Как найти степень окисления азотной кислоты

Степень окисления и валентность – понятия в чём-то близкие и взаимозаменяемые в ряде ситуаций. Но если валентность всегда положительна (поскольку по определение – способность атомов образовывать то или иное число химических связей. А число связей, очевидно, отрицательным быть не может), то степень окисления может иметь как положительные, так и отрицательные значения. А всё потому, что степень окисления – показывает, каким бы был заряд атома, если бы все электроны, образующие химическую связь сместились к нему (или полностью от него оторвались, сместившись к другому атому).

В бинарных соединениях степень окисления найти просто. Нужно помнить два момента:

1. Молекула всегда нейтральна, у неё нет заряда (или же он равен 0), поэтому число отрицательных зарядов равно числу зарядов положительных.

2. Произведения степени окисления атома и индекса, стоящего у атома в молекуле, у обоих составляющих молекулу атомов равны по модулю.

Также стоит запомнить, что

у многих элементов степени окисления почти всегда постоянны. Так, кислород имеет степень окисления -2, водород (очень часто, но не всегда!) и щелочные металлы +1, металлы второй группы +2 и т.д.

Но есть и элементы, которые могут иметь разную степень кисления, например, у серы она может быть -2, +4 или +6.

Для примера определим степени окисления меди в двух оксидах: Cu2O и CuO.

Известно, что у кислорода степень окисления -2. Напомню, что степень окисления указывается справа вверху от элемента. Таким образом, запишем для первого оксида:

Для кислорода произведение степени окисления и индекса -2*1=-2 или по модулю 2. Для меди произведение степени окисления и индекса тоже должно равняться 2. С учётом того, что у меди стоит индекс 2 получаем степень окисления 1. Очевидно, что это +1: поскольку в молекуле уже есть отрицательно заряженная составляющая, другая составляющая должна быть заряжена положительно. Таким образом, в оксиде меди Cu2O степень окисления меди +1.

С оксидом CuО дело обстоит ещё проще. Когда в молекуле атомы соединены 1 к 1, то степени окисления у них равны по модулю. Поскольку у кислорода степень окисления -2, то у меди здесь степень окисления +2.

Теперь разберём примеры посложнее и рассмотрим молекулы, состоящие из атомов трёх видов.

Пример 1.

Определите степень окисления серы в серной кислоте.

Серная кислота имеет формулу H2SO4. Чтобы понять, какая степень окисления у серы в этом соединении, нужно помнить, что заряд молекулы всегда равен 0, то есть число отрицательных зарядов всегда равно числу положительных. Теперь посмотрим на формулу и вспомним, что кислород имеет степень окисления -2, водород +1, то есть:

Что отсюда видно? Что пока у нас имеется два положительных заряда, это вклад водорода (+2 мы получаем, умножив степень окисления водорода на индекс: +1*2=+2) и восемь отрицательных, это вклад кислорода (-8 мы получаем, умножив степень окисления кислорода на индекс: -2*4=-8). Но нам нужно, чтобы число положительных зарядов было равно числу отрицательных, только при этом условии заряд молекулы будет 0. Следовательно, недостаёт 6 положительных зарядов. Это и есть степень окисления серы в серной кислоте: +6. То есть можно записать так:

Пример 2.

Найдём степень окисления азота в азотистой кислоте HNO2.

Рассуждать будет аналогично, исходя из известных степеней окисления (-2 у кислорода и +1 и водорода):

Перемножив степени окисления с индексами, получим, что у нас 1 положительный заряд (от водорода: +1*1=+1) и четыре отрицательных (от кислорода: -2*2=-4). Для общего нулевого заряда молекулы недостаёт трёх положительных зарядов, которые и даст азот. То есть в азотистой кислоте степень окисления азота +3:

Для тренировки попробуйте самостоятельно определить степень окисления хрома в бихромате калия K2CrO4.

Пишите, пожалуйста, в комментариях, что осталось непонятным, и я обязательно дам дополнительные пояснения. Жалуйтесь на сложности в изучении школьного курса и говорите, что вас испугало в учебнике химии. И тогда следующая статья будет рассказывать именно об этой проблеме.

Азотная кислота

Строение молекулы и физические свойства

Азотная кислота HNO₃ – это сильная одноосновная кислота-гидроксид. При обычных условиях бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C ( при нормальном атмосферном давлении). Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. На свету частично разлагается.

Валентность азота в азотной кислоте равна IV, так как валентность V у азота отсутствует. При этом степень окисления атома азота равна +5. Так происходит потому, что атом азота образует 3 обменные связи и одну донорно-акцепторную, является донором электронной пары.

