Химический характер оксида азота 2. Оксид азота (I, II, III, IV, V): свойства, получение, применение
Окси́д азо́та (II) NO (моноксид азота, окись азота , нитрозил-радикал) - несолеобразующий оксид азота . Он представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде. Сжижается с трудом; в жидком и твёрдом виде имеет голубой цвет.
Наличие неспаренного электрона обусловливает склонность NO к образованию слабосвязанных димеров N 2 O 2 . Это непрочные соединения с ΔH° димеризации = 17 кДж. Жидкий оксид азота (II) на 25% состоит из молекул N 2 O 2 , а твердый оксид целиком состоит из них.
Получение
Оксид азота(II) - единственный из оксидов азота, который можно получить непосредственно из свободных элементов соединением азота с кислородом при высоких температурах (1200-1300 °C) или в электрическом разряде. В природе он образуется в атмосфере при грозовых разрядах:
N 2 + O 2 → 2NO - 180,9 кДж 2NO + O 2 → 2NO 2 .
При понижении температуры оксид азота(II) разлагается на азот и кислород, но если температура падает резко, то не успевший разложиться оксид существует достаточно долго: при низкой температуре скорость распада невелика. Такое резкое охлаждение называется «закалкой» и используется при одном из способов получения азотной кислоты .
В лаборатории его обычно получают взаимодействием 30%-ной HNO 3 с некоторыми металлами , например, с медью :
3Cu + 8HNO 3 (30 %) → 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
Более чистый, не загрязнённый примесями NO можно получить по реакциям:
FeCl 2 + NaNO 2 + 2HCl → FeCl 3 + NaCl + NO + H 2 O; 2HNO 2 + 2HI → 2NO + I 2 ↓ + 2H 2 O.
Промышленный способ основан на окислении аммиака при высокой температуре и давлении при участии , Cr 2 O 3 (как катализаторов):
4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O.
Химические свойства
При комнатной температуре и атмосферном давлении окисление NO кислородом воздуха происходит мгновенно:
2NO + O 2 → 2NO 2
Для NO характерны также реакции присоединения галогенов с образованием нитрозилгалогенидов, в этой реакции NO проявляет свойства восстановителя:
2NO + Cl 2 → 2NOCl (нитрозилхлорид).
В присутствии более сильных восстановителей NO проявляет окислительные свойства:
2SO 2 + 2NO → 2SO 3 + N 2 .
В воде NO мало растворим и с ней не реагирует, являясь несолеобразующим оксидом.
Физиологическое действие
Оксид азота (белый) в цитоплазме клеток хвойных пород деревьев через час после механического воздействия.
Как и все оксиды азота (кроме N 2 O), NO - токсичен, при вдыхании поражает дыхательные пути.
За два последних десятилетия было установлено, что эта молекула NO обладает широким спектром биологического действия, которое условно можно разделить на регуляторное, защитное и вредное. NO, являясь одним из мессенджеров, участвует в регуляции систем внутри- и межклеточной сигнализации. Оксид азота, производимый клетками эндотелия сосудов, отвечает за расслабление гладких мышц сосудов и их расширение(вазодилатацию), предотвращает агрегацию тромбоцитов и адгезию нейрофилов к эндотелию, участвует в различных процессах в нервной, репродуктивной и иммунной системах. NO также обладает цитотоксическими и цитостатическими свойствами. Клетки-киллеры иммунной системы используют оксид азота для уничтожения бактерий и клеток злокачественных опухолей. С нарушением биосинтеза и метаболизма NO связаны такие заболевания, как ассенциальная артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, первичная легочная гипертензия, бронхиальная астма, невротическая депрессия, эпилепсия, нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона), сахарный диабет, импотенция и др.
Оксид азота может синтезироваться несколькими путями. Растения используют неферментативную фотохимическую реакцию между NO 2 и каротиноидами. У животных синтез осуществляют семейство NO-синтаз (NOS). NOS-ферменты – члены гем-содержащего суперсемейства ферментов, названных монооксигеназами. В зависимости от структуры и функций, NOS могут быть разделены на три группы: эндотелиальные (eNOS), нейрональные (nNOS) и индуцибельные (iNOS). В активный центр любой из NO-синтаз входит железопорфириновый комплекс, содержащий аксиально координированный цистеин или метионин. Хотя все изоформы NOS катализируют образование NO, все они являются продуктами различных генов, каждая из них имеет свои особенности как в механизмах действия и локализации, так и в биологическом значении для организма. Поэтому указанные изоформы принято также подразделять на конститутивную (cNOS) и индуцибельную (iNOS) синтазы оксида азота. cNOS постоянно находится в цитоплазме, зависит от концентрации ионов кальция и кальмодулина (белок, являющийся внутриклеточным посредником переноса ионов кальция) и способствует выделению небольшого количества NO на короткий период в ответ на стимуляцию рецепторов. Индуцибельная NOS появляется в клетках только после индукции их бактериальными эндотоксинами и некоторыми медиаторами воспаления, такими как гамма-интерферон, фактор некроза опухоли и др. Количество NO, образующегося под влиянием iNOS, может варьировать и достигать больших количеств (наномолей). При этом продукция NO сохраняется длительнее. Характерной особенностью NO является способность быстро (менее чем за 5 секунд) диффундировать через мембрану синтезировавшей его клетки в межклеточное пространство