Zestawy edukacyjne do modelowania cząsteczek chemicznych
Zestawy edukacyjne
do modelowania cząsteczek chemicznych

Tlenki azotu – kompendium maturzysty i olimpijczyka

Dzisiaj opowiemy wszystko, co zainteresowany chemią maturzysta powinien wiedzieć o TLENKACH AZOTU. To będzie dłuuugi wpis. 😊

Wszystkie widoczne na ilustracji cząsteczki można ułożyć z „Atomków” posiadając zestaw Lewisa do chemii nieorganicznej. Układając te struktury samodzielnie uczniowie dużo lepiej je zrozumieją i zapamiętają.

🧪 Tlenek azotu(I) – N2O 🧪

Bezbarwny gaz o słodkim zapachu. Wbrew swojemu wzorowi nie jest bezwodnikiem kwasu diazotowego(I), H2N2O2. Choć nietrwały kwas diazotowy rozkłada się z wydzieleniem tego właśnie tlenku:
H2N2O2 → N2O + H2O
to jest to tlenek obojętny – nie reaguje z wodą, kwasami i zasadami.

W laboratorium otrzymuje się go ogrzewając ostrożnie azotan(V) amonu:
NH4NO3 → N2O + 2H2O

Nazywany jest „gazem rozweselającym”, bo wdychany działa na organizm rozluźniająco i znieczulająco. Choć kiedyś powszechnie stosowany, zwłaszcza w stomatologii, to we współczesnej medycynie używany jest już tylko jako nośnik innych środków znieczulających. Jego doskonałą rozpuszczalność w tłuszczach wykorzystano natomiast w przemyśle spożywczym do tworzenia piany z bitej śmietany w spraju. Inna własność tego tlenku wykorzystywana jest w tuningu samochodowym. Rozkłada się on z wydzieleniem tlenu, więc po wtryśnięciu go do cylindrów gwałtownie zwiększa ilość spalanej mieszanki dając efekt krótkotrwałego zwiększenia mocy silnika.

Ma też swoją „ciemną stronę” – jest to gaz o wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego (GWP100 = 273). Jest on wprawdzie składnikiem naturalnego cyklu azotowego, jednak obecnie za 40% jego emisji do atmosfery odpowiada człowiek. Jego źródłem są przede wszystkim niepobrane przez rośliny nawozy azotowe przekształcone przez bakterie oraz grzyby.

Jego cząsteczka jest izoelektronowa z tlenkiem węgla(IV) oraz z omawianym tu wcześniej jonem azydkowym. Podobnie jak ten ostatni tworzy dwie formy mezomeryczne widoczne na ilustracji.

🧪 Tlenek azotu(II) – NO 🧪

Bezbarwny i bezwonny gaz. Jest tlenkiem obojętnym – nie reaguje z wodą, kwasami i zasadami. W obecności tlenu (np. z powietrza) samorzutnie utlenia się do NO2:
2NO + O2 → 2NO2

Jak wiadomo, azot bardzo niechętnie bezpośrednio reaguje z tlenem. Dzięki temu możliwe jest istnienie naszej atmosfery składającej się z mieszaniny tych dwóch gazów. Jeżeli jednak go do tego zmusimy (w temperaturze powyżej 3000 K osiąganej np. w łuku elektrycznym) powstaje właśnie ten tlenek. Jednak przemysłowo otrzymuje się go prościej; spalając amoniak w temperaturze 1100 K na katalizatorze platynowym z niewielką domieszką rodu (metoda Ostwalda):
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

W laboratorium jest produktem działania rozcieńczonego (poniżej 30%) kwasu azotowego(V) na metale. Przykładowa reakcja wygląda następująco:
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Struktura jego cząsteczki przypomina dobrze nam znane drobiny, takie jak: N2, CO czy CN-. Posiada jednak dodatkowy niesparowany elektron, co czyni ją rodnikiem. Zgodnie z metodą LCAO MO elektron ten zajmuje antywiążący orbital π obniżając rząd wiązania z 3 do 2,5. Powoduje to, że budowa tej cząsteczki z „Atomków” jest problematyczna i wymaga komentarza nauczyciela. Na ilustracji oznaczono dodatkowy elektron oraz jedno wiązanie jako połówkowe.

🧪 Tlenek azotu(III) – N2O3 🧪

Powstaje z oziębionej do -15℃ równocząsteczkowej mieszaniny NO i NO2:
NO + NO2 ⇄ N2O3

Występuje wtedy jako niebieska ciecz. Jednak w miarę podnoszenia temperatury równowaga tej reakcji przesuwa się w lewo. Powyżej -2℃ z układu zaczyna szybko ulatniać się NO, co gwałtownie przyspiesza rozkład, a ciecz uzyskuje żółte zabarwienie dzięki bogatej zawartości NO2. Po jej całkowitym odparowaniu uzyskuje się równowagową mieszaninę NO, NO2 i N2O3, w której zawartość N2O3 w temperaturze pokojowej nie przekracza 10%.