Поэтому строение молекулы азотной кислоты можно описать резонансными структурами:

Обозначим дополнительные связи между азотом и кислородом пунктиром. Этот пунктир по сути обозначает делокализованные электроны. Получается формула:

Способы получения

В лаборатории азотную кислоту можно получить разными способами:

1. Азотная кислота  образуется при действии концентрированной серной кислоты на твердые нитраты металлов. При этом менее летучая серная кислота вытесняет более летучую азотную.

Например, концентрированная серная кислота вытесняет азотную из кристаллического нитрата калия:

KNO₃    +    H₂SO_4(конц)    →    KHSO₄    +    HNO₃

2. В промышленности азотную кислоту получают из аммиака. Процесс осуществляется постадийно.

1 стадия. Каталитическое окисление аммиака.

4NH₃    +   5O₂    →    4NO  +   6H₂O

2 стадия. Окисление оксида азота (II)  до оксида азота (IV) кислородом воздуха.

2NO   +    O₂   →    2NO₂

3 стадия. Поглощение оксида азота (IV) водой в присутствии избытка кислорода.

4NO₂   +   2H₂O   +  O₂   →  4HNO₃

Химические свойства

Азотная кислота – это сильная кислота. За счет азота со степенью окисления +5 азотная кислота проявляет сильные окислительные свойства.

1. Азотная кислота практически полностью диссоциирует в водном растворе.

 HNO₃ → H⁺ + NO₃^–

2. Азотная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, азотная кислота взаимодействует с оксидом меди (II):

CuO   +   2HNO₃   →   Cu(NO₃)₂   +   H₂O

Еще пример: азотная кислота реагирует с гидроксидом натрия:

HNO₃   +   NaOH   →   NaNO₃   +   H₂O

3. Азотная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов, сульфитов). 

Например, азотная кислота взаимодействует с карбонатом натрия:

2HNO₃   +   Na₂CO₃   →  2NaNO₃   +   H₂O   +   CO₂

4. Азотная кислота частично разлагается при кипении или под действием света:

4HNO₃  →   4NO₂   +   O₂   +   2H₂O

5. Азотная кислота активно взаимодействует с металлами. При этом  никогда не выделяется водород! При взаимодействии азотной кислоты с металлами окислителем всегда выступает азот +5. Азот в степени окисления +5 может восстанавливаться до степеней окисления -3, 0, +1, +2 или +4 в зависимости от концентрации кислоты и активности металла.

металл + HNO₃ → нитрат металла + вода + газ (или соль аммония)

С алюминием, хромом и железом на холоду концентрированная HNO₃  не реагирует – кислота «пассивирует» металлы, т.к. на их поверхности образуется пленка оксидов, непроницаемая для концентрированной азотной кислоты. При нагревании реакция идет. При этом азот восстанавливается до степени окисления +4:

Fe    +   6HNO_3(конц.)  →   Fe(NO₃)₃   +   3NO₂  +   3H₂O

 Al   +   6HNO_3(конц.)   →  Al(NO₃)₃   +   3NO₂  +   3H₂O

Золото и платина не реагируют с азотной кислотой, но растворяются в «царской водке» – смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 :  3 (по объему):

HNO₃      +   3HCl   +   Au   →   AuCl₃   +   NO   +   2H₂O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (IV), азот восстанавливается минимально:

4HNO_3(конц.)    +    Cu   →    Cu(NO₃)₂    +    2NO₂   +   2H₂O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными) концентрированная азотная кислота реагирует с образованием оксида азота (I):

10HNO₃       +  4Ca   →    4Ca(NO₃)₂    +    N₂O   +   5H₂O

Разбавленная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (II).

8HNO_{3 (разб.)}     +    3Cu   →    3Cu(NO₃)₂    +    2NO   +   4H₂O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными), а также оловом и железом разбавленная азотная кислота реагирует с образованием молекулярного азота:

12HNO_3(разб)     +  10Na   →    10NaNO₃    +    N₂   +   6H₂O

При взаимодействии кальция и магния с азотной кислотой любой концентрации (кроме очень разбавленной) образуется оксид азота (I):

10HNO₃       +  4Ca    →   4Ca(NO₃)₂    +    2N₂O   +   5H₂O

Очень разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с образованием нитрата аммония:

10HNO₃         +  4Zn   →    4Zn(NO₃)₂    +    NH₄NO₃   +   3H₂O

Таблица. Взаимодействие азотной кислоты с металлами.

