Оксид азота(IV)

Оксид азота​(IV)​
Общие
Систематическое наименование	Оксид азота​(IV)​
Традиционные названия	диоксид азота; двуокись азота, тетраоксид диазота, бурый газ
Хим. формула	NO2
Рац. формула	NO2
Физические свойства
Состояние	бурый газ или желтоватая жидкость
Молярная масса	46,0055 г/моль
Плотность	г. 2,0527 г/л ж. 1,4910г/см³ тв. 1,536 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	-11,2 °C
• кипения	+21,1 °C
• разложения	выше +500 °C
Энтальпия
• образования	33,10 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS	10102-44-0
Безопасность
Предельная концентрация	2 мг/м³
Токсичность	Токсичен, окислитель, СДЯВ
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 4 2 OX
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Окси́д азо́та(IV) (диоксид азота, двуокись азота, лисий хвост) — бинарное неорганическое соединение, состоящее из кислорода и азота, где азот имеет степень окисления +4. Этот газ имеет характерный бурый цвет, поэтому его иногда называют «лисий хвост». Он тяжелее воздуха и обладает резким раздражающим запахом.

При низких температурах диоксид азота (${\ce {NO2}}$) существует в форме димера – тетраоксида диазота (${\ce {N2O4}}$). Это бесцветная жидкость обладает резким, характерным запахом.

Оксид азота(IV) является кислотным оксидом, хотя не существует кислот с аналогичной степенью окисления азота (+4). Он также обладает сильными окислительными свойствами.

Пары этого газа ядовиты и могут вызвать сильное раздражение дыхательных путей при вдыхании, что может привести к серьёзному отравлению.

Свойства вещества

Химическое строение

Азот-диоксид-резонанс-2D

Молекула диоксида азота (${\ce {NO2}}$) имеет угловую форму. Это связано с тем, что атом азота находится в состоянии sp²-гибридизации. В результате этого образуется угол между связями N–O, составляющий примерно 134 ⁰. Длина связи N–O составляет около 0,119 нм, что соответствует полуторной связи между атомами азота и кислорода.

В молекуле NO₂ присутствует один неспаренный электрон, что делает это соединение свободным радикалом. Этот свободный электрон значительно влияет на химические свойства ${\ce {NO2}}$и его реакционную способность.

При нормальных условиях ${\ce {NO2}}$находится в равновесии со своим димером ${\ce {N2O4}}$. Димеризация происходит из-за наличия неспаренного электрона в молекуле NO₂, что делает её склонной к образованию более стабильных структур. В результате этого процесса две молекулы ${\ce {NO2}}$объединяются, образуя молекулу ${\ce {N2O4}}$, которая является более стабильной и менее реакционноспособной.

Структура молекулы ${\ce {NO2}}$определяет её химические и физические свойства, включая способность к димеризации и высокую реакционную способность.

Физические свойства

Слой того же NO2/N2O4 с чистотой 99,9%, запечатанный в ампулу. Слева направо -196 °C, 0 °C, 23 °C, 35°C, 50 °C

Диоксид азота (${\ce {NO2}}$) представляет собой газ бурого цвета с резким удушливым запахом. Плотность NO₂ составляет 1,491 г/см³ при 0 ⁰C. Он является ядовитым веществом. При нормальных условиях (20 ⁰C и 760 мм рт. ст.) ${\ce {NO2}}$находится в жидком состоянии, так как его температура кипения составляет 21 °C. В жидком и твердом состоянии${\ce {NO2}}$бесцветен и состоит из молекул ${\ce {N2O4}}$вследствие димеризации.

Температура плавления ${\ce {NO2}}$составляет −11,2 ⁰C, а температура кипения — 21 ⁰C. При нормальных условиях ${\ce {NO2}}$находится в равновесии со своим димером ${\ce {N2O4}}$. В жидком состоянии недимеризовано только 1 %${\ce {NO2}}$, а при 100 °C остается в виде димера 10 % ${\ce {N2O4}}$. Молекулы ${\ce {NO2}}$полностью димеризуется в тетраоксид диазота (${\ce {N2O4}}$) при −9,3 °C.

Благодаря наличию неспаренного электрона, ${\ce {NO2}}$ обладает магнитными свойствами.

NO₂ при растворении реагирует с водой, образуя азотную (${\ce {HNO3}}$) и азотистую (${\ce {HNO2}}$) кислоты. В сероуглероде и хлороформе диоксид азота растворим.

Кристаллическая решетка ${\ce {NO2}}$молекулярная. Поскольку молекула ${\ce {NO2}}$тяжелее ${\ce {NO}}$и имеет более высокую склонность к димеризации, она плавится и кипит при более высоких температурах.

