Нитраты: разложение и свойства
Соли азотной кислоты — нитраты
Нитраты металлов — это твердые кристаллические вещества. Большинство очень хорошо растворимы в воде.
1. Нитраты термически неустойчивы , причем все они разлагаются на кислород и соединение, характер которого зависит от положения металла (входящего в состав соли) в ряду напряжений металлов:
- Нитраты щелочных и щелочноземельных металлов ( до Mg в электрохимическом ряду ) разлагаются до нитрита и кислорода.
Например , разложение нитрата натрия:
Исключение – литий .
Видеоопыт разложения нитрата калия можно посмотреть здесь.
- Нитраты тяжелых металлов ( от Mg до Cu, включая магний и медь ) и литий разлагаются до оксида металла, оксида азота (IV) и кислорода:
Например , разложение нитрата меди (II):
- Нитраты малоактивных металлов ( правее Cu ) – разлагаются до металла, оксида азота (IV) и кислорода.
Например , нитрат серебра:
Исключения:
Нитрат железа (II) разлагается до оксида железа (III):
Нитрат марганца (II) разлагается до оксида марганца (IV):
2. Водные растворы не обладают окислительно-восстановительными свойствами, расплавы – сильные окислители .
Например , смесь 75% KNO3, 15% C и 10% S называют «черным порохом»:
Урок №35. Соли азотной кислоты. Азотные удобрения
Нитраты (селитры)
Азотная кислота – одноосновная, образует один ряд солей – нитраты состава:
Me(NO 3 ) n
и
NH 4 NO 3
Нитраты калия, натрия, кальция и аммония называют селитрами . Например, селитры: KNO 3 – нитрат калия (индийская селитра) , NаNО 3 – нитрат натрия (чилийская селитра) , Са(NО 3 ) 2 – нитрат кальция (норвежская селитра) , NH 4 NO 3 – нитрат аммония (аммиачная или аммонийная селитра, ее месторождений в природе нет). Германская промышленность считается первой в мире, получившей соль NH 4 NO 3 из азота N 2 воздуха и водорода воды, пригодную для питания растений .
Физические свойства
Нитраты – вещества с преимущественно ионным типом кристаллических решёток. При обычных условиях это твёрдые кристаллические вещества, все нитраты хорошо растворимы в воде, сильные электролиты.
Получение нитратов
Нитраты образуются при взаимодействии:
1) Металл + Азотная кислота
Cu + 4HNO 3 (k) = Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 ↑ + 2H 2 O
2) Основный оксид + Азотная кислота
CuO + 2HNO 3 = Cu(NO 3 ) 2 + H 2 O
3) Основание + Азотная кислота
HNO 3 + NaOH = NaNO 3 + H 2 O
4) Аммиак + Азотная кислота
Вытеснительный ряд кислот
5) Соль слабой кислоты + Азотная кислота
В соответствие с рядом кислот каждая предыдущая кислота может вытеснить из соли последующую :
2HNO 3 + Na 2 CO 3 = 2NaNO 3 + H 2 O + CO 2 ↑
6) Оксид азота (IV) + щёлочь
2NO 2 + NaOH = NaNO 2 + NaNO 3 + H 2 O
в присутствии кислорода —
4NO 2 + O 2 + 4NaOH = 4NaNO 3 + 2H 2 O
Р яд активности металлов Бекетова Н.Н.