Азотная кислота
Концентрированная	Разбавленная
с Fe, Al, Cr	с неактивными металлами и металлами средней активности (после Al)	с щелочными и щелочноземельными металлами	с неактивными металлами и металлами средней активности (после Al)	с металлами до Al в ряду активности, Sn, Fe
пассивация при низкой Т	образуется NO2	образуется N2O	образуется NO	образуется N2

6. Азотная кислота окисляет и неметаллы (кроме кислорода, водорода, хлора, фтора и некоторых других). При взаимодействии с неметаллами HNO₃  обычно восстанавливается до NO  или NO₂, неметаллы окисляются до соответствующих кислот, либо оксидов (если кислота неустойчива).

Например, азотная кислота окисляет серу, фосфор, углерод, йод:

6HNO₃       +   S     →   H₂SO₄   +   6NO₂    +    2H₂O

Безводная азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому она легко взаимодействует с красным и белым фосфором. Реакция с белым фосфором протекает очень бурно. Иногда она сопровождается взрывом.

5HNO₃      +    P   →    H₃PO₄     +   5NO₂    +    H₂O

5HNO₃      +    3P     +    2H₂O   →    3H₃PO₄     +   5NO

Видеоопыт взаимодействия фосфора с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

4HNO₃     +    C   →   CO₂    +    4NO₂    +    2H₂O

Видеоопыт взаимодействия угля с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

10HNO₃   +   I₂  →   2HIO₃   +   10NO₂   +   4H₂O

7. Концентрированная азотная кислота окисляет сложные вещества (в которых есть элементы в отрицательной, либо промежуточной степени окисления): сульфиды металлов, сероводород, фосфиды, йодиды, соединения железа (II) и др. При этом азот восстанавливается до NO₂, неметаллы окисляются до соответствующих кислот (или оксидов), а металлы окисляются до устойчивых степеней окисления.

Например, азотная кислота окисляет оксид серы (IV):

2HNO₃     +   SO₂  →   H₂SO₄     +   2NO₂

Еще пример: азотная кислота окисляет иодоводород:

6HNO₃   +   HI   →  HIO₃   +   6NO₂   +   3H₂O

Сера в степени окисления -2 окисляется без нагревания до простого вещества, при нагревании до серной кислоты. 

Например, сероводород окисляется азотной кислотой без нагревания до молекулярной серы:

2HNO₃     +   H₂S     →  S    +    2NO₂   +   2H₂O

При нагревании до серной кислоты:

2HNO₃     +   H₂S     →  H₂SO₄    +    2NO₂   +   2H₂O

8HNO₃     +    CuS   →   CuSO₄    +   8NO₂    +   4H₂O

Соединения железа (II) азотная кислота окисляет до соединений железа (III):

4HNO₃     +    FeS   →   Fe(NO₃)₃  +   NO    +   S    +   2H₂O

8. Азотная кислота окрашивает белки в оранжево-желтый цвет («ксантопротеиновая реакция«).

Ксантопротеиновую реакцию проводят для обнаружения белков, содержащих в своем составе ароматические аминокислоты. К раствору белка прибавляем концентрированную азотную кислоту. Белок свертывается. При нагревании белок желтеет. При добавлении избытка аммиака окраска переходит в оранжевую.

Видеоопыт обнаружения белков с помощью азотной кислоты можно посмотреть здесь.

Наиболее важное с практической точки зрения соединение азота – это азотная кислота. Данный урок посвящен изучению  свойств азотной кислоты. В ходе урока вы также познакомитесь с основными областями применения азотной кислоты.

I. Строение молекулы 

---

HNO₃  – Азотная кислота

Химические формулы

Опытным путём доказано, что в молекуле азотной кислоты между двумя атомами кислорода и атомом азота две химические связи абсолютно одинаковые – полуторные связи. Степень окисления азота +5, а валентность равна IV.

II. Физические свойства

---

Азотная кислота HNO₃ в чистом виде – бесцветная жид­кость с резким удушливым запахом, неограниченно растворимая в воде; t°пл.= -41°C; t°кип.= 82,6°С, r = 1,52 г/см³. В небольших количествах она образуется при грозовых разрядах и присутствует в дождевой воде.