и легко (без участия рецепторов) проникать в клетки-мишени. Внутри клетки он активирует одни энзимы и ингибирует другие, таким образом, участвуя в регуляции клеточных функций. По сути, монооксид азота является локальным тканевым гормоном. NO играет ключевую роль в подавлении активности бактериальных и опухолевых клеток путем либо блокирования некоторых их железосодержащих ферментов, либо путем повреждения их клеточных структур оксидом азота или свободными радикалами, образующимися из оксида азота. Одновременно в очаге воспаления накапливается супероксид, который вызывает повреждение белков и липидов клеточных мембран, что и объясняет его цитотоксическое действие на клетку-мишень. Следовательно, NO, избыточно накапливаясь в клетке, может действовать двояко: с одной стороны вызывать повреждение ДНК и с другой - давать провоспалительный эффект. Оксид азота способен инициировать ангиогенез (образование кровеносных сосудов). В случае инфаркта миокарда оксид азота играет положительную роль, т.к. индуцирует новый сосудистый рост, но при раковых заболеваниях тот же самый процесс вызывает развитие опухолей, способствуя питанию и росту раковых клеток. С другой стороны, вследствие этого улучшается доставка оксида азота в опухолевые клетки. Повреждение ДНК под действием NO является одной из причин развития апоптоза (запрограммированный процесс клеточного «самоубийства», направленный на удаление клеток, утративших свои функции). В экспериментах наблюдалось дезаминирование дезоксинуклеозидов, дезоксинуклеотидов и неповрежденной ДНК при воздействии раствора, насыщенного NO. Этот процесс ответственен за повышение чувствительности клеток к алкилирующим агентам и ионизирующему излучению, что используется в антираковой терапии.
Клиренс NO (скорость очищения крови от NO в процессе его химических превращений) происходит путем образования нитритов и нитратов и составляет в среднем не более 5 секунд. В клиренс могут быть вовлечены промежуточные ступени, связанные со взаимодействием с супероксидом или с гемоглобином с образованием пероксинитрита. Оксид азота может быть восстановлен NO-редуктазой – ферментом, тесно связанным с NO-синтазой.
Оксидами называют бинарные соединения химических элементов с кислородным атомом, у которого окислительная степень равна 2-. Азот, обладающий меньшим электроотрицательным значением, образует различные комбинации с кислородом. Эти соединения относятся к разным классам веществ. Оксид азота кислород содержит в количестве, которое устанавливает валентность элемента N. Она колеблется от 1 до 5.
Какие бывают оксиды
Существует около десятка азотистых соединений, содержащих O-элемент. Из них пять наиболее часто встречаемых: оксид одновалентного, оксид двухвалентного, оксид трехвалентного, оксид четырехвалентного и оксид пятивалентного азота.
Остальные соединения считаются менее распространенными. К ним относят оксид азота четырехвалентного в форме димера, нестабильные молекулы нитрилазида, нитрозилазида, тринитрамида и нитратный радикал.
Формулы оксидов азота
Ниже приведены обозначения наиболее значимых соединений элемента N.
Это прежде всего оксид азота, формула которого состоит из двух химических знаков - N и O. За ними ставятся индексы, в зависимости от степени окисления атомов.
- Азота одновалентного оксид имеет формулу N 2 O. В нем атом N заряжен +1.
- Азота двухвалентного оксид имеет формулу NO. В нем атом N заряжен +2.
- Азота трехвалентного оксид имеет формулу N 2 O 3 . В нем атом N заряжен +3.
- Четырехвалентный оксид азота, формула которого NO 2 , имеет заряд атома N +4.
- Пятивалентное кислородное соединение обозначается как N 2 O 5 . В нем атом N заряжен +5.
Описание одновалентного оксида азота
Он еще именуется диазотом, закисью и газом веселящим. Последнее название произошло от действия, связанного с опьянением.
Оксид азота с валентностью I в условиях нормальной температуры существует в форме негорючего газа, без цвета, который проявляет приятный сладковатый привкус и запах. Воздух легче данного соединения. Оксид растворяется в водной среде, этаноле, эфирах и кислоте серной.
Вода, щелочные и кислотные растворы не способны с ним вступать в реакцию, он не образует соли. Не подвергается воспламенению, зато способен поддержать процесс горения.
Аммиак оксид азота переводит в азид (N3NH4).
При соединении с молекулами эфиров, хлорэтана и циклопропана образуется взрывоопасная смесь.
Обычные условия способствуют его инертности. Под действием нагревания вещество восстанавливается.
Описание оксида двухвалентного азота
Его еще называют моноокисью, окисью или нитрозил-радикалом. В условиях нормальной температуры является бесцветным негорючим газом, слаборастворимым в водной среде. Воздухом окисляется, получается NO 2. Жидкая и твёрдая его форма становятся голубого цвета.
Оксид азота может быть восстановителем в реакциях взаимодействия с галогенами. Продуктом их присоединения является нитрозилгалогенид, который имеет формулу NOBr.
Диоксид серы и другие сильные восстановители окисляют NO с получением молекул N 2 .
Описание оксида трехвалентного азота
Они именуется ангидридом азотистым. В нормальном состоянии может быть жидкостью, с синей окраской, а стандартные параметры среды переводят оксид в форму газа, не имеющего цвета. Обладает устойчивостью только при низких температурах.