Химические свойства нитратов
I. Общие с другими солями
Металл, стоящий в ряду активности Бекетова Н.Н. левее, вытесняет последующие из их солей:
Cu(NO 3 ) 2 + Zn = Cu + Zn(NO 3 ) 2
AgNO 3 + HCl = AgCl↓ + HNO 3
Cu(NO 3 ) 2 + 2NaOH = Cu(OH) 2 ↓ + 2NaNO 3
2AgNO 3 + BaCl 2 = Ba(NO 3 ) 2 + 2AgCl↓
II. Специфические
Все нитраты термически неустойчивы. При нагревании они разлагаются с образованием кислорода. Характер других продуктов реакции зависит от положения металла, образующего нитрат, в электрохимическом ряду напряжений (см. схему «Термическое разложение нитратов»):
С хем а «Термическое разложение нитратов»
1) Нитраты щелочных (исключение — нитрат лития) и щелочноземельных металлов разлагаются до нитритов:
2NaNO 3 = T,°C = 2NaNO 2 + O 2 ↑
2КNO 3 = T,°C = 2KNO 2 + O 2
2) Нитраты менее активных металлов от Mg до Cu включительно и нитрат лития разлагаются до оксидов:
2Mg(NO 3 ) 2 = T,°C = 2MgO + 4NO 2 ↑ + O 2 ↑
2Cu(NO 3 ) 2 = T,°C = 2CuO + 4NO 2 ↑+ O 2 ↑
3) Нитраты наименее неактивных металлов (правее меди) разлагаются до металлов:
Hg(NO 3 ) 2 = T,°C = Hg + 2NO 2 ↑ + O 2 ↑
2AgNO 3 = T,°C = 2Ag + 2NO 2 ↑+ O 2 ↑
4) Нитрат и нитрит аммония:
Нитрат аммония разлагается в зависимости от температуры так:
NH 4 NO 3 = 190-245°C = N 2 O↑+ 2H 2 O
2NH 4 NO 3 = 250-300°C = N 2 ↑ + 2NO + 4H 2 O
2NH 4 NO 3 = >300°C = 2N 2 ↑+ O 2 + 4H 2 O
NH 4 NO 2 = T,°C = N 2 ↑+ 2H 2 O
Качественная реакция на нитрат-ион NO 3 –
Взаимодействие нитратов c металлической медью при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты или с раствором дифениламина в Н 2 SO 4 (конц.).
В большую сухую пробирку поместить зачищенную медную пластинку, несколько кристалликов нитрата калия, прилить несколько капель концентрированной серной кислоты. Пробирку закрыть ватным тампоном, смоченным концентрированным раствором щелочи и нагреть.
Признаки реакции — в пробирке появляются бурые пары оксида азота (IV), что лучше наблюдать на белом экране, а на границе медь – реакционная смесь появляются зеленоватые кристаллы нитрата меди(II) .
Протекают следующие уравнения реакций:
Cu + 4HNO 3 ( конц.) = T,°C = Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Азотные удобрения
Азот один из основных элементов, необходимых для жизни, так как входит в состав всех аминокислот, а значит и белка. Вне белковых тел жизнь невозможна. Атмосферный азот растения усваивать непосредственно не умеют, зато они усваивают азот из почвы в двух формах: одна нитратная (в виде нитрат – ионов), другая – аммонийная (в виде ионов аммония). Причем наиболее предпочтительна аммонийная, потому что азот в этой форме сразу идет на построение аминокислот, образующих белок.
А вот нитратная форма должна сначала восстановиться до аммонийной и только потом будет усвоена растением. Без достаточного количества азота в почве растение не сможет набрать нужную вегетативную массу, а вот если его совсем не будет хватать, тогда нижние листья растений становятся бледно-зелеными, а потом уже все, начиная с верхушки, буреют и отпадают.
После уборки урожая азот в больших количествах уносится из почвы и вновь внести его в землю можно только с помощью минеральных удобрений. Недостаток азота в почве издавна восполняли органическими подкормками: перегноем и навозом. Производимые сейчас минеральные удобрения нельзя также вносить неконтролируемо, например, сульфат аммония после многократного внесения из-за гидролиза соли может привести к закислению почв, и его нужно нейтрализовать известью.
