Диоксид азота

Химический элемент азот с порядковым номером 7 расположен в 5 группе периодической системы Менделеева. Этот двухатомный газ при нормальных условиях достаточно инертен. В земной атмосфере на его долю приходится три четверти. Элемент характеризуется следующими степенями окисления: −3, −1, 0, 1, 2, 3, 4, 5. Он входит в состав многих соединений. Одним из них является красновато-коричневый ядовитый газ (отличается способностью раздражать дыхательные пути, вызывает отек легких при больших концентрациях), имеющий характерный резкий, едкий запах — это диоксид азота. Формула имеет вид NO2. Молярная масса 46,01 г/моль. Плотность 2,62 г/дм³. Температура кипения 21 °C. При растворении в воде реагирует с ней. Показатель преломления 1,449 (при 20 ° C).

Диоксид азота играет важную роль в химии атмосферы, в том числе в формировании тропосферного озона. Одновременно он является крупным загрязнителем воздуха и промежуточным продуктом в промышленном синтезе азотной кислоты, миллионы тонн которой производятся каждый год. Это один из нескольких оксидов азота (бинарные неорганические соединения азота с кислородом) со степенями окисления:

• I — закись азота N2O;

• II — монооксид азота NO;

• III — триоксид диазота N2O3;

• IV — диоксид азота NO2 и тетраоксид диазота N2O4;

• V — пентаоксид диазота N2O5;

• тринитрамид N(NO2)3.

Диоксид азота легко сжижается. Он тяжелее воздуха. При нормальных условиях NO2 смешан (примерно, 1:1) с бесцветным веществом (своим димером) N2O4. Химия NO2 хорошо изучена.

При взаимодействии с водой гидролизуется, в результате образуются две кислоты (азотистая и азотная): 2NO2 + H2O → HNO2 + HNO3.

В реакциях со щелочами образуются соли этих же двух кислот: 2NaOH + 2NO2 → NaNO2 + NaNO3 + H2O.

Он является сильным окислителем, способен окислять SO2 до SO3. На этом его свойстве основан метод нитрозного получения серной кислоты. В среде NO2 многие вещества, включая органические соединения, серу, уголь и фосфор, горят.

Диоксид азота обычно образуется в результате окисления оксида азота кислородом воздуха: O2 + 2NO → 2NO2

В лаборатории NO2 получают в два этапа: дегидратацией азотной кислоты до пентаоксида диазота, который затем разлагают термическим путем:

2HNO3 → N2O5 + H2O,

2N2O5 → 4NO2 + O2.

В результате термического разложения нитратов некоторых металлов также можно получить NO2:

2Pb(NO3)2 → 4NO2 + 2PbO + O2.

Окисел может образовываться при взаимодействии азотной кислоты (концентрированной) с металлами (например, медью):

4HNO3 + Cu → 2NO2 + Cu(NO3)2 + 2H2O.

При воздействии азотной кислоты (концентрированной) на олово, кроме диоксида азота, образуется оловянная кислота в качестве побочного продукта:

4HNO3 + Sn → H2O + H2SnO3 + 4NO2.

В некоторых источниках окисел N2O4(IV) называют не иначе, как тетраоксид азота. Но это неправильное название, так как вещество является тетраоксидом диазота. NO2 существует в равновесии с бесцветным газом N2O4: 2NO2↔N2O4.

Так как это равновесие является экзотермическим, то оно сдвигается в сторону NO2 при более высоких температурах, а при более низких — в сторону N2O4. Димер переходит в твердое состояние при температуре минус 11,2 оС. При температуре 150 градусов разлагается: N2O4 → 2NO2, затем 2NO2 → 2NO + O2.

Азотная кислота медленно выделяет NO2, который придает характерный желтый цвет большинству образцов этой кислоты:

4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2.

Диоксид азота легко обнаружить по запаху уже при низких концентрациях, вдыхания его паров лучше избегать. Одним из потенциальных источников NO2 является дымящая азотная кислота, которая выделяет NO2 при температурах выше 0 градусов. Симптомы отравления (отек легких), как правило, появляются после вдыхания потенциально смертельных доз через несколько часов. Существует ряд доказательств, что долгосрочное воздействие NO2 при концентрациях выше 40—100 мкг/м³ может снизить функцию легких и увеличить риск респираторных симптомов. В исследованиях некоторых ученых установлена связь между концентрацией NO2 и синдромом внезапной детской смерти.

Диоксид азота образуется в большинстве процессов горения, где используется воздух в качестве окислителя.

При повышенных температурах азот соединяется с кислородом с образованием оксида азота: O2 + N2 → 2NO, затем NO окисляется на воздухе с образованием диоксида O2 + 2NO → 2NO2:

1. При нормальных атмосферных концентраций это очень медленный процесс.

2. Наиболее вероятным источниками NO2 являются двигатели внутреннего сгорания, тепловые электростанции и, в меньшей степени, целлюлозные заводы.

3. Газовые обогреватели и печи являются также источниками этого окисла. Необходимый для горения избыток воздуха вносит азот, который при высоких температурах преобразуется в оксиды азота.

4. В домашних хозяйствах керосиновые обогреватели и газовые обогреватели являются также источниками NO2.

5. Диоксид азота вырабатывается при атмосферных ядерных испытаниях (красноватый цвет грибовидного облака).

6. В некоторых сельскохозяйственных районах его приземные концентрации могут достигать 30 мкг/м³.

7. NO2 также естественным образом вырабатывается при грозе, дожде.