплексов

 

многих

 

пере

-

ходных

 

металлов

 (Co

3+

, Rh

3+

, Ir

3+

, Pt

4+

). 

Например

, 

в

 

реакциях

 

образования

 

комплексов

 Co

3+

 c 

нитрит

-

ионами

, 

вначале

 

получаются

 

нитрито

-

комп

-

лексы

, 

имеющие

 

розовую

 

окраску

: 

[Co(NH

3

)

6

]

3+

 + NO

2

–

 

⇔

 [Co(NH

3

)

5

(ONO)]

2+

 + NH

3

, 

которые

 

со

 

временем

 

переходят

 

в

 

устойчивые

 

жёлто

-

коричневые

 

нитро

-

комплексы

 [Co(NH

3

)

5

NO

2

]

2+

. 

Следует

 

отметить

, 

что

, 

являясь

 

лигандом

 

сильного

 

поля

, 

нитрит

-

ион

 

стабилизирует

 

в

 

комплексах

 

высокие

 

степени

 

окисления

 3d-

металлов

, 

например

, 

Со

3+

 

в

 Na

3

[Co(NO

2

)

6

]. 

Диоксид

 

азота

 NO

2

  –

 

Вещество

 

существует

 

в

 

виде

 

равновесной

 

смеси

 

мономера

 NO

2

 

и

 

димера

 

N

2

O

4

. 

Молекула

 NO

2

 

парамагнитна

, 

имеет

 

угловую

 

форму

 (

угол

 ONO =134,3°). 

В

 

рамках

 

метода

 

ВС

 

её

 

геометрическая

 

конфигу

-

рация

 

и

 

наличие

 

неспаренного

 

электрона

 

может

 

быть

 

объяснено

 sp

2

-

гибридизацией

 

атомных

 

орбиталей

 

иона

 

азота

 N

+

, 

образующегося

 

при

 

пе

-

реносе

 

одного

 2s-

электрона

 

на

 

атом

 

кислорода

. 

Благодаря

 

неспаренному

 

электрону

  

молекулы

 NO

2

 

даже

 

в

 

парах

 

частично

 

димеризованы

: 

O

2

N

•

 +  

•

NO

2

 

⇔

 O

2

N–NO

2

 {N

2

O

4

};   

Δ

Н

0

=–58 

кДж

/

моль

. 

background image

24 

 

При

 

понижении

 

температуры

 

равновесие

 

димеризации

 

смещается

 

вправо

. 

В

 

твёрдом

 

виде

 N

2

O

4

 

при

 

температуре

 

плавления

 

содержит

 0,01 % 

NO

2

; 

в

 

жидком

 

состоянии

 

при

 

температуре

 

кипения

 

около

 – 0,1 % NO

2

; 

в

 

газообразном

 

диоксиде

 

азота

 

при

 100 °

С

 

и

 

р

=1 

атм

 90 % 

вещества

 

находит

-

ся

 

в

 

виде

 

мономера

. 

При

 

комнатной

 

температуре

 

в

 

равновесном

 

состоянии

 

находится

 

около

 20 

об

. % NO

2

. 

Выше

 150 °

С

 

диоксид

 

азота

 

разлагается

: 

NO

2

 

⇔

 NO + 0,5O

2

 

Δ

Н

°

 

= 56 

кДж

/

моль

. 

При

 

высоких

 

температурах

 

из

-

за

 

образования

 

кислорода

 

в

 

атмосфере

 

NO

2

 

горят

 

уголь

, 

сера

 

и

 

фосфор

.   

Жидкий

 N

2

O

4

 

частично

 

ионизирован

: 

N

2

O

4

 

⇔

 NO

+

 + NO

3

–

,

 

поэтому

 

в

 

жидком

 

диоксиде

 

азота

 

могут

 

протекать

 

обменные

 

реакции

 

с

  

участием

 

катионов

 

нитрозила

 NO

+

: 

N

2

O

4

 + KCl

 

твёрд

.

 = KNO

3

 + [NO]Cl. 