Химические свойства

Реакция с водой

• Оксид азота (IV) реагирует с водой с образованием двух кислот — азотной и азотистой:

${\ce {2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2}}$

• Поскольку азотистая кислота неустойчива, то при растворении NO₂ в теплой воде образуются азотная кислота (HNO₃) и оксид азота(II) (NO):

${\ce {3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO}}$

• Если растворение NO₂ в воде проводить в избытке кислорода, то образуется только азотная кислота:

${\ce {4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3}}$

Реакция с щелочами

• При растворении оксида азота (IV) в щелочных растворах происходит образование солей азотной кислоты (нитратов) и азотистой кислоты (нитритов). Взаимодействие диоксида азота с гидроксидом натрия приводит к образованию нитрата натрия и нитрита натрия, а также воды:

${\ce {2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O}}$

• В случае если процесс протекает при увеличенном содержании кислорода, то результатом становятся исключительно соли азотной кислоты (нитраты). Присутствие кислорода оказывает воздействие на состав продуктов реакции, окисляя азот с его степенью окисления +3 до +5, что приводит к смещению равновесия в сторону образования нитратов:

${\ce {4NO2 + 4NaOH + O2 = 4NaNO3 + 2H2O}}$

• В результате взаимодействия двух оксидов азота (II) и (IV) с гидроксидом натрия образуется нитрит натрия и вода:

${\ce {NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O}}$

Окисление веществ

Оксид азота (IV) является сильным окислителем. В атмосфере этого вещества происходит активное взаимодействие с различными веществами. Например, такие элементы и соединения, как фосфор, уголь и сера, способны гореть при контакте с оксидом азота (IV). В результате реакции образуется азот и соответствующие оксиды. Кроме того, оксид серы (IV), взаимодействуя с оксидом азота (IV), подвергается процессу окисления, превращаясь в более окисленную форму — оксид серы(VI).

• Диоксид азота (NO₂) реагирует с серой (S), образуя азот (N₂) и диоксид серы (SO₂). В этой реакции диоксид азота выступает в роли окислителя, а сера — в роли восстановителя:

${\ce {2NO2 + 2S = N2 + 2SO2}}$

• Диоксид азота (NO₂) реагирует с углеродом (C), образуя азот (N₂) и диоксид углерода (CO₂). В этой реакции диоксид азота также выступает в роли окислителя, а углерод — в роли восстановителя:

${\ce {2NO2 + 2C = N2 + 2CO2}}$

• Диоксид азота (NO₂) реагирует с фосфором (P), образуя азот (N₂) и пентаоксид дифосфора (P₂O₅). В этой реакции диоксид азота выступает в роли окислителя, а фосфор — в роли восстановителя:
  

${\ce {10NO2 + 8P = 5N2 + 4P2O5}}$

• Диоксид азота (NO₂) реагирует с диоксидом серы (SO₂), образуя триоксид серы (SO₃) и оксид азота (NO). В этой реакции диоксид азота выступает в роли окислителя, а диоксид серы — в роли восстановителя.
  

${\ce {NO2 + SO2 = SO3 + NO}}$

Оксид азота (IV) димеризуется:

Диоксид азота (NO₂) димеризуется, образуя тетраоксид диазота (N₂O₄). Эта реакция является обратимой, и при повышении температуры или снижении давления равновесие смещается в сторону диоксида азота. При низких температурах и высоких давлениях преобладает тетраоксид диазота:

${\ce {2NO2<=>N2O4}}$

Способы получения

В лаборатории

Реакция взаимодействия меди с горячей концентрированной азотной кислотой:

${\ce {Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O}}$ 

В этой реакции медь взаимодействует с горячей концентрированной азотной кислотой, образуя нитрат меди(II), диоксид азота и воду.

Термическое разложение сухих нитратов тяжёлых металлов

${\ce {2Pb(NO3)2 = 2PbO + 4NO2 + O2}}$

   При нагревании нитратов тяжёлых металлов, таких как нитрат свинца, происходит их разложение с образованием оксида свинца, диоксида азота и кислорода.

В промышленности

Окисление оксида азота(II) кислородом происходит самопроизвольно на воздухе:

${\ce {2NO + O2 = 2NO2}}$

Эта реакция представляет собой процесс окисления оксида азота(II) молекулярным кислородом. Реакция является обратимой и используется в промышленности для получения диоксида азота.

Применение

Диоксид азота (NO₂) — это химическое соединение, которое находит широкое применение в различных отраслях промышленности и быта.