Молекулы N 2 O 3 диссоциируют во время нагревания с выделением одно- и двухвалентного оксида.
В качестве ангидрида присоединяет воду с получением кислоты азотистой, а со щелочами формирует соли в виде нитритов.
Описание оксида четырехвалентного азота
По-другому его называют диоксидом. Существует в форме буро-красного газа, у которого имеется острый запах, а также может быть желтоватой жидкостью.
Относится к кислотным оксидам, у которых развита хорошо химическая активность.
Его молекулы окисляют неметаллы с образованием кислородсодержащих соединений и свободного азота.
Диоксид взаимодействует с оксидом четырехвалентной и шестивалентной серы. Получается кислота серная. Метод ее синтеза называют нитрозным.
В водной среде можно растворить оксид азота. Азотная кислота является результатом данной реакции. Такой процесс называют диспропорционированием. Промежуточным компонентом считается кислота азотистая, которая быстро распадается.
Если растворить азота четырехвалентного оксид в щелочи, то происходит образование растворов нитратов и нитритов. Можно использовать его жидкую форму для взаимодействия с металлом, тогда получится безводная соль.
Описание оксида пятивалентного азота
Его также называют диазотным пентаоксидом, нитратом нитрония, нитриловым нитратом или азотным ангидридом.
Существует в форме бесцветных кристаллов, которые обладают летучестью и неустойчивостью. Их стабильность наблюдается при низкой температуре. Такую структуру образуют нитрат- и нитрит-ионы.
В газообразном виде вещество имеет форму ангидрида NO 2 −O−NO 2 .
Оксид азота пятивалентный обладает свойствами кислотными. Он легко разлагается с выделением кислорода.
Вещество реагирует с водой, в результате получается азотная кислота.
Щелочи растворяют ангидрид с выделением солей нитратов.
Как получают оксиды азота
Закись N 2 O образуется при острожном нагревании аммония нитрата в сухом виде, однако такой способ может сопровождаться взрывом.
Предпочтительным методом получения оксида одновалентного является воздействие кислотой азотной в концентрированном виде на кислоту сульфаминовую. Главным условием считается нагревание.
Нитрозил, или NO, - это особый оксид азота, получение которого осуществляется при взаимодействии молекул N 2 и O 2 . Важным условием такого процесса является сильное нагревание свыше 1000 °C.
Природный способ получения связан с грозовыми разрядами в атмосферном воздухе. Такой оксид быстро соединяется с кислородными молекулами и формируется диоксид.
Лабораторный метод синтеза NO связан с реакцией металлов и неконцентрированной кислоты азотной. Примером такой реакции может быть взаимодействие меди с HNO 3 .
Другой способ образования моноокиси азота - реакция хлорида железа двухвалентного с натрия нитритом и кислотой соляной. Результатом процесса являются железа трехвалентного и натрия хлориды, вода и сама окись.
В промышленных масштабах его добывают за счет окисления аммиачных молекул во время нагревания и под высоким давлением. Ускорителем процесса является платина или хрома трехвалентного оксид.
Диоксид, или NO 2, получается при взаимодействии мышьяка трехвалентного оксида с 50 % кислотой азотной, которую наносят по каплям на поверхность твердого реагента. Образуется смесь из оксидов двухвалентного и четырехвалентного азота.
Если ее охладить до температуры -30 °С, то синтезируется ангидрид азотистый, или N 2 O 3 .
В порошкообразном виде он получается в случае пропускания тока электрического сквозь газообразную его форму.
Если на крахмальный порошок подействовать кислотой азотной с концентрацией 50 %, то выделяется оксид двухвалентного и четырехвалентного азота, газ углекислый и вода. В дальнейшем из полученных первых двух соединений формируется молекула N 2 O 3 .
В результате теплового расщепления свинцового нитросоединения выделяется свободный кислород и оксид свинца.
Ангидрид, или N 2 O 5, образуется благодаря отщеплению молекулы воды от кислоты азотной действием фосфора оксида пятивалентного.
Другой способ его синтеза является пропускание сухого хлора сквозь безводный серебряный нитрат.
Если на диоксид азотный подействовать молекулами озона, то формируется N 2 O 5 .
Свойства оксидов
Оксиды
- это сложные химические вещества, представляющие собой химические соединения простых элементов с кислородом. Они бывают солеобразующими
и не образующие соли
.
При этом солеобразующие бывают 3-х типов: основными
(от слова "основание"), кислотными
и амфотерными
.
Примером окислов, не образующих соли, могут быть: NO (окись азота) - представляет собой бесцветный газ, без запаха. Он образуется во время грозы в атмосфере. CO (окись углерода) - газ без запаха, образуется при сгорании угля. Его обычно называют угарным газом. Существуют и другие окислы, не образующие соли.
Теперь разберём подробнее каждый вид солеобразующих окислов.
Основные оксиды
Основные оксиды
- это сложные химические вещества, относящиеся к окислам, которые образуют соли при химической реакции с кислотами или кислотными оксидами и не реагируют с основаниями или основными оксидами. Например, к основным относятся следующие:
K 2 O (окись калия), CaO (окись кальция), FeO (окись железа 2-валентного).
