Условие задачи
Составьте формулы высшего оксида и гидроксида азота, укажите их характер.
Напишите уравнения всех реакций, характерных для этих веществ, в ионной и молекулярной формах
Решение
Ниже приведём подробное решение задачи в рамках неорганической химии (оксида–гидроксидная химия, кислотно–основная теория) с использованием символов Unicode вместо LaTeX.
──────────────────────────────
1. Определение веществ
А) Высший оксид азота. При слове «высший» имеется в виду оксид, в котором азот имеет наивысшую степень окисления, равную +5. Таким оксидом является динаитрогепентаоксид с формулой
N₂O₅.
Его свойства:
• Он является кислотным (окислителем) оксидом;
• При контакте с водой образует соответствующую кислота – азотную.
Б) Высший гидроксид азота. В общем подходе к “гидроксидам неметаллов” (соединения, получающиеся при добавлении воды к оксиду) высшим гидроксидом будет вещество, образующееся при реакции «N₂O₅ + H₂O». Это и есть азотная кислота, химическая формула которой
HNO₃.
Она характеризуется как сильная кислота, практически полностью диссоциирующая в воде и проявляющая также окислительные свойства в концентрированных растворах.
──────────────────────────────
2. Характерные реакции и их запись в молекулярной и ионной формах
А) Гидролиз высшего оксида (образование азотной кислоты):
Молекулярное уравнение:
N₂O₅ + H₂O → 2 HNO₃
При добавлении воды к N₂O₅ происходит образование двух молекул азотной кислоты.
Ионное уравнение (с учётом полной диссоциации HNO₃ в сильную кислоту):
N₂O₅ + H₂O → 2 H⁺ + 2 NO₃⁻
Б) Нейтрализация (реакция с основами) – реакция, типичная как для оксида (через гидролиз) так и для кислоты:
1. Нейтрализация посредством N₂O₅ (сначала гидролиз, затем реакция с основанием):
Молекулярное уравнение с щёлочью (например, гидроксидом натрия):
N₂O₅ + 2 NaOH → 2 NaNO₃ + H₂O
Происходит образование солей (нитратов).
Её можно рассматривать как двухступенчатую:
(a) N₂O₅ + H₂O → 2 HNO₃
(b) HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O
Ионное уравнение для нейтрализации азотной кислоты (учёт диссоциации):
HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻ (полная диссоциация)
Нейтрализация:
H⁺ + OH⁻ → H₂O
При этом ионы NO₃⁻ и Na⁺ являются зрителями.
2. Нейтрализация непосредственно азотной кислоты:
Молекулярное уравнение:
HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O
И ионное уравнение (с учётом диссоциации):
H⁺ + OH⁻ → H₂O (на фоне NO₃⁻ и Na⁺ как ион‑зрителей)
В) Окислительно-восстановительные реакции азотной кислоты
Азотная кислота (HNO₃) при высокой концентрации обладает выраженным окислительным эффектом, что приводит к характерным реакциям с металлами. Приведём пример реакции с медью:
Молекулярное уравнение (для разбавленной или концентрированной кислоты может немного различаться; классическим считается):
4 Cu + 10 HNO₃ → 4 Cu(NO₃)₂ + N₂O + 5 H₂O
Здесь азотная кислота окисляет медь, а в результате реакций выделяется окись азота (N₂O) как один из оксидов азота.
Для полноты можно же записать условное ионное представление (но оно не так наглядно, поскольку в краснокислой среде разложение по ионному механизму сложно показать стандартными схемами). Главное – принять, что HNO₃ диссоциирует:
HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻.
При этом происходит комплексное перераспределение электронов, и данное уравнение принято как молекулярное.
──────────────────────────────
3. Итоговый ответ
— Высший оксид азота: динаитрогепентаоксид, формула N₂O₅. Он является кислотным оксидом, который при гидролизе (реакции с водой) даёт азотную кислоту.
— Высший гидроксид азота: азотная кислота, формула HNO₃, являющаяся сильной кислотой и проявляющая окислительные свойства.
Характерные реакции:
1. Гидролиз N₂O₅:
Молекулярная форма: N₂O₅ + H₂O → 2 HNO₃
Ионная форма: N₂O₅ + H₂O → 2 H⁺ + 2 NO₃⁻
2. Нейтрализация (реакция с основанием):
(a) Через оксид:
Молекулярная форма: N₂O₅ + 2 NaOH → 2 NaNO₃ + H₂O
Ионная форма сводится к нейтрализации ионов H⁺ и OH⁻ (после гидролиза):
2 H⁺ + 2 OH⁻ → 2 H₂O (и Na⁺, NO₃⁻ – ионы‑зрители)
(b) Прямая реакция азотной кислоты:
Молекулярная форма: HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O
Ионная форма: H⁺ + OH⁻ → H₂O (при указании Na⁺ и NO₃⁻ как зрителей)
3. Окислительно-восстановительная реакция азотной кислоты (пример с медью):
Молекулярная форма: 4 Cu + 10 HNO₃ → 4 Cu(NO₃)₂ + N₂O + 5 H₂O
Таким образом, при использовании законов кислотно-основного взаимодействия и окислительно-восстановительных процессов получаем все характерные реакции для высшего оксида N₂O₅ и высшего гидроксида (азотной кислоты) HNO₃.