Условие задачи
Чем объяснить, что внесённая в атмосферу диоксида азота тлеющая лучинка вспыхивает, как в чистом кислороде, и что диоксид серы может окисляться этим веществом? Дайте аргументированное объяснение этих явлений.
Решение
Нас же интересует химия окислительно-восстановительных реакций с участием радикалов, а именно – объяснение работы окислителя, обладающего радикальным (парамагнитным) характером. Здесь участвует молекула диоксида азота (NO₂), которая имеет нечётное число электронов, то есть в ней остается неспаренный электрон. Именно этот факт делает её весьма реакционноспособной, сравнимой по силе окислителя с чистым кислородом.
1. Огонь искры в атмосфере NO₂
При наличии в атмосфере NO₂ «тлеющей лучинки» (тлеющего уголька) происходит следующее:
– Благодаря наличию неспаренного электрона молекула NO₂ легко вступает в контакт с веществами, способными отдавать электроны (например, с органическим горючим материалом в угольке).
– При контакте NO₂ способен инициировать цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате которых выделяется дополнительное тепло.
– Так происходит быстрое окисление поверхности тлеющей субстанции, что приводит к эффекту внезапного вспыхивания – подобно тому, как горение усиливается в чистом кислороде.
Таким образом, радикальная природа NO₂ обеспечивает передачу «активного кислорода» для поддержания горения, несмотря на то, что он не является молекулярным кислородом (O₂).
2. Окисление диоксида серы (SO₂)
Аналогичный принцип действует и при взаимодействии NO₂ с диоксидом серы:
– Молекула NO₂, будучи сильным окислителем, способна забирать электроны у SO₂, окисляя последний до SO₃.
– Уравнение такой реакции можно записать следующим образом (схематично):
SO₂ + NO₂ → SO₃ + NO
– Здесь NO₂ принимает активную роль окислителя, а полученный SO₃ в дальнейшем может гидролизоваться с образованием серной кислоты (H₂SO₄), что является важным звеном в процессах формирования кислотных дождей в атмосфере.
3. Аргументация явлений
– Структура NO₂: Из-за наличия неспаренного электрона молекула имеет радикальный характер, что повышает её реакционную способность даже при сравнительно низкой концентрации.
– Парамагнетизм NO₂ позволяет ему участвовать в быстрых цепных реакциях, сопоставимых по скорости и эффективности с процессами горения в кислородной среде.
– Окисление SO₂ происходит за счёт способности NO₂ стабильно переходить в менее окисленное состояние (образуя, например, NO), при этом отдавая один из своих кислородных атомов для превращения SO₂ в SO₃.
Вывод:
Явление вспышки тлеющей лучинки в атмосфере NO₂ объясняется её радикальной (парамагнитной) природой, которая позволяет молекулам NO₂ активно взаимодействовать с горючими веществами, подобно кислороду. Аналогично, способность NO₂ окислять диоксид серы (SO₂) обусловлена его высокой электроакцепторной способностью, что приводит к образованию SO₃ (и далее — H₂SO₄ при гидролизе). Эти процессы иллюстрируют, как даже вещества, отличные от чистого O₂, могут выступать в роли мощных окислителей благодаря особенностям электронной структуры и механизму реакций радикального процесса.