Рассмотрим химические свойства оксидов на примерах
1. Взаимодействие с водой:
- взаимодействие с водой с образованием основания (или щёлочи)
CaO+H 2 O→ Ca(OH) 2 (известная реакция гашения извести, при этом выделяется большое количества тепла!)
2. Взаимодействие с кислотами:
- взаимодействие с кислотой с образованием соли и воды (раствор соли в воде)
CaO+H 2 SO 4 → CaSO 4 + H 2 O (Кристаллы этого вещества CaSO 4 известны всем под названием "гипс").
3. Взаимодействие с кислотными оксидами: образование соли
CaO+CO 2 → CaCO 3 (Это вещество известно всем - обычный мел!)
Кислотные оксиды
Кислотные оксиды - это сложные химические вещества, относящиеся к окислам, которые образуют соли при химическом взаимодействии с основаниями или основными оксидами и не взаимодействуют с кислотными оксидами.
Примерами кислотных окислов могут быть:
CO 2 (всем известный углекислый газ), P 2 O 5 - оксид фосфора (образуется при сгорании на воздухе белого фосфора), SO 3 - триокись серы - это вещество используют для получения серной кислоты .
Химическая реакция с водой
CO 2 +H 2 O→ H 2 CO 3 - это вещество - угольная кислота - одна из слабых кислот, её добавляют в газированную воду для "пузырьков" газа. С повышением температуры растворимость газа в воде уменьшается, а его излишек выходит в виде пузырьков.
Реакция с щелочами (основаниями):
CO 2 +2NaOH→ Na 2 CO 3 +H 2 O- образовавшееся вещество (соль) широко используется в хозяйстве. Её название - кальцинированная сода или стиральная сода, - отличное моющее средство для подгоревших кастрюль, жира, пригара. Голыми руками работать не рекомендую!
Реакция с основными оксидами:
CO 2 +MgO→ MgCO 3 - получившая соль - карбонат магния - ещё называется "горькая соль".
Амфотерные оксиды
Амфотерные оксиды - это сложные химические вещества, также относящиеся к окислам, которые образуют соли при химическом взаимодействии и с кислотами (или кислотными оксидами ) и основаниями (или основными оксидами ). Наиболее частое применение слово "амфотерный" в нашем случае относится к оксидам металлов .
Примером амфотерных оксидов могут быть:
ZnO - окись цинка (белый порошок, часто применяемый в медицине для изготовления масок и кремов), Al 2 O 3 - окись алюминия (называют еще "глинозёмом").
Химические свойства амфотерных оксидов уникальны тем, что они могут вступать в химические реакции, соответствующие как основаниями так и с кислотами. Например:
Реакция с кислотным оксидом:
ZnO+H 2 CO 3 → ZnCO 3 + H 2 O - Образовавшееся вещество - раствор соли "карбоната цинка" в воде.
Реакция с основаниями:
ZnO+2NaOH→ Na 2 ZnO 2 +H 2 O - полученное вещество - двойная соль натрия и цинка.
Получение оксидов
Получение оксидов производят различными способами. Это может происходить физическим и химическим способами. Самым простым способом является химическое взаимодействие простых элементов с кислородом. Например, результатом процесса горения или одним из продуктов этой химической реакции являются оксиды . Например, если раскалённое железный прутик, да и не только железный (можно взять цинк Zn, олово Sn, свинец Pb, медь Cu, - вообщем то, что имеется под рукой) поместить в колбу с кислородом, то произойдёт химическая реакция окисления железа, которая сопровождается яркой вспышкой и искрами. Продуктом реакции будет чёрный порошок оксида железа FeO:
2Fe+O 2 → 2FeO
Полностью аналогичны химические реакции с другими металлами и неметаллами. Цинк сгорает в кислороде с образованием окисла цинка
2Zn+O 2 → 2ZnO
Горение угля сопровождается образованием сразу двух окислов: угарного газа и углекислого газа
2C+O 2 → 2CO - образование угарного газа.
C+O 2 → CO 2 - образование углекислого газа. Этот газ образуется если кислорода имеется в более, чем достаточном количестве, то есть в любом случае сначала протекает реакция с образованием угарного газа, а потом угарный газ окисляется, превращаясь в углекислый газ.
Получение оксидов можно осуществить другим способом - путём химической реакции разложения . Например, для получения окисла железа или окисла алюминия необходимо прокалить на огне соответствующие основания этих металлов :
Fe(OH) 2 → FeO+H 2 O
Твёрдый оксид алюминия - минерал корунд
Оксид железа (III). Поверхность планеты Марс имеет красновато-оранжевый цвет из-за наличия в грунте оксида железа (III).
Твёрдый оксид алюминия - корунд
2Al(OH) 3 → Al 2 O 3 +3H 2 O,
а также при разложении отдельных кислот:
H 2 CO 3 → H 2 O+CO 2 - разложение угольной кислоты
H 2 SO 3 → H 2 O+SO 2 - разложение сернистой кислоты
Получение оксидов можно осуществить из солей металлов при сильном нагревании:
CaCO 3 → CaO+CO 2 - прокаливанием мела получают окись кальция (или негашенную известь) и углекислый газ.
2Cu(NO 3) 2 → 2CuO + 4NO 2 + O 2 - в этой реакции разложения получается сразу два окисла: меди CuO (чёрного цвета) и азота NO 2 (его ещё называют бурым газом из-за его действительно бурого цвета).