Все азотные удобрения хорошо растворимы в воде. Самое первое широко применяемое минеральное удобрение – это чилийская селитра (нитрат натрия), его впервые обнаружили и стали вывозить из Чили. Однако, запасы чилийской селитры стали быстро истощаться в связи с тем, что ее использовали и для производства пороха. Другим даже более ценным для растения стало удобрение – аммиачная селитра, его производство наладили после открытого немцем Фридрихом Габером способа связывания атмосферного азота в аммиак. Аммиачная селитра содержит азот сразу в двух формах: в нитратной и аммонийной. Получают ее так:
Неудобство в ее использовании состоит в том, что оно легко слеживается, поэтому его нужно гранулировать, а также оно хорошо растворимо в воде, поэтому может быть смыто с поля первым же ливнем, и кроме того, при определенных условиях (при повышении температуры около 200 о С) становится даже взрывоопасным.
Самое концентрированное и лекгоусваиваемое растениями азотное удобрение – это широко известная мочевина или карбамид – (NH 2 ) 2 CO, массовая доля азота в нем 46%. Технологический процесс его производства довольно сложен и идет под давлением 20000 КПа и температуре около 200 0 С и выражается уравнением:
2NH 3 + CO 2 = (NH 2 ) 2 CO + H 2 O
Химическая промышленность выпускает также и сульфат аммония, гораздо более бедный по содержанию азота в нем, но зато очень дешевый, ведь это удобрение получают как побочный продукт при очистке коксового газа от аммиака серной кислотой:
К его недостаткам можно отнести относительную бедность азотом и при многократном его использовании закисление почв.
Соли азотистой и азотной кислот9 класс
Тип урока – изучение нового материала.
Вид урока – беседа.
Цели и задачи урока.
Обучающие. Познакомить учащихся со способами получения, свойствами и областями применения нитратов и нитритов. Рассмотреть проблему повышенного содержания нитратов в сельскохозяйственной продукции. Дать представление об азотных удобрениях, их классификации и представителях.
Развивающие. Продолжить развитие умений: выделять главное, устанавливать причинно-следственные связи, вести конспект, проводить эксперимент, применять знания на практике.
Воспитательные. Продолжить формирование научного мировоззрения, воспитание положительного отношения к знаниям.
Методы и методические приемы. Самостоятельная работа учащихся с научно-популярной литературой, подготовка сообщений, выполнение лабораторных опытов и демонстрационного эксперимента, диалогический метод изложения знаний с элементами исследования, текущий контроль знаний с помощью теста.
Сообщение домашнего задания и комментарий к нему.
Изложение нового материала (эвристическаябеседа с опорой на эксперимент).
Текущий контроль знаний с помощью теста.
Подведение итогов урока.
Оборудование и реактивы. Плакат по технике безопасности; таблицы «Разложение нитратов при нагревании», «Классификация азотных удобрений», «Вытеснительный ряд кислот»; тест «Азот и его соединения» (два варианта); карточки с условиями задач.
Для демонстрационного эксперимента: демонстрационный штатив для пробирок, спиртовка, спички, держатель для пробирок, тигельные щипцы, железная ложечка для сжигания веществ, лучина, железный лист для сжигания черного пороха, большие пробирки, вата, пропитанная концентрированным раствором щелочи, чашка с песком, три лабораторных штатива; концентрированные растворы гидроксида натрия и серной кислоты, кристаллические соли – нитрат калия, нитрат меди(II), нитрат серебра; древесный уголек, медная пластина, сера, раствор дифениламина в концентрированной серной кислоте (темная склянка, 0,1 г дифениламина на
10 мл H2SO4 (конц.); растворы йодида калия, разбавленной серной кислоты, нитрита калия; в демонстрационных пробирках – растительные соки капусты, кабачка, тыквы; йодкрахмальная бумажка.
Для лабораторных опытов: пробирка с двумя гранулами цинка, три пустые пробирки, стеклянные палочки, две пробирки с кристаллическими нитратами (объемом с горошину) – нитрата бария и нитрата алюминия, лакмус, растворы нитрата меди(II), нитрата серебра, соляной кислоты, хлорида бария, дистиллированная вода.
Эпиграф. «Ни одна наука не нуждается в эксперименте в такой степени как химия» (Майкл Фарадей).