Tlenek azotu(III) jest bezwodnikiem nietrwałego kwasu azotowego(III). Wprowadzenie do wody mieszaniny NO i NO2 powoduje powstanie niewielkich ilości N2O3. Reaguje on z wodą:
N2O3 + H2O → 2HNO2
zakłócając równowagę swojej syntezy, co powoduje powstawanie kolejnych porcji N2O3, które dalej reagują z wodą i tak dalej. Więcej informacji znajdziesz w artykule o kwasie azotowym(III) i jego solach.

Jego cząsteczka jest niesymetryczna i zawiera słabe pojedyncze wiązanie N—N o długości 186 pm. Jeden z atomów azotu przyłącza dwa atomy tlenu. Stwierdzona niemal identyczna długość tych wiązań wskazuje, że w rzeczywistości tworzą one dwie graniczne struktury rezonansowe, które składają się na zdelokalizowane wiązanie π.

Z przedstawionej budowy tego tlenku wnioskujemy, że nazwa wynikająca z wzoru sumarycznego – tlenek azotu(III) – jest tylko zwyczajowa. Nie ma w nim bowiem atomów azotu na trzecim stopniu utlenienia. Formalnie tlenek ten powinniśmy nazwać: tlenek azotu(II) azotu(IV).

🧪 Tlenek azotu(IV) – NO2 oraz N2O4 🧪

NO2 to brunatny trujący gaz o kwaśnym, nieprzyjemnym zapachu. Powstaje w procesie utlenienia tlenku azotu(II). W laboratorium otrzymujemy go w reakcji metali nieulegających pasywacji ze stężonym kwasem azotowym(V), np.:
Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
lub prowadząc rozkład termiczny azotanów(V), np.:
2Pb(NO3)2 → 2PbO + 4NO2↑ + O2

Jest tlenkiem kwasowym, który dysproporcjonuje z wodą do kwasów azotowych:
2NO2 + H2O → HNO2 + HNO3

Poniżej temperatury 150℃ pozostaje w równowadze ze swoim dimerem N2O4:
2NO2 ⇄ N2O4

W miarę obniżania temperatury stopniowo rośnie udział bezbarwnego N2O4, co powoduje stopniowe odbarwianie się układu. Poniżej temperatury 21℃ ze stanu gazowego mieszanina przechodzi w ciemnoczerwoną ciecz, a poniżej -9℃ – w jasnopomarańczowe ciało stałe. W bardzo niskich temperaturach (rzędu 100 K) odbarwia się całkowicie, co oznacza, że układ składa się już niemal wyłącznie z dimeru N2O4.

Ciekły N2O4 ulega słabej autodysocjacji z wytworzeniem jonów nitrozylowego i azotanowego(V):
N2O4 ⇄ NO+ + NO3-

Cząsteczka NO2 jest rodnikiem. Ma budowę trójkątną i dwie formy rezonanowe składające się na zdelokalizowany orbital π. Budując ją z „Atomków” pozostawiamy jedną wypustkę na atomie azotu bez wiązania. Symbolizuje ona niesparowany elektron.

Budowa cząsteczki N2O4 polega na połączeniu pojedynczym wiązaniem σ dwóch atomów azotu w cząsteczkach NO2. Warto zwrócić uwagę, że, ponieważ taka cząsteczka zawiera dwa zdelokalizowane orbitale π, to możemy zbudować aż cztery struktury graniczne.

🧪 Tlenek azotu(V) – N2O5 🧪

Białe, krystaliczne ciało stałe, sublimujące w temperaturze 33℃.

Jest bezwodnikiem kwasu azotowego(V) gwałtownie reagującym z wodą:
N2O5 + H2O → 2HNO3

Reakcja odwrotna – odwodnienia kwasu azotowego(V) tlenkiem fosforu(V) – jest wykorzystywana do laboratoryjnego otrzymywania tego tlenku:
4HNO3 + P4O₁₀ → 2N2O5 + 4HPO3

W temperaturze pokojowej stopniowo rozkłada się na tlenek azotu(IV) i tlen:
2N2O5 → 4NO2↑ + O2

Z powodu swojej nietrwałości nie znalazł żadnych praktycznych zastosowań.

Jest to jedyny tlenek azotu posiadający w stanie gazowym strukturę przewidywalną na poziomie szkoły podstawowej z użyciem klasycznego pojęcia wartościowości – z symetryczną, płaską cząsteczką. Na poziomie szkoły średniej pokazujemy uczniom, że posiada ona aż cztery struktury graniczne, które składają się na dwa zdelokalizowane orbitale π na przeciwległych końcach tej cząsteczki.

W stanie stałym, podobnie jak znany nam już tlenek chloru(VI), ma budowę jonową:
N2O5 ⇄ [NO2]+[NO3]-

W tej postaci jest to więc sól – azotan nitroilu. Nie pokazujemy na ilustracji jego struktury jonowej, bo o jonowej budowie niektórych tlenków niemetali będzie oddzielny artykuł.

tlenki azotu

Warto więc polubić profil „Atomków” i dodać go do ulubionych, aby nie przegapiać kolejnych ciekawych wpisów. 👨‍🔬
Ale w pierwszym rzędzie warto kupić „Atomki”! 😊

Łukasz Aranowski
7 listopada 2023