Ещё одним способом, которым можно осуществить получение окислов - это окислительно-восстановительные реакции
Cu + 4HNO 3 (конц.)→ Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
S + 2H 2 SO 4 (конц.)→ 3SO 2 + 2H 2 O
Оксиды хлора
Молекула ClO 2
Молекула Cl 2 O 7
Закись азота N 2 O
Азотистый ангидрид N 2 O 3
Азотный ангидрид N 2 O 5
Бурый газ NO 2
Известны следующие оксиды хлора : Cl 2 O, ClO 2 , Cl 2 O 6 , Cl 2 O 7 . Все они, за исключением Cl 2 O 7 , имеют желтую или оранжевую окраску и не устойчивы, особенно ClO 2 , Cl 2 O 6 . Все оксиды хлора взрывоопасны и являются очень сильными окислителями.
Реагируя с водой, они образуют соответствующие кислородсодержащие и хлорсодержащие кислоты :
Так, Cl 2 O - кислотный оксид хлора хлорноватистой кислоты.
Cl 2 O + H 2 O→ 2HClO - Хлорноватистая кислота
ClO 2 - кислотный оксид хлора хлорноватистой и хлорноватой кислоты, так как при химической реакции с водой образует сразу две этих кислоты:
ClO 2 + H 2 O→ HClO 2 + HClO 3
Cl 2 O 6 - тоже кислотный оксид хлора хлорноватой и хлорной кислот:
Cl 2 O 6 + H 2 O→ HClO 3 + HClO 4
И, наконец, Cl 2 O 7 - бесцветная жидкость - кислотный оксид хлора хлорной кислоты:
Cl 2 O 7 + H 2 O→ 2HClO 4
Оксиды азота
Азот - газ, который образует 5 различных соединений с кислородом - 5 оксидов азота . А именно:
N 2 O - гемиоксид азота
. Другое его название известно в медицине под названием веселящий газ
или закись азота
- это бесцветный сладковатый и приятный на вкус на газ.
- NO - моноксид азота
- бесцветный, не имеющий ни запаха ни вкуса газ.
- N 2 O 3 - азотистый ангидрид
- бесцветное кристаллическое вещество
- NO 2 - диоксид азота
. Другое его название - бурый газ
- газ действительно имеет буро-коричневый цвет
- N 2 O 5 - азотный ангидрид
- синяя жидкость, кипящая при температуре 3,5 0 C
Из всех этих перечисленных соединений азота наибольший интерес в промышленности представляют NO - моноксид азота и NO 2 - диоксид азота. Моноксид азота (NO) и закись азота N 2 O не реагируют ни с водой, ни с щелочами. (N 2 O 3) при реакции с водой образует слабую и неустойчивую азотистую кислоту HNO 2 , которая на воздухе постепенно переходит в более стойкое химическое вещество азотную кислоту Рассмотрим некоторые химические свойства оксидов азота :
Реакция с водой:
2NO 2 + H 2 O→ HNO 3 + HNO 2 - образуется сразу 2 кислоты: азотная кислота HNO 3 и азотистая кислота.
Реакция с щелочью:
2NO 2 + 2NaOH→ NaNO 3 + NaNO 2 + H 2 O - образуются две соли: нитрат натрия NaNO 3 (или натриевая селитра) и нитрит натрия (соль азотистой кислоты).
Реакция с солями:
2NO 2 + Na 2 CO 3 → NaNO 3 + NaNO 2 + CO 2 - образуются образуются две соли: нитрат натрия и нитрит натрия, и выделяется углекислый газ.
Получают диоксид азота (NO 2) из моноксида азота (NO) с помощью химической реакции соединения c кислородом :
2NO + O 2 → 2NO 2
Оксиды железа
Железо образует два оксида : FeO - оксид железа (2-валентный) - порошок чёрного цвета, который получают восстановлением оксида железа (3-валентного) угарным газом по следующей химической реакции:
Fe 2 O 3 +CO→ 2FeO+CO 2
Этот основной оксид, легко вступающий в реакции с кислотами. Он обладает восстановительными свойствами и быстро окисляется в оксид железа (3-валентный).
4FeO +O 2 → 2Fe 2 O 3
Оксид железа (3-валентный) - красно-бурый порошок (гематит), обладающий амфотерными свойствами (может взаимодействовать и с кислотами и со щелочами). Но кислотные свойства этого оксида выражены настолько слабо, что наиболее часто он его используют, как основной оксид .
Есть ещё так называемы смешанный оксид железа Fe 3 O 4 . Он образуется при горении железа, хорошо проводит электрический ток и обладает магнитными свойствами (его называют магнитным железняком или магнетитом). Если железо сгорает, то в результате реакции горения образуется окалина, состоящая сразу из двух оксидов: оксида железа (III) и (II) валентные.
Оксид серы
Сернистый газ
SO 2
Оксид серы SO 2 - или сернистый газ относится к кислотным оксидам , но кислоту не образует, хотя отлично растворяется в воде - 40л оксида серы в 1 л воды (для удобства составления химических уравнений такой раствор называют сернистой кислотой).
При нормальных обстоятельствах - это бесцветный газ с резким и удушливым запахом горелой серы. При температуре всего -10 0 C его можно перевести в жидкое состояние.