Сведения по технике безопасности
Все нитраты относятся к огневзрывчатым веществам. Хранить нитраты необходимо отдельно от органических и неорганических веществ. Все опыты с образованием оксида азота(IV) необходимо проводить в больших пробирках, закрытых ватными тампонами, смоченными концентрированным раствором щелочи. Азотную кислоту следует хранить в темных склянках, беречь от огня. Особенно токсичны нитриты.
Домашнее задание
Учебник О.С.Габриеляна «Химия-9», § 26, упр. 7. Сильные ученики получают индивидуальные задания.
Индивидуальные задания
1. Переведите с алхимического языка такую запись: «“Крепкая водка” пожирает “луну”, выпуская “лисий хвост”. Сгущение полученной жидкости порождает “адский камень”, который чернит ткань, бумагу и руки. Чтобы “луна” опять взошла, прокаливай “адский камень” в печи».
«Адский камень» – нитрат серебра – при нагревании разлагается с образованием серебра – «луна взошла»:
2АgNO3 (кр.) 2Аg + 2NO2 + O2.
2. В одном старинном научном трактате описан опыт получения «красного преципитата»*: «Ртуть растворяют в азотной кислоте, раствор выпаривают и остаток нагревают, пока он не сделается “красным”». Что представляет собой «красный преципитат»? Напишите уравнения реакций, ведущих к его образованию, учитывая, что ртуть в образующихся соединениях имеет степень окисления +2 и что при действии азотной кислоты на ртуть выделяется газ, буреющий на воздухе.
Ответ. Уравнения реакций:
Оксид ртути(II) HgO в зависимости от способа получения бывает красного или желтого цвета (Hg2O – черного цвета). На воздухе ртуть при комнатной температуре не окисляется. При продолжительном нагревании ртуть соединяется с кислородом воздуха, образуя красный оксид ртути(II) – НgО, который при более сильном нагревании снова разлагается на ртуть и кислород:
2НgО = 2Нg + O2.
Изучение нового материала
Состав и номенклатура солей азотной кислоты
Учитель. Что означают латинское название «нитрогениум» и греческое «нитрат»?
Ученик. «Нитрогениум» означает «рождающий селитру», а «нитрат» означает «селитра».
Учитель. Нитраты калия, натрия, кальция и аммония называют селитрами. Например, селитры: KNO3 – нитрат калия (индийская селитра), NаNО3 – нитрат натрия (чилийская селитра), Са(NО3)2 – нитрат кальция (норвежская селитра), NH4NO3 – нитрат аммония (аммиачная или аммонийная селитра, ее месторождений в природе нет). Германская промышленность считается первой в мире, получившей соль NH4NO3 из азота N2 воздуха и водорода воды, пригодную для питания растений.
Физические свойства нитратов
Учитель. О том, какая взаимосвязь существует между строением вещества и его свойствами, мы узнаем из лабораторного опыта.
Физические свойства нитратов
Задание. В двух пробирках содержатся кристаллические нитраты: Ва(NO3)2 и Al(NO3)3. В каждую пробирку прилить по 2 мл дистиллированной воды, перемешать стеклянной палочкой. Наблюдать процесс растворения солей. Растворы хранить до исследования характера среды.
Учитель. Что называют солями?
Ученик. Соли – это сложные вещества, состоящие из ионов металлов и ионов кислотных остатков.
Учитель. Нужно построить логическую цепочку: вид химической связи – тип кристаллической решетки – силы взаимодействия между частицами в узлах решетки – физические свойства веществ.
Ученик. Нитраты относятся к классу солей, поэтому для них характерны ионная связь и ионная кристаллическая решетка, в которой ионы удерживаются электростатическими силами. Нитраты – твердые кристаллические вещества, тугоплавки, растворимы в воде, сильные электролиты.
Получение нитратов и нитритов
Учитель. Назовите десять способов получения солей, основанных на химических свойствах важнейших классов неорганических соединений.
Ученик.