Под действием света азотная кислота частично разлагается с выделением NО₂ и за cчет этого приобретает светло-бурый цвет:

N₂ + O₂ ^{грозовые эл.разряды}→ 2NO

2NO + O₂ → 2NO₂

4НNО₃ ^свет→ 4NО₂↑(бурый газ) + 2Н₂О + О₂

Азотная кислота высокой концентрации выделяет на воздухе газы, которые в закрытой бутылке обнаруживаются в виде коричневых паров (оксиды азота). Эти газы очень ядовиты, так что нужно остерегаться их вдыхания. Азотная кислота окисляет многие органические вещества. Бумага и ткани разрушаются вследствие окисления образующих эти материалы веществ. Концентрированная азотная кислота вызывает сильные ожоги при длительном контакте и пожелтение кожи на несколько  дней  при  кратком  контакте.  Пожелтение кожи свидетельствует о разрушении белка и выделении серы (качественная реакция на концентрированную азотную кислоту – жёлтое окрашивание из-за выделения элементной серы при действии кислоты на белок – ксантопротеиновая реакция). То есть – это ожог кожи. Чтобы предотвратить ожог, следует работать с концентрированной азотной кислотой в резиновых перчатках.

III. Получение

---

1. Лабораторный способ 

KNO₃ + H₂SO₄(конц)  → KHSO₄ + HNO₃­ (при нагревании) 

2. Промышленный способ

Осуществляется в три этапа: 

a) Окисление аммиака на платиновом катализаторе до NO 

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (условия: катализатор – Pt, t = 500˚С) 

б) Окисление кислородом воздуха NO до NO₂ 

2NO + O₂ → 2NO₂ 

в) Поглощение NO₂ водой в присутствии избытка кислорода 

4NO₂ + О₂ + 2H₂O ↔ 4HNO₃

или  3NO₂ + H₂O ↔ 2HNO₃+NO (без избытка кислорода)

Тренажёр: “Получение азотной кислоты”

IV. Химические свойства

---

Для азотной кислоты характерны свойства: общие с другими кислотами и специфические.

1. Химические свойства общие с другими кислотами

1. Очень сильная кислота.  

Опыт: “Действие индикаторов”                                                                                          

Диссоциирует в водном растворе практически нацело:

 HNO₃ → H⁺ + NO₃^–

Опыт: “Изменение цветов индикаторов в кислотах”

2. Реагирует с основными оксидами

K₂O + 2HNO₃ → 2KNO₃ + H₂O

K₂O + 2H⁺ + 2NO₃^– → 2K⁺ + 2NO₃^– + H₂O

K₂O + 2H⁺ → 2K⁺ + H₂O

3. Реагирует с основаниями

HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O

H⁺ + NO₃^– + Na⁺ + OH^– → Na⁺ + NO₃^– + H₂O

H⁺ + OH^– → H₂O

4. Реагирует с солями, вытесняет слабые кислоты из их солей

 2HNO₃ + Na₂CO₃ → 2NaNO₃ + H₂O + CO₂­

2H⁺ + 2NO₃^– + 2Na⁺ + СO₃^2- → 2Na⁺ + 2NO₃^– + H₂O + CO₂­

2H⁺ + СO₃^2- → H₂O + CO₂­

 2. Специфические свойства азотной кислоты

 Азотная кислота – сильный окислитель

N⁺⁵ → N⁺⁴→ N⁺²→ N⁺¹→ N^o → N^-3

N⁺⁵ + 8e^–→N^-3 окислитель, восстанавливается.

 1. Разлагается на свету и при нагревании

 4HNO₃  ^t˚C→ 2H₂O + 4NO₂­ + O₂­

 Образуется бурый газ

2. При взаимодействии с металлами никогда не выделяется водород

HNO₃ + Me = соль + H₂O + Х

	Щелочные и щелочноземельные	Fe, Cr,  Al,   Ni,  Co	Металлы до водорода	Металлы после водорода (Cu и др)	Благородные Au, Pt, Os, Ir,Ta
HNO3(конц.ω>60%)	N2O	пассивация (при обычных условиях); NO2 (при нагревании) Опыт:  ”Взаимодействие азотной кислоты с железом”	NO2	NO2 Опыт: ”Взаимодействие азотной кислоты с медью”	Нет реакции
HNO3(разбавл.)	NH3, NH4NO3	Основной NO, но в зависимости от разбавления могут образовываться N2, N2O, NH3,NH4NO3. Чем больше разбавлена кислота, тем ниже степень окисления азота.	NO

Таблица. Продукты реакции взаимодействия азотной кислоты с металлами

Опыт: “Взаимодействие меди с азотной кислотой”
Упрощенная схема «Продукты реакции взаимодействия азотной кислоты с металлами»

 

Царская водка: V(HNO₃) : V(HCl) = 1 : 3 растворяет благородные металлы.