В присутствии катализатора -оксида ванадия (V 2 O 5) оксид серы присоединяет кислород и превращается в триоксид серы
2SO 2 +O 2 → 2SO 3
Растворённый в воде сернистый газ - оксид серы SO 2 - очень медленно окисляется, в результате чего сам раствор превращается в серную кислоту
Если сернистый газ пропускать через раствор щелочи, например, гидроксида натрия, то образуется сульфит натрия (или гидросульфит - смотря сколько взять щёлочи и сернистого газа)
NaOH + SO 2 → NaHSO 3 - сернистый газ взят в избытке
2NaOH + SO 2 → Na 2 SO 3 + H 2 O
Если сернистый газ не реагирует с водой, то почему его водный раствор даёт кислую реакцию?! Да, не реагирует, но он сам окисляется в воде, присоединяя к себе кислород. И получается, что в воде накапливаются свободные атомы водорода, которые и дают кислую реакцию (можете проверить каким-нибудь индикатором!)
В связи с тем, что в своих соединениях азот проявляет различные валентности, для этого элемента характерно несколько оксидов: оксид диазота, моно-, три-, ди- и пентаоксиды азота. Рассмотрим каждый из них более подробно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Оксид диазота (веселящий газ, закись азота) представляет собой бесцветный газ, термически устойчивый.
Плохо растворяется в воде. При сильном охлаждении из раствора кристаллизуется кларат N 2 O×5,75H 2 O.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Монооксид азота может существовать как в виде бесцветного газа, так и жидкости голубого цвета.
В твердом состоянии он полностью димеризован (N 2 O 2), в жидком состоянии - частично (≈ 25% N 2 O 2), в газе - в очень малой степени. Чрезвычайно термически устойчив. Плохо растворяется в воде.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Триоксид азота представляет собой термически неустойчивую жидкость синего цвета.
При комнатной температуре на 90% разлагается на NOи NO 2 и окрашивается в бурый цвет (NO 2), не имеет температуры кипения (NO испаряется первым). В твердом состоянии - это белое или голубоватое вещество с ионным строением - нитрит нитрозила (NO +)(NO 2 —). В газе имеет молекулярное строение ON-NO 2 .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Диоксид азота (лисий хвост) представляет собой бурый газ.
При температуре выше 135 o С - это мономер, при комнатной температуре - красно-бурая смесь NO 2 и его димера (тетраоксида диазота) N 2 O 4 . В жидком состоянии димер бесцветен, в твердом состоянии белый. Хорошо растворяется в холодной воде (насыщенный раствор - ярко-зеленый), полностью реагируя с ней.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Пентаоксид азота (азотный ангидрид) представляет собой белое твердое вещество, бесцветные газ и жидкость.
При нагревании возгоняется и плавится, при комнатной температуре разлагается за 10 часов. В твердом состоянии имеет ионное строение (NO 2 +)(NO 3 —) - нитрат нитроила.
Таблица 1. Физические свойства оксидов азота.
Получение оксида азота
В лабораторных условиях оксид диазота получают путем осторожного нагревания сухого нитрата аммония (1) или нагреванием смеси сульфаминовой и азотной (73%-ная) кислот (2):
NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O (1);
NH 2 SO 2 OH + HNO 3 = N 2 O + H 2 SO 4 + H 2 O (2).
Монооксид азота получают взаимодействием простых веществ азота и кислорода при высоких температурах (≈1300 o С):
N 2 + O 2 = 2NO.
Кроме этого оксид азота (II) является одним из продуктов реакции растворения меди в разбавленной азотной кислоте:
3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
При охлаждении смеси газов, состоящей из оксидов азота (II) и (IV) до -36 o С образуется триоксид азота:
NO + NO 2 = N 2 O 3 .
Данное соединение можно получить при действии 50%-ной азотной кислоты на оксид мышьяка (III) (3) или крахмал (4):
2HNO 3 + As 2 O 3 = NO 2 + NO + 2HAsO 3 (3);
HNO 3 + (C 6 H 10 O 5) n = 6nNO + 6nNO 2 + 6nCO 2 + 11nH 2 O (4).
Термическое разложение нитрата свинца (II) приводит к образованию диоксидазота:
2Pb(NO 3) 2 = 2PbO + 4NO 2 + O 2 .
Это же соединение образуется при растворении меди в концентрированной азотной кислоте:
Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O.
Пентаоксид азота получают путем пропускания сухого хлора над сухим нитратом серебра (5), а также по реакции взаимодействия между оксидом азота (IV) и озоном (6):
2Cl 2 + 4AgNO 3 = 2N 2 O 5 + 4AgCl + O 2 (5);
2NO 2 + O 3 = N 2 O 5 + O 2 (6).
Химические свойства оксида азота
Оксид диазота малореакционноспособный, не реагирует с разбавленными кислотами, щелочами, гидратом аммиака, кислородом. При нагревании реагирует с колнцентрированной серной кислотой, водородом, металлами, аммиаком. Поддерживает горение углерода и фосфора. В ОВР может проявлять свойства как слабого окислителя, так и слабого восстановителя.
Монооксид азота не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами, гидратом аммиака. Мгновенно присоединяет кислород. При нагревании реагирует с галогенами и другими неметаллами, сильными окислителями и восстановителями. Вступает в реакции комплексообразования.