Синтез химических продуктов

• Азотная кислота. Диоксид азота играет важную роль как промежуточное соединение в процессе производства азотной кислоты. Этот процесс включает несколько стадий, начиная с окисления аммиака до оксида азота (II), который затем превращается в диоксид азота. Далее диоксид азота вступает в реакцию с водой, образуя азотную кислоту. Полученная таким образом азотная кислота находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Она используется при изготовлении удобрений, которые необходимы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Кроме того, азотная кислота применяется в производстве взрывчатых веществ, таких как нитроглицерин и тротил, а также в синтезе множества других важных химических соединений.
• Серная кислота. В процессе синтеза серной кислоты также возможно использование диоксида азота, хотя это не основной путь получения данного вещества. Однако в некоторых специфичных каталитических реакциях диоксид азота может быть задействован для ускорения процесса образования серной кислоты. Серная кислота является одним из наиболее востребованных промышленных химикатов и широко используется в производстве минеральных удобрений, красителей, моющих средств, а также в металлургии и нефтехимической отрасли.

Целлюлозно-бумажная промышленность:

• В данной отрасли диоксид азота (${\ce {NO2}}$) используется благодаря своим сильным окислительным свойствам, которые делают его реагентом во многих химических процессах. Одним из таких процессов является отбеливание целлюлозы, где ${\ce {NO2}}$играет ключевую роль в удалении примесей и улучшении качества конечного продукта. Этот процесс особенно важен для производства высококачественной бумаги и других изделий на основе целлюлозы.

Органический синтез:

• Диоксид азота (${\ce {NO2}}$) играет важную роль в процессе органического синтеза как эффективный нитрующий агент. Он способен избирательно внедрять нитрогруппы (${\ce {-NO2}}$) в структуру органических молекул. Этот процесс широко применяется при производстве различных химических веществ, таких как красители, фармацевтические препараты и другие сложные органические соединения. Благодаря своим свойствам диоксид азота позволяет получать целевые продукты с высокой степенью чистоты и точности, что делает его инструментом в современной химической промышленности.

Аэрокосмическая индустрия:

• В аэрокосмической индустрии диоксид азота (${\ce {NO2}}$) и тетраоксид диазота (${\ce {N2O4}}$) широко применяется в качестве одного из компонентов ракетного топлива. Этот газ выполняет важную функцию окислителя, обеспечивая процесс горения топливной смеси с высокой энергетической эффективностью. Благодаря своим свойствам, NO₂ способствует стабильности работы ракетных двигателей, что является критически важным для обеспечения безопасности и надежности полетов космических аппаратов.

Уровень опасности и меры предосторожности

Источники диоксида азота

На сжигание приходится почти 98% антропогенных выбросов ${\ce {NO2}}$, большинство из которых происходит из стационарных источников. Оксиды азота, образующиеся при сгорании, являют собой относительно безвредные газы, которые выдыхаются преимущественно виде оксида азота ${\ce {NO}}$и ${\ce {N2}}$, попадая в атмосферу, очень быстро превращаются в смертельно опасный диоксид азота.

Опасности диоксида азота

Диоксид азота (${\ce {NO2}}$) представляет собой высокотоксичное вещество, оказывающее разрушительное воздействие на организм человека и окружающую среду. Его токсичность проявляется в нескольких аспектах, приводя к серьёзным последствиям для здоровья. ${\ce {NO2}}$обладает выраженным раздражающим и прижигающим действием на дыхательные пути, особенно на их глубокие отделы. Это приводит к воспалению и повреждению слизистых оболочек, вызывая кашель, одышку и боль в груди. При вдыхании ${\ce {NO2}}$может развиться токсический отёк лёгких, характеризующийся накоплением жидкости в лёгких, что затрудняет газообмен и приводит к гипоксии (недостатку кислорода в организме).${\ce {NO2}}$также угнетает аэробное окисление в лёгочной ткани, нарушая нормальное функционирование клеток и приводя к их повреждению и гибели. В то же время он стимулирует анаэробное окисление, что может привести к накоплению токсичных продуктов метаболизма и дальнейшему повреждению тканей. Существует вероятность общего токсического действия ${\ce {NO2}}$на организм, включая всасывание продуктов клеточного распада с поверхности лёгких в кровь, что может вызвать системные эффекты, такие как интоксикация и повреждение других органов.

При длительном воздействии даже небольших концентраций ${\ce {NO2}}$(0,2–0,7 мг/л в течение 6–8 часов) его токсичность может превышать токсичность оксида азота (${\ce {NO}}$). Это связано с кумулятивным эффектом и способностью ${\ce {NO2}}$накапливаться в организме. В частности, при реакции с гемоглобином в крови ${\ce {NO2}}$ приводит к потере способности гемоглобина переносить кислород.

NO₂ может находиться в абсорбированном состоянии в виде мелких частиц, которые оседают на почву и отравляют её, а затем и животных, питающихся травой с этих участков. Повышение концентрации NO₂${\ce {NO2}}$ в атмосфере может привести к трагическим последствиям, включая загрязнение окружающей среды, повышение риска развития заболеваний и смертности.