HNO₃ + 4HCl + Au = H[AuCl₄] + NO + 2H₂O

4HNO₃ + 18HCl + 3Pt = 3H₂[PtCl₆] + 4NO + 8H₂O

Тренажёр:  “Взаимодействие азотной кислоты с металлами”

3. Реагирует с неметаллами

Азотная кислота превращается в NO (или в NO₂); неметаллы окисляются до соответствующих кислот:

Видео: “Взаимодействие азотной кислоты с углем”

S⁰ + 6HNO₃(конц) → H₂S⁺⁶O₄ + 6NO₂ + 2H₂O

B⁰ + 3HNO₃ → H₃B⁺³O₃ + 3NO₂

3P⁰ + 5HNO₃ + 2H₂O → 5NO + 3H₃P⁺⁵O₄

HNO₃  (конц.) + неметалл = окисление неметалла до кислоты в высшей степени окисления + NO₂ + вода

HNO₃ (разбав.) + неметалл + вода = окисление неметалла до кислоты в высшей степени окисления + NO

V. Применение

• в производстве минеральных удобрений;
• в военной промышленности;
• в фотографии — подкисление некоторых тонирующих растворов;
• в станковой графике — для травления печатных форм (офортных досок, цинкографических типографских форм и магниевых клише).
• в производстве взрывчатых и отравляющих веществ

V. Тест

---

№1. Степень окисления атома азота в молекуле азотной кислоты

a. +4   

            b. +3   

            c. +5   

            d. +2

№2. Атом азота в молекуле азотной кислоты имеет валентность равную –

            a. II    

            b. V    

            c. IV   

            d. III

№3. Какими физическими свойствами характеризуют чистую азотную кислоту?

a. без цвета   

            b. не имеет запаха   

            c. имеет резкий раздражающий запах      

            d. дымящая жидкость         

            e. окрашена в жёлтый цвет

№4. Установите соответствие между исходными веществами и продуктами реакции:

a) NH3 + O2	1)  NO2
b) KNO3 + H2SO4	2)  NO2 + О2 + H2O
c) HNO3	3)  NO + H2O
d) NO + O2	4)  KHSO4 + HNO3­

№5. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, покажите переход электронов, укажите процессы окисления (восстановления; окислитель (восстановитель):

NO₂ + О₂ + H₂O ↔ HNO₃

VI. Закрепление

---

Задание №1.

Осуществите превращения по схеме, назовите вещества, для УХР со * составить ОВ баланс, а для** разбор РИО:

NH₄Cl**→ NH₃* → N₂ → NO → NO₂ → HNO₃ → NO₂

Задание №2.

Осуществить превращения по схеме (внимательно посмотрите, куда направлены стрелки):

Соль аммония←Аммиак←Нитрид Лития ←Азот → Оксид азота (II)←Азотная кислота

Для ОВР составить е-баланс, для РИО полные, ионные уравнения.

Задание №3.

Напишите уравнения реакций взаимодействия азотной кислоты со следующими веществами в молекулярном и ионном виде:
a) Al₂O₃
б) Ba(OH)₂
в) Na₂S

Задание №4.

Запишите уравнения, составьте электронный баланс, укажите процессы окисления и восстановления, окислитель и восстановитель:
а) Сa + HNO₃ (конц.)
б) Сa + HNO₃ (paзбавл.)

Задание №5.

Осуществите переход по ссылке, изучите информацию на странице и      посмотрите видео , нажмите “посмотреть опыт”.
Напишите в молекулярном и ионном виде уравнения реакций, с помощью которых можно различить азотную, серную и соляную кислоту.

ЦОРы

---

Анимация: “Химические формулы”

Анимация: ”Промышленный способ получения азотной кислоты” 

Опыт: ”Изменение цвета индикаторов в растворе азотной кислоты”

Опыт: ”Взаимодействие азотной кислоты с железом”

Опыт: ”Взаимодействие азотной кислоты с медью”

Видео: “Взаимодействие азотной кислоты с углем”

Видео – Эксперимент: “Действие азотной кислоты на бумагу и солому”

Видео – Эксперимент: “Взаимодействие меди с азотной кислотой”

Видео – Эксперимент: “Свойства азотной кислоты”

Видео – Эксперимент: “Взаимодействие азотной кислоты с металлами”

Видео – Эксперимент: “Взаимодействие безводной азотной кислоты с белым фосфором”

Видео – Эксперимент: “Взаимодействие безводной азотной кислоты с углем”

Видео – Эксперимент: “Взаимодействие безводной азотной кислоты со скипидаром”

Видео – Эксперимент: “Окислительные свойства азотной кислоты”