Триоксид азота проявляет кислотные свойства, реагирует с водой, щелочами, гидратом аммиака. Энергично реагирует с кислородом и озоном, окисляет металлы.
Диоксид азота реагирует с водой и щелочами. В ОВР проявляет свойства сильного окислителя. Вызывает коррозию металлов.
Пентаоксид азота проявляет кислотные свойства, реагирует с водой, щелочами, гидратом аммиака. Является очень сильным окислителем.
Применение оксида азота
Оксид диазота используют в пищевой промышленности (пропеллент при изготовлении взбитых сливок), медицине (для ингаляционного наркоза), а также в качестве основного компонента ракетного топлива.
Триоксид и диоксид азота применяются в неорганическом синтезе для получения азотной и серной кислот. Оксид азота (IV) также нашел применение в качестве одного из компонентов ракетного топлива и смесевых взрывчатых веществ.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Оксид азота содержит 63,2% кислорода. Какова формула оксида. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Вычислим массовую долю азота в оксиде: ω (N) = 100% — ω(O) = 100% — 63,2% = 36,8%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (азот) и «у» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(N)/Ar(N) : ω(O)/Ar(O); x:y= 36,8/14: 63,2/16; x:y= 2,6: 3,95 = 1: 2. Значит формула соединения азота и кислорода будет иметь вид NO 2 . Это оксид азота (IV). |
| Ответ | NO 2 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Какие газы тяжелее, а какие легче воздуха и во сколько раз: диоксид углерода, диоксид азота, монооксид углерода, хлор, аммиак? |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (CO 2) = M r (CO 2) / M r (air); D air (CO 2) = 44 / 29 = 1,52. M r (CO 2) = A r (C) + 2 ×A r (O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44. D air (NO 2) = M r (NO 2) / M r (air); D air (NO 2) = 46 / 29 = 1,59. M r (NO 2) = A r (N) + 2 ×A r (O) = 14 + 2 × 16 = 14 + 32 = 46. D air (CO) = M r (CO) / M r (air); D air (CO) = 28 / 29 = 0,97. M r (CO) = A r (C) + A r (O) = 12 + 16 = 28. D air (Cl 2) = M r (Cl 2) / M r (air); D air (Cl 2) = 71 / 29 = 2,45. M r (Cl 2) = 2 × A r (Cl) = 2 × 35,5 = 71. D air (NH 3) = M r (NH 3) / M r (air); D air (NH 3) = 17 / 29 = 0,57. M r (NH 3) = A r (N) + 3 ×A r (H) = 14 + 3 ×1 = 17. |
| Ответ | Диоксид углерода, диоксид азота и хлор тяжелее воздуха соответственно в 1,52; 1,59 и 2,45 раза, а монооксид углерода и аммиак - легче в 0,97 и 0,57 раз. |
Оксид азота (II), оксид (II) оксид, окись азота — неорганическое соединение состава NO. При обычных условиях является бесцветным, токсичным и негорючей газом. В жидком и твердом состояниях соединение димеризуеться с образованием оксида N 2 O 2.
Монооксид азота относится к несолетвирних оксидов: с водой он не образует кислоту или основание, а непосредственно реагируя с основами и с кислотами, не образует солей.
Физические свойства
Оксид азота NO при обычных условиях является бесцветным газом с очень низкой температурой кипения (-151,8 ° С) и температурой плавления (-163,6 ° С). В твердом состоянии, благодаря наличию неспаренного электрона, соединение полностью димеризуеться с образованием оксида N 2 O 2, а в жидком — примерно на четверть.
В воде растворяется трудно: при обычной температуре лишь около 5 см³ в 100 г воды.
Получение
Промышленный метод
В промышленных масштабах синтез оксида азота (II) является одной из стадий в получении азотной кислоты. Его получают окислением аммиака кислородом воздуха в присутствии катализаторов:
Количество преобразованного в NO аммиака составляет примерно 93-98%. Другими, побочными, реакциями является образование азота и оксида азота (I):
Кроме этого, может происходить частичное разложение конечного продукта, NO, а также его взаимодействие с аммиаком:
Согласно одной из самых распространенных теорий механизма окисления, предложенной Максом Боденштейном, аммиак окисляется атомарным кислородом, адсорбированным на катализаторе с образованием гидроксиламина, который постепенно разлагается с образованием NO:
Основными применяемыми катализаторами являются платина и, в меньшей степени, родий и палладий. Несмотря на их высокую стоимость, они имеют преимущество в высшем выходе реакции и меньшей склонности к отравлению.
Лабораторные методы
В лабораториях монооксид азота обычно добывают взаимодействием разбавленной азотной кислоты с медью при некотором нагревании по реакции:
Применяются также реакции восстановления нитритов в разведенной серной кислоте:
Полученный такими методами NO может быть загрязнен примесями (прежде всего, N 2 O), поэтому он требует дополнительной очистки.
