Оксид азота(V)

Оксид азота​(V)​
Общие
Систематическое наименование	Оксид азота​(V)​
Хим. формула	${\ce {N2O5}}$
Рац. формула	${\ce {N2O5}}$
Физические свойства
Состояние	бесцветные кристаллы
Молярная масса	108,011 г/моль
Плотность	1,642 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	+32,3 °C
• кипения	возгоняется при 47 °C
• разложения	начало +10 °C
Энтальпия
• образования	13,3 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS	10102-03-1
SMILES	[показать] [N+](=O)([O-])O[N+](=O)[O-]
Безопасность
Токсичность	Токсичен, окислитель,
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 3 0 OX
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Окси́д азо́та(V) (пентаокси́д азота, пентаоксид диазо́та, нитра́т нитри́ла, нитрат нитро́ния, азо́тный ангидри́д)  — высший оксид азота ${\ce {N2O5}}$, в котором степень окисления азота достигает +5, представляет собой бесцветные кристаллы. В стандартных условиях это вещество хорошо растворимо в воде и вступает с ней в реакцию. При хранении оксид азота ${\ce {N2O5}}$постепенно разрушается, а при повышении температуры происходит его разложение со взрывом. Проявляет выраженные кислотные свойства. Сильный окислитель. Токсичен.

История открытия

В 1849 году французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девиль успешно синтезировал азотный ангидрид (${\ce {N2O5}}$) путём проведения химической реакции между хлором и сухим нитратом серебра.

Свойства вещества

Химическое строение

Структура молекулы динитропентоксида азота N2O5, находящейся в газовой фазе, с указанием длин и углов связи. Структурная информация (полученная с помощью газофазной дифракции электронов и компьютерного моделирования) от Б. М. Макклелланда, А. Д. Ричардсона, К. Хедберга, Повторное исследование структуры и крутильного потенциала N2O5 с помощью газофазной дифракции электронов, дополненное теоретическими расчетами Ab Initio, Helv. Химик. Acta, 2001, 84, 1612-1624.

Оксид азота (V) в твёрдом состоянии представляет собой ионное соединение, включающее катионы нитрозила (${\ce {NO2+}}$) и анионы нитрата (${\ce {NO3-}}$). В газообразной фазе и в растворах оксид азота (V) существует в виде молекул N₂O₅.

Молекула диоксида азота (${\ce {N2O5}}$) представляет собой соединение, в котором центральный атом кислорода координирует два атома азота, расположенных по обе стороны от него. Каждый из этих атомов азота, в свою очередь, связан с двумя атомами кислорода на концах молекулы.

В молекуле ${\ce {N2O5}}$ содержится 40 валентных электронов: азот имеет 5 валентных электронов, а кислород — 6. Таким образом, каждый атом азота использует по 3 электрона на связь с двумя атомами кислорода, что в сумме даёт 6 электронов. Концевые атомы кислорода используют по 2 электрона на связь с азотом, что также составляет 4 электрона.

Центральный атом кислорода, в свою очередь, использует 6 электронов на связь с азотом. Однако это не удовлетворяет правилу октета, согласно которому атом должен иметь 8 электронов на внешнем энергетическом уровне.

В молекуле ${\ce {N2O5}}$центральный атом кислорода удовлетворяет октету за счёт формального разделения заряда и взаимодействия с обоими атомами азота. Таким образом, молекула ${\ce {N2O5}}$имеет структуру ${\ce {O2N - O - NO2}}$, где центральный атом кислорода окружён двумя атомами азота, каждый из которых также связан с двумя атомами кислорода на концах. Это позволяет удовлетворить октеты всех атомов в молекуле.

Физические свойства

Бесцветные, гексагональные кристаллы. Температура сублимации: +32,3 ⁰С. Стандартная молярная теплоёмкость при постоянном давлении 143 Дж/моль·K. Растворим в хлороформе. С водой реагирует.

Химические свойства

Кислотные свойства

Присоединение воды, образование азотной кислоты

${\ce {N2O5 + H2O -> 2HNO3}}$​

При взаимодействии кислотного оксида азота(V) с водой образуется азотная кислота. Оксид азота(V) являются устойчивым только при низких температурах.

Взаимодействие кислотных оксидов с раствором аммиака

${\ce {N2O5 + 2NH3 {(p - p)}+ H2O -> 2NH4NO3}}$

Кислотные оксиды могут взаимодействовать с раствором аммиака. В данном случае, при реакции оксида азота(V) с молекулами аммиака и водой образуются молекулы нитрата аммония.