Ионизация

 

способствует

 

тому

, 

что

 

газообразный

 

диоксид

 

азота

 

хо

-

рошо

 

растворяется

 

в

 

концентрированных

 

кислотах

: H

2

SO

4

, HNO

3

, HClO

4

 

и

 

H

2

SeO

4

. 

Из

 

таких

 

растворов

 

можно

 

выделить

 

ионные

 

соединения

: 

[NO]HSO

4

, [NO]ClO

4

 

и

 

т

.

п

. 

В

 

соответствии

 

с

 

величинами

 

стандартных

 

окислительно

-

восстано

-

вительных

 

потенциалов

  

NO

3

-

NO

2

HNO

2

NO

+0,80

+1,09

0,98

 

диоксид

 

азота

 

в

 

воде

 

неустойчив

, 

т

.

к

. 

склонен

 

к

 

реакции

 

диспропорцио

-

нирования

 

с

 

образованием

 

двух

 

кислот

: 

2NO

2

 + H

2

O = HNO

2

 + HNO

3

; 

(

Δ

Е

0

реакц

.

 

=

Е

0

ок

–

Е

0

восст

 

= 1,09–0,80=+0,29 

В

 ). 

Однако

 HNO

2

 

в

 

кислых

 

растворах

 

неустойчива

 

и

 

сразу

 

же

 

разлагает

-

ся

 

на

 NO 

и

 HNO

3

, 

реально

 

продуктами

 

взаимодействия

 NO

2

 

с

 

водой

 

будут

 

NO 

и

 HNO

3

: 

3NO

2

 + H

2

O = NO + 2HNO

3

. 

В

 

щелочной

 

среде

 NO

2

 

диспропорционирует

 

с

 

образованием

 

устой

-

чивых

 

нитритов

 

и

 

нитратов

: 

2NO

2

 + 2KOH = KNO

2

 + KNO

3

 + H

2

O, 

поэтому

 NO

2

 

относят

 

к

 

смешанным

 

ангидридам

. 

В

 

лаборатории

 NO

2

 

без

 

примесей

 

других

 

оксидов

 

азота

 

получают

 

термическим

 

разложением

 

нитрата

 

свинца

: 

2Pb(NO

3

)

2

 = 2PbO + 4NO

2

 + O

2

. 

Оксид

 

азота

 (V)

  N

2

O

5

 

– 

При

 

комнатной

 

температуре

  (

особенно

 

на

 

свету

) 

медленно

 

разлагается

 

на

 NO

2

 

и

  O

2

, 

при

 

нагревании

 

взрывается

. 

В

 

твёрдом

 

состоянии

 

имеет

 

структуру

 

соли

 [NO

2

+

][NO

3

–

] (

нитрат

 

нитрония

). 

С

 

водой

 N

2

O

5

 

бурно

 

реагирует

, 

образуя

 HNO

3

, 

растворяется

  

в

 

хлорофор

-

ме

, 

СС

l

4

 

и

 CCl

3

F. 

При

 

взаимодействии

 

с

 

сильными

 

кислотами

 N

2

O

5

 

обра

-

зует

 

соли

 

нитрония

: 

background image

25 

 

N

2

O

5

 + HClO

4

 = (NO

2

)ClO

4

 + HNO

3

. 

Эти

 

кристаллические

 

вещества

 

в

 

водных

 

растворах

 

разлагаются

.  

N

2

O

5

 

является

 

сильным

 

окислителем

, 

однако

 

на

 

практике

 

использу

-

ется

 

как

 

нитрующий

 

реагент

 

и

 

для

 

синтеза

 

безводных

 

нитратов

.  

Получают

  N

2

O

5

 

взаимодействием

 

дымящей

 

азотной

 

кислоты

 

с

 

фос

-

форным

 

ангидридом

: 

4nHNO

3

 + nP

4

O

10

 = 2nN

2

O

5

 + 4(HPO

3

)

n 

Азотная

 

кислота

 HNO

3

 

– 

бесцветная

 

жидкость

 (t

пл

. 

= 

−

41,6 °

С

, 

t

кип

. 