Химические свойства
Наиболее характерной свойством монооксида азота является его способность легко сочетаться при обычных условиях с кислородом воздуха с образованием диоксида азота (реакция имеет большое значение при производстве азотной кислоты):
При высокотемпературном нагреве и в присутствии катализатора BaO, газообразные NO разлагается на простые соединения. Жидкий NO с течением времени может диспропорционуваты с образованием оксидов азота (I) и азота (III):
При взаимодействии с галогенами или серной кислотой (в присутствии кислорода), NO окисляется с образованием соединений нитрозила:
Аналогично он образует нитрозильни комплексы с металлами в водных растворах солей:
Оксид азота восстанавливается до свободного азота графитом, красным фосфором, неметаллическими соединениями-восстановителями, а также некоторыми металлами:
Роль в живых организмах
Роль оксида азота (II) как сигнальной молекулы в живых организмах была открыта в 1980-х годах, а в 1998 Роберт Ферчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за выяснение его функций в сердечно-сосудистой системе. Монооксид азота является паракринным фактором благодаря своей способности быстро диффундировать через мембраны клеток, однако из-за высокой реакционность расстояние такой диффузии ограничена 1 мм а время полжизни молекул NO составляет 5-10 секунд. Азот мооноксид выполняет сигнальную функцию как у животных, так и у растений, даже некоторые бактерии могут чувствовать очень небольшие его концентрации и двигаться в сторону от источника этого соединения.
У млекопитающих NO задействован в ряде физиологических процессов, таких как регуляция артериального давления, передача нервных импульсов, свертывания крови и иммунный ответ. Синтез оксида азота (II) осуществляется путем деаминирование аминокислоты аргинина и обеспечивается ферментом NO-синтазы (NOS), что у млекопитающих трех изоформы: нейрональная (nNOS), индуцибельной (iNOS) и эндотелиальной (eNOS). nNOS и eNOS экспрессируются в соответствующих типах клеток конститутивно и резко увеличивают свою активность в ответ на рост концентрации Ca 2+. Зато активация iNOS осуществляется на уровне транскрипции под влиянием эндотоксинов или цитокинов воспаления, в частности в таких клетках как макрофаги и нейтрофилы, и не зависит от цитоплазматического уровня кальция.
Одной из мишеней монооксида азота в клетках млекопитающих, в том числе и гладких мышцах, является фермент гуанилатциклазы, в активном центре которого он присоединяется к атому железа и таким образом увеличивает энзиматическую активность. Циклический ГМФ, что является продуктом гуанилатциклазы, является вторичным посредником и запускает в клетке каскад реакций, обеспечивающих физиологическую ответ, в случае гладких мышц — их расслабление.
NO может действовать также и цГМФ-независимым путем, например изменять активность белков путем ковалентной нитрозилювання тиольных групп (-SH) специфических остатков цистеина в их составе.
Защитная функция монооксида азота
У растений NO участвует в защитных реакциях во время повреждений и инфекций. Также монооксид азота играет роль в функционировании иммунной системы животных. Активированные макрофаги и нейрофилов (а также клетки эндотелия) производят его в больших количествах во время воспалительных процессов. Вместе с NO они выделяют супероксид-он (O-2), эти два соединения соединяясь образуют очень токсичен пероксинитрит (OONO -) нужен для того, чтобы убить поглощены бактерии.
Медицинские препараты, влияющие на сигналювання NO
Из препаратов, влияющих на сигнальный путь монооксида азота, первым начал использоваться еще в XIX веке нитроглицерин для борьбы со стенокардией. Это соединение медленно расщепляется в организме и действует как источник NO длительное время. NO в свою очередь обеспечивает расширение сосудов и уменьшения нагрузки на сердце. Такое действие нитроглицерина была открыта благодаря наблюдению, что больные стенокардией работники фабрик, на которых изготавливали это соединение, сильнее страдали от боли на выходных. Врачи настолько часто слышали такие сообщения пациентов, обратили внимание на терапевтический эффект нитроглицерина. С тех пор было разработано много других нитровазодиляторив. Сам NO не имеет терапевтического действия при стенокрадии, через очень небольшое время полжизни, однако его иногда используют в вдыхаемой форме для облегчения легочной гипертензии.
Существуют также препараты, имеющие другие мишени в сигнальном пути NO. Например, силденафил подавляет деятельность фосфодиэстеразы, которая расщепляет цГМФ, таким образом продолжая продолжительность действия сигнала. Это соединение была впервые предложена для лечения стенокрадии, однако выяснилось, что она наиболее эффективно влияет на изоформу цГМФ-фосфодиэстеразы, експресуетсья в сосудах пениса, и вызывает их расширение и, соответственно, эрекцию. Поэтому силденафил (под названием Виагра) стал использоваться для лечения эректильной дисфункции.
Токсичность
Оксид NO раздражает дыхательные пути и глаза. Симптомы отравления зьявляють только через определенный период задержки в несколько часов. Ими являются: раздражение горла, затрудненное дыхание, головная боль, тошнота. Дальнейшие осложнения при отсутствии лечебных мероприятий могут вызывать полную потерю сил, непостоянство дыхания, цианоз, а также смерть в результате отека легких.
Пораженного NO необходимо убрать из опасной территории, провентилировать легкие кислородом. Дальнейшие 72 часа необходимо обеспечить надзор и исключить любую физическую деятельность, поскольку это может привести к развитию отека легких. При попадании вещества в ое или на кожу, необходимо тщательно промыть пораженное место теплой водой и обратиться к врачу.
Мерами безопасности при работе с оксидом азота (I) является наличие защитных резиновых (тефлоновых) перчаток, герметичных очков, респиратора.