1) Металл + неметалл = соль;
2) металл + кислота = соль + водород;
3) оксид металла + кислота = соль + вода;
4) гидроксид металла + кислота = соль + вода;
5) гидроксид металла + кислотный оксид = соль + вода;
6) оксид металла + оксид неметалла = соль;
7) соль1 + гидроксид металла (щелочь) = соль2 + гидроксид металла (нерастворимое основание);
8) соль1 + кислота (сильная) = соль2 + кислота (слабая);
9)
10) соль1 + металл (активный) = соль2 + металл (менее активный).
Специфические способы получения солей:
11)
12) соль1 + неметалл (активный) = соль2 + неметалл (менее активный);
13) амфотерный металл + щелочь = соль + водород;
14) неметалл + щелочь = соль + водород.
Специфический способ получения нитратов и нитритов:
оксид азота(IV) + щелочь = соль1 + соль2 + вода, например (пишет на доске):
Это – окислительно-восстановительная реакция, ее тип – дисмутация, или диспропорционирование.
В присутствии кислорода из NO2 и NaOH получается не две соли, а одна:
Тип окислительно-восстановительной реакции – межмолекулярный.
Учитель. Почему опыты с образованием оксида азота(IV) следует проводить в больших пробирках, закрытых ватными тампонами, смоченными водной щелочью?
Ученик. Оксид азота(IV) – ядовитый газ, он взаимодействует со щелочью и обезвреживается.
Химические свойства нитратов
Учащиеся выполняют лабораторные опыты по напечатанной методике.
Свойства нитратов, общие с другими солями
Взаимодействие нитратов с металлами,
кислотами, щелочами, солями
Задание. Отметить признаки каждой реакции, записать молекулярные и ионные уравнения, соответствующие схемам:
Cu(NO3)2 + Zn … ,
AgNO3 + HCl … ,
Cu(NO3)2 + NaOH … ,
AgNO3 + BaCl2 … .
Задание. Определить реакцию среды предложенных растворов солей: Ва(NO3)2 и Al(NO3)3. Записать молекулярное и ионные уравнения возможных реакций с указанием среды раствора.
Специфические свойства нитратов и нитритов
Учитель. Все нитраты термически неустойчивы. При нагревании они разлагаются с образованием кислорода. Характер других продуктов реакции зависит от положения металла, образующего нитрат, в электрохимическом ряду напряжений:
Особое положение занимает нитрат аммония, разлагающийся без твердого остатка:
NH4NO3 (кр.) N2O + 2H2O.
Учитель проделывает демонстрационные опыты.
Опыт 1. Разложение нитрата калия. В большую пробирку поместить 2–3 г кристаллического нитрата калия, нагреть до расплавления соли. В расплав бросить предварительно нагретый в железной ложечке древесный уголек. Учащиеся наблюдают яркую вспышку и горение угля. Под пробирку необходимо подставить чашку с песком.
Ученик у доски составляет уравнение реакции:
Тип окислительно-восстановительной реакции – внутримолекулярный.
Учитель. Почему уголек, опущенный в расплавленную калийную селитру, мгновенно сгорает?
Ученик. Селитра разлагается с образованием газа кислорода, поэтому предварительно нагретый уголек мгновенно сгорает в нем:
Опыт 2. Разложение нитрата меди(II). В большую пробирку поместить кристаллический нитрат меди(II) (объемом с горошину), пробирку закрыть ватным тампоном, смоченным концентрированным раствором щелочи. Закрепить пробирку в штативе горизонтально и нагреть.
Учитель. Обратите внимание на признаки реакции.
Учащиеся наблюдают образование бурого газа NО2 и черного оксида меди(II) СuО.
Ученик у доски составляет уравнение реакции:
Тип окислительно-восстановительной реакции – внутримолекулярный.
Опыт 3. Разложение нитрата серебра. Накалить в пробирке, закрытой ватным тампоном, смоченным концентрированным раствором щелочи, несколько кристалликов нитрата серебра.
Учитель. Какие выделяются газы? Что осталось в пробирке?
