У валентності азоту в діапазоні від -3 , як аміак і аміни, до +5 і азотній кислоті (Тіаго, 2009). Цей елемент не розширює валентності, як і інші.
Атом азоту - це хімічний елемент з атомним номером 7 і перший елемент групи 15 (раніше VA) періодичної таблиці. Група складається з азоту (N), фосфору (P), миш'яку (As), сурми (Sb), вісмуту (Bi) та московію (Mc).
Малюнок 1: Борова схема атома азоту.
Елементи мають певні загальні подібності в хімічній поведінці, хоча вони чітко відрізняються один від одного хімічно. Ці подібності відображають загальні характеристики електронних структур їх атомів (Sanderson, 2016).
Азот присутній майже у всіх білках і відіграє важливу роль як в біохімічному, так і в промисловому застосуванні. Азот утворює міцні зв’язки завдяки його здатності втричі зв’язуватися з іншим атомом азоту та іншими елементами.
Тому в сполуках азоту є велика кількість енергії. До 100 років тому про азот мало що було відомо. Зараз азот зазвичай використовується для збереження їжі та як добриво (Wandell, 2016).
Електронна конфігурація та валентності
В атомі електрони заповнюють різні рівні відповідно до своїх енергій. Перші електрони заповнюють нижчі рівні енергії, а потім переходять до більш високого рівня енергії.
Найбільш зовнішній рівень енергії в атомі відомий як валентна оболонка, а електрони, розміщені в цій оболонці, відомі як валентні електрони.
Ці електрони в основному знаходяться у формуванні зв’язку та хімічній реакції з іншими атомами. Тому валентні електрони відповідають за різні хімічні та фізичні властивості елемента (Valence Electron, SF).
Азот, як згадувалося раніше, має атомне число Z = 7. Це означає, що його наповнення електронами в їх енергетичних рівнях або конфігурації електронів дорівнює 1S 2 2S 2 2P 3 .
Потрібно пам’ятати, що в природі атоми завжди прагнуть мати електронну конфігурацію благородних газів, отримуючи, втрачаючи або ділячись електронами.
Що стосується азоту, благородний газ, який прагне мати електронну конфігурацію, - це неон, атомне число якого Z = 10 (1S 2 2S 2 2P 6 ) та гелій, атомне число якого Z = 2 (1S 2 ) ( Reusch, 2013).
Різні способи поєднання азоту надають йому валентність (або стан окислення). У конкретному випадку азоту, оскільки він знаходиться у другому періоді періодичної таблиці, він не в змозі розширити свій валентний шар, як це роблять інші елементи його групи.
Очікується, що валентність буде -3, +3 та +5. Однак азот має валентні стани від -3, як в аміаку та амінах, до +5, як у азотній кислоті. (Тяги, 2009).
Теорія валентних зв'язків допомагає пояснити утворення сполук відповідно до електронної конфігурації азоту для заданого стану окислення. Для цього необхідно врахувати кількість електронів у валентній оболонці і скільки залишилося для придбання благородної газової конфігурації.
Азотні сполуки
Фіг.2: структура молекулярного азоту з валентністю 0.
Зважаючи на велику кількість станів окислення, азот може утворювати велику кількість сполук. В першу чергу слід пам’ятати, що у випадку молекулярного азоту за визначенням його валентність дорівнює 0.
Стан окислення -3 є одним із найпоширеніших для елемента. Прикладами сполук із цим станом окислення є аміак (NH3), аміни (R3N), іон амонію (NH 4 + ), іміни (C = NR) та нітрили (C≡N).
У стані окислення -2 азоту залишається 7 електронів у валентній оболонці. Така непарна кількість електронів у валентній оболонці пояснює, чому сполуки з цим станом окислення мають мостовий зв’язок між двома азотом. Прикладами сполук із цим станом окислення є гідразини (R 2 -NNR 2 ) та гідразони (C = NNR 2 ).