Взаимодействие кислотных оксидов и оснований

${\ce {N2O5 + 2NaOH -> 2NaNO3 + H2O}}$

При взаимодействии кислотного оксида азота(V) с гидроксидом натрия происходит образование нитрата натрия и воды.

Взаимодействие кислотных и основных оксидов

${\ce {N2O5 + CaO -> Ca(NO3)2}}$

Оксид азота(V) реагирует с оксидом кальция, образуя нитрат кальция.

Взаимодействие с оксидом хлора (I)

${\ce {Cl2O + N2O5 -> 2ClNO3}}$

При охлаждении жидким воздухом оксид азота(V) реагирует с гемиоксидом хлора (Cl₂O). Получается нитрат хлора. Оксид азота(V) окисляет гемиоксид хлора. Реакцию проводят при низкой температуре, чтобы избежать разложения веществ. Полученный нитрат хлора важен в химической промышленности.

Окислительная способность азота (+5)

Разложение оксидов

${\ce {2N2O5 -> 4NO2 + O2 ^}}$

В процессе разложения молекул оксида азота(V) происходит образование молекул оксида азота(IV) и выделение кислорода. Азот, находящийся в степени окисления +5, демонстрирует выраженные окислительные свойства, способствуя окислению кислорода, который находится в состоянии окисления -2. Этот процесс может протекать самопроизвольно в течение нескольких часов или же при нагревании может сопровождаться взрывом.

Окисление неметаллов

Оксид азота (V) является сильным окислителем. Продукты реакции с участием этого вещества зависят от конкретных условий протекания реакции, таких как температура, давление и концентрация реагентов, а также от восстановительных свойств другого реагента, участвующего в процессе. В зависимости от этих факторов, продуктами реакции могут быть различные соединения. Например, это может быть оксид азота(II) (NO), либо молекулярный азот (N₂).

${\ce {2N2O5 + S -> SO2 + 4NO2}}$${\ce {N2O5 + I2 = I2O5 + N2}}$.

Окисление металлов

Окисление металлов оксидом азота (V) приводит к образованию разнообразных продуктов, что обусловлено как восстановительной способностью металла, так и условиями протекания реакции.

${\ce {N2O5 + 3Zn->3ZnO + O2 + N2}}$

Оксид азота(V) (${\ce {N2O5}}$), при взаимодействии с цинком (Zn) приводит к образованию оксида цинка (${\ce {ZnO}}$). В процессе данной химической реакции наблюдается процесс окисления металлического цинка и одновременное восстановление N₂O₅ до молекулярного азота (N₂) и кислорода (O₂). Для инициации и поддержания протекания указанной реакции необходимо воздействие внешнего источника тепла.

Способы получения

Окисление диоксида азота

Реакция окисления диоксида азота (${\ce {NO2}}$) озоном (O₃) для получения оксида азота (V) (${\ce {N2O5}}$) может быть представлена следующим уравнением:

${\ce {2NO2 + O3 -> N2O5 + O2}}$​

Обезвоживание азотной кислоты

Способ получения оксида азота (V) — обезвоживание азотной кислоты (HNO₃​) с помощью сильного водоотнимающего вещества, такого как оксид фосфора(V) (${\ce {P2O5}}$). Реакция может быть представлена следующим уравнением:

${\ce {2HNO3 + P2O5 -> 2HPO3 + N2O5}}$​

Действие хлора на нитрат серебра (I)

Взаимодействие сухого нитрата серебра и сухого хлора. Реакция описывается следующим уравнением:

${\ce {4AgNO3 + 2Cl2 -> 4AgCl + 2N2O5 + O2}}$​

Хлор выступает в роли окислителя, а кислород — в роли восстановителя. В результате реакции образуются оксид азота(V) (N₂O₅), кислород (O₂) и хлорид серебра (${\ce {AgCl}}$). Эти продукты имеют важное значение в химической промышленности и аналитической химии.

Применение

Данный реагент (${\ce {N2O5}}$) применяется как мягкий нитрующий агент в сфере органической химии. Он используется для введения нитрогруппы (-NO₂) в молекулы органических соединений. Этот процесс называется нитрованием и является важным методом синтеза различных органических веществ, включая красители, взрывчатые вещества, фармацевтические препараты и другие соединения.

Уровень опасности и меры предосторожности

Как и другие оксиды азота, пентаоксид диазота (${\ce {N2O5}}$) обладает высокой токсичностью. Манипуляции с этим соединением требуют особой осторожности ввиду его способности к быстрому вступлению в реакции при нормальных условиях, сопровождающихся значительным выделением газообразных продуктов. При контакте с органическими веществами существует риск взрыва. Помимо этого, разложение ${\ce {N2O5}}$приводит к образованию высокотоксичного диоксида азота (${\ce {NO2}}$).