Ученик у доски отвечает на вопросы, составляет уравнение реакции:
Тип окислительно-восстановительной реакции – внутримолекулярный. В пробирке остался твердый остаток – серебро.
Учитель. Качественная реакция на нитрат-ион NO3 – – взаимодействие нитратов c металлической медью при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты или с раствором дифениламина в Н2SO4 (конц.).
Опыт 4. Качественная реакция на ион NO3 – . В большую сухую пробирку поместить зачищенную медную пластинку, несколько кристалликов нитрата калия, прилить несколько капель концентрированной серной кислоты. Пробирку закрыть ватным тампоном, смоченным концентрированным раствором щелочи и нагреть.
Учитель. Назовите признаки реакции.
Ученик. В пробирке появляются бурые пары оксида азота(IV), что лучше наблюдать на белом экране, а на границе медь – реакционная смесь появляются зеленоватые кристаллы нитрата меди(II).
Учитель (демонстрирует схему уменьшения относительной силы кислот). В cоответствии с рядом кислот каждая предыдущая кислота может вытеснить из соли последующую.
Ученик у доски составляет уравнения реакций:
Тип окислительно-восстановительной реакции – межмолекулярный.
Учитель. Вторую качественную реакцию на нитрат-ион NO3 – проведем чуть позже, при исследовании содержания нитратов в продуктах питания.
Качественная реакция на нитрит-ион NO2 – – взаимодействие нитритов с раствором йодида калия КI, подкисленным разбавленной серной кислотой.
Опыт 5. Качественная реакция на ион NO2 – . Взять 2–3 капли раствора йодида калия, подкисленного разбавленной серной кислотой, и прилить несколько капель раствора нитрита калия. Нитриты в кислой среде способны окислять йодид-ион I – до свободного I2, который обнаруживается йодкрахмальной бумажкой, смоченной в дистиллированной воде.
Учитель. Как должна изменить окраску йодкрахмальная бумажка под действием свободного I2?
Ученик. Простое вещество I2 обнаруживается по посинению крахмала.
Учитель составляет уравнение реакции:
Учитель. В этой реакции NO2 – является окислителем. Однако существуют и другие качественные реакции на ион NO2 – , в которых он является восстановителем. Отсюда можно сделать вывод, что ион NO3 – проявляет только окислительные свойства, а ион NO2 – – как окислительные, так и восстановительные свойства.
Применение нитратов и нитритов
Учитель (задает проблемный вопрос). Почему азота в природе много (он входит в состав атмосферы), а растения часто дают плохой урожай из-за азотного голодания?
Ученик. Растения не могут усваивать молекулярный азот N2 из воздуха. Это проблема «связанного азота». При недостатке азота задерживается образование хлорофилла, поэтому растения имеют бледно-зеленую окраску, как следствие, задерживается рост и развитие растения. Азот – жизненно важный элемент. Без белка нет жизни, а без азота нет белка.
Учитель. Назовите способы усвоения атмосферного азота.
Ученик. Часть связанного азота поступает в почву во время гроз. Химия процесса такова:
Учитель. Какие растения способны повышать плодородие почвы и в чем их особенность?
Ученик. Эти растения (люпин, люцерна, клевер, горох, вика) относятся к семейству бобовых (мотыльковые), на корнях которых развиваются клубеньковые бактерии, способные связывать атмосферный азот, переводя его в соединения, доступные для растений.
Учитель. Снимая урожаи, человек ежегодно уносит вместе с ними огромные количества связанного азота. Эту убыль он покрывает внесением не только органических, но и минеральных удобрений (нитратных, аммиачных, аммонийных). Азотные удобрения вносят под все культуры. Азот усваивается растениями в виде катиона аммония и нитрат-аниона NO3 – .
Учитель демонcтрирует схему «Классификация азотных удобрений».
Учитель. Одной из важных характеристик является содержание питательного элемента в удобрении. Расчет питательного элемента для азотных удобрений ведут по содержанию азота.