= +84 

÷

 +87 °

С

), 

которая

 

на

 

свету

 

или

 

при

 

хранении

 

частично

 

разла

-

гается

 

с

 

выделением

 NO

2

: 

4HNO

3

 

⇔

 4NO

2

 + O

2

 + 2H

2

O 

и

 

окрашивается

 

продуктами

 

разложения

 

в

 

бурый

 

цвет

. 

С

 

водой

 HNO

3

 

смешивается

 

неограниченно

 

и

 

практически

 

полностью

 

диссоциирует

: 

HNO

3

 + H

2

O = H

3

O

+

 + NO

3

−

. 

Нитрат

-

ион

 

−

 NO

3

−

 

−

 

имеет

 

строение

 

равносторонне

-

го

 

треугольника

. 

Атом

 

азота

, 

не

 

имеющий

 d-

орбиталей

, 

не

 

способен

 

образовывать

 

больше

 

четырёх

 

ковалентных

 

связей

. 

Геометрическая

 

форма

 

иона

 NO

3

–

 

предполагает

 

sp

2

-

гибридизацию

 

атомных

 

орбиталей

 

азота

, 

что

 

возмож

-

но

 

при

 

переходе

 

одного

 

электрона

 

с

 2s-

орбитали

 

атома

 

азота

 

на

 

р

-

орбиталь

 

кислорода

. 

Таким

 

образом

, 

в

 

рассматриваемой

 

частице

 

три

 

σ

-

связи

 

и

 

одна

 

делокализованная

 

π

-

связь

. 

Кратность

 

связи

 N–O 

равна

 1

⅓

, 

а

 

её

 

длина

 

составляет

 0,122 

нм

. 

Положительный

 

заряд

 

атома

 

азота

 

вызывает

 

смещение

 

электронной

 

плотности

 

от

 

атомов

 

кислорода

, 

что

 

сильно

 

пони

-

жает

 

их

 

донорные

 

свойства

. 

Поэтому

 

нитрат

-

ион

 

не

 

образует

 

прочной

 

связи

 

с

 

ионом

 

водорода

 (

азотная

 

кислота

 – 

сильный

 

электролит

). 

По

 

этой

 

же

 

причине

 

нитрат

-

ион

 

слабо

 

координируется

 

к

 

ионам

 

металлов

. 

Нитрат

-

ные

 

комплексы

 

в

 

основном

 

характерны

 

для

 f-

элементов

: [Ce(NO

3

)

6

]

2–

, 

[Th(NO

3

)

6

]

2–

, [UO

2

(NO

3

)

3

]

–

 

и

 

др

.  

Водный

 

раствор

 HNO

3

 

с

 

концентрацией

 56

÷

68 

масс

. % 

принято

 

на

-

зывать

  «

концентрированной

 

азотной

 

кислотой

», 

а

 

безводную

 HNO

3

 

−

 

«

дымящей

 

азотной

 

кислотой

». 68%-

й

 

водный

 

раствор

 

азотной

 

кислоты

 

представляет

 

собой

 

азеотроп

 

и

 

перегоняется

 

при

 

температуре

 121 °

С

 

без

 

разделения

. 

Обезвоживание

 

такого

 

раствора

 

возможно

 

только

 

химиче

-

ски

 

−

 

перегонкой

 

над

 

фосфорным

 

ангидридом

 (P

4

O

10

).  

Дымящую

 

азотную

 

кислоту

 

получают

 

действием

 

концентрированной

 

H

2

SO

4

 

на

 

безводный

 

нитрат

 

калия

 

с

 

отгонкой

 

кислоты

 

под

 

вакуумом

: 

KNO

3 

крист

.

+ 

Н

2

SO

4 

конц

.

 = HNO

3

↑

 + 

К

HSO

4 

крист

.

. 

Промышленное

 

производство

 HNO

3

 

осуществляется

 

в

 

три

 

стадии

: 

окисление

 

аммиака

 

до

 NO 

кислородом

 

воздуха

 

на

 

платино

-

родиевом

 

ка

-

тализаторе

: 

-2/3

-2/3

-2/3

O

N

O

O

+

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/15400