У стані -1 окислення у валентній оболонці залишається азот із 6 електронами. Прикладами сполук азоту з цією валентністю є гідроксиламін (R 2 NOH) та азосполуки (RN = NR).
У станах позитивного окислення азот, як правило, приєднується до атомів кисню, утворюючи оксиди, оксисальти або оксикислоти. У випадку стану окислення +1 азот має 4 електрони у своїй валентній оболонці.
Прикладами сполук з цією валентністю є оксид динітрогену або газ, що сміється (N 2 O) та сполуки нітрозо (R = NO) (Reusch, Oksidations of Nitrogen, 2015).
У випадку стану окислення +2, приклад - оксид азоту або оксид азоту (NO), безбарвний газ, що утворюється в результаті реакції металів з розведеною азотною кислотою. Ця сполука є надзвичайно нестійким вільним радикалом, оскільки реагує з O 2 на повітрі з утворенням газу NO 2 .
Нітрити (NO 2 - ) в основному розчині та азотна кислота (HNO 2 ) у розчині кислоти - приклади сполук із станом окислення +3. Це можуть бути окислювачі, які зазвичай утворюють NO (g), або відновлювачі, щоб утворити іон селітри.
Триоксид динітрогену (N 2 O 3 ) та нітрогрупа (R-NO 2 ) - інші приклади азотистих сполук з валентністю +3.
Діоксид азоту (NO 2 ) або діоксид азоту - це сполука азоту з валентністю +4. Це коричневий газ, як правило, що утворюється в результаті реакції концентрованої азотної кислоти з багатьма металами. Розміряється, утворюючи N 2 O 4 .
У стані +5 ми знаходимо нітрати та азотну кислоту, які є окислювачами в кислотних розчинах. У цьому випадку азот має 2 електрони у валентній оболонці, які знаходяться в орбіталі 2S. (Стани окислення азоту, СФ).
Існують також такі сполуки, як нітрозилазид і триоксид динітрогену, де азот має різні окислювальні процеси в молекулі. Що стосується нітрозилазиду (N 4 O), азот має валентність -1, 0, + 1 і +2; а у випадку триніоксиду динітрогену - валентність +2 та +4.
Номенклатура сполук азоту
Зважаючи на складність хімії сполук азоту, традиційної номенклатури їх було недостатньо, щоб назвати їх, тим більше визначити їх належним чином. Ось чому, серед інших причин, Міжнародний союз чистої та прикладної хімії (IUPAC) створив систематичну номенклатуру, де сполуки названі відповідно до кількості атомів, які вони містять.
Це вигідно, коли йдеться про назву оксидів азоту. Наприклад, оксид азоту буде названий моноксидом азоту та оксидом азоту (NO) динітрогеном (N 2 O).
Крім того, у 1919 році німецький хімік Альфред Сток розробив метод іменування хімічних сполук на основі стану окислення, який записаний римськими цифрами, що додаються в дужки. Так, наприклад, оксид азоту та оксид азоту називались відповідно оксидом азоту (II) та оксидом азоту (I) відповідно (IUPAC, 2005).
Список літератури
- (2005). НОМЕНКЛАТУРА НОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ Рекомендації IUPAC 2005. Отримано з iupac.org.
- Стани окислення азоту. (СФ). Відновлено з kpu.ca.
- Reusch, W. (2013, 5 травня). Електронні конфігурації в періодичній таблиці. Відновлено з хімії.msu.edu.
- Reusch, W. (2015, 8 серпня). Стани окислення азоту. Відновлено з chem.libretexts.org.
- Сандерсон, RT (2016, 12 грудня). Елемент азотної групи. Відновлено з britannica.com.
- Тяги, В.П. (2009). Основна хімія Xii. Нова Гастрономія: Ратна Сагар.
- Валентні електрони. (СФ). Відновлено з chemistry.tutorvista.com.
- Wandell, A. (2016, 13 грудня). Хімія азоту. Відновлено з chem.libretexts.org.