Kwas azotowy(III) – ciekawszy niż przypuszczasz

Jednym z kwasów, które nie znajdują się w podstawie programowej dla szkoły podstawowej, ale można go ułożyć z zestawu podstawowego „Atomków” do chemii nieorganicznej jest widoczny na zdjęciu kwas azotowy(III). Jest to substancja bardzo ciekawa, dlatego dzisiaj poświęcimy jej kilka słów.

W artykule o tlenkach azotu szczegółowo opisałem powstawanie tego kwasu. Wprowadzenie do wody równomolowej mieszaniny NO i NO₂ powoduje powstanie równowagowych niewielkich ilości N₂O₃:
NO + NO₂ ⇄ N₂O₃

Tlenek ten jest bezwodnikiem kwasu azotowego(III) i reaguje z wodą:
N₂O₃ + H₂O → 2HNO₂
zakłócając równowagę swojej syntezy, co powoduje powstawanie kolejnych jego porcji, które znowu reagują z wodą i tak dalej.

W warunkach laboratoryjnych otrzymuje się go najprościej działając silnym kwasem mineralnym na azotany(III):
NaNO₂ + HCl → NaCl + HNO₂

Kwas azotowy(III) jest nietrwały. Występuje tylko w postaci rozcieńczonych roztworów. W miarę wzrostu stężenia dysproporcjonuje:
3HNO₂ → HNO₃ + 2NO + H₂O

Mieszaninę tlenków azotu(II) i azotu(IV) lepiej wprowadzać zatem do roztworów wodorotlenków lub węglanów litowców. Prowadzi to do powstania bardziej trwałych soli tego kwasu – azotanów(III):
2NaOH + NO + NO₂ → 2NaNO₂ + H₂O
Na₂CO₃ + NO + NO₂ → 2NaNO₂ + CO₂

Kwas azotowy(III) jest kwasem umiarkowanie słabym (pKa = 3,15).

W obecności silnych utleniaczy HNO₂ oraz jego sole są reduktorami. Na przykład, wobec manganianu(VII) potasu zachowują się podobnie jak siarczany(IV) – redukują go w zależności od środowiska reakcji do Mn²⁺, MnO₂ lub MnO₄^2-:
2MnO₄^- + 5NO₂^- + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5NO₃^- + 3H₂O
2MnO₄^- + 3NO₂^- + H₂O → 2MnO₂ + 3NO₃^- + 2OH^-
2MnO₄^- + NO₂^- + 2OH^-→ 2MnO₄^2- + NO₃^- + H₂O

Natomiast wobec reduktorów kwas azotowy(III) przejawia właściwości utleniające. Przykładowo, wypiera jod z jodowodoru:
2HI + 2HNO₂ → I₂ + 2NO + 2H₂O

W chemii organicznej wykorzystuje się go jako źródło jonów nitrozoniowych (NO⁺):
HNO₂ + H₃O⁺ → NO⁺ + 2H₂O
które reagują z aminami pierwszorzędowym tworząc sole diazoniowe:
C₆H₅NH₂ + NaNO₂ + 2HCl → [C₆H₅N₂]⁺[Cl]^- + 2H₂O + NaCl
lub drugorzędowymi tworząc oleiste N-nitrozoaminy:
(CH₃)₂NH + NaNO₂ + HCl → (CH₃)₂N–N=O + H₂O + NaCl

Na powyższym zdjęciu jest cząsteczka omawianego kwasu ułożona z zestawu podstawowego „Atomków” do chemii nieorganicznej. Pracując z uczniami liceum można ułożyć ją korzystając z zestawu Lewisa. Umożliwi to pokazanie i omówienie dwóch konformacji tego kwasu – cis i trans.

Izomer trans, dzięki bliskości atomu wodoru i niewiążącej pary elektronowej na atomie azotu, w bardzo niskich temperaturach może przechodzić w mniej trwały tautomer, w którym atom wodoru jest przyłączony bezpośrednio do atomu azotu – analogicznie jak w kwasie ortoforsoforowym(III):
HO–N=O ⇄ H–NO₂

Korzystając z zestawu Lewisa możemy też ułożyć sam jon azotanowy(III). Po jego ułożeniu naprowadzamy uczniów na fakt, że jest on izoelektronowy z cząsteczką ozonu, a zatem ma identyczną budowę.

❓ Czy wiesz, że... ❓

Na zdjęciu jest tylko jedna cząsteczka – głównego bohatera tego wpisu. Jednak wszystkie, nawet najbardziej skomplikowane cząsteczki i jony występujące w tym tekście, ułożysz posiadając zestawy „Atomków” Lewisa do chemii nieorganicznej i organicznej. To jedyne zestawy, które tak wiernie pozwalają odtwarzać rzeczywistość.

Łukasz Aranowski
26 listopada 2023