Název: Oxidy dusíku Autor: Mgr. Štěpán Mička Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, fyzika, Ročník: 3. Tématický celek: Systematická anorganická chemie – Dusík Stručná anotace: Uspořádání pracovního listu umoţňuje jeho částečné vyuţití během běţné vyučovací hodiny (zejména Video 1 příprava oxidu dusnatého či Video 2 rovnováha mezi monomerem a dimerem oxidu dusičitého), nebo jako námět na laboratorní práci Časová dotace: Samotná laboratorní práce je časově nenáročná, koncipovaná na 1 vyučovací hodinu v laboratoři. Ţáci pracující ve skupinách po 2 aţ 3 na základě experimentu navrhnou teoretické vysvětlení.
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Teorie Dusík s kyslíkem tvoří celkem pět oxidů, ve kterých má dusík oxidační čísla od I do V. Oxid dusný N2O je bezbarvý plyn (b.v 184,7K), který má v plynném i tuhém stavu lineární strukturu. N
N O
Za normálních podmínek je stálý, nereaktivní a ve vodě nerozpustný. Připravit lze tepelným rozkladem dusičnanu amonného v tavenině ( 450-535K). Zahřátím dusičnanu nad 573K můţe zapříčinit explozi. NH4NO3 → N2O + 2H2O Oxid dusný se pro své fyziologické účinky pouţívá především v lékařství jako anestetikum (rajský plyn).
Oxid dusnatý NO je bezbarvý, monomerní plyn (b.v 121,4K). Molekula obsahuje ve své struktuře jeden nepárovaný elektron ∙N=O a proto je paramagnetická. Nejeví však snahu po asociaci na dimer. Předpokládá se tedy, ţe elektron je rozloţený po celé molekule. Částečná dimerizace se vyskytuje aţ v kapalném a tuhém stavu. Oxid dusnatý lze připravit redukcí zřeď. kyseliny dusičné, např. při rozpouštění mědi. 3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4H2O Vznikající oxid dusnatý reaguje okamţitě se vzdušným kyslíkem a oxiduje se na intenzivně hnědý oxid dusičitý. 2 NO + O2 → 2 NO2 Oba tyto plyny patří mezi tzv. nitrosní plyny a uplatňují se při výrobě kyseliny dusičné.
Oxid dusitý N2O3 -(I)
O
O +
N
O
N
N
-(I)
O
Rezonanční struktura N2O3
O +
O
N
Z rezonančních struktur oxidu dusitého je zřejmý jejich vznik spojením struktury oxidu dusnatého a dusičitého vazbou mezi dusíky. Čistý oxid dusitý existuje pouze v tuhém stavu (b.t.171K). Při vyšších teplotách se rozkládá podle rovnice: N2O3 → NO + NO2 Oxid dusičitý NO2 existuje v podobě hnědého monomeru NO2 a bezbarvého dimeru N2O4. Ve formě dimeru se zcela vyskytuje pouze v pevném stavu. V kapalném stavu dimerní forma částečně disociuje. Se stoupající teplotou se koncentrace monomerního oxidu dusičitého zvyšuje a aţ při 373K mají páry sloţení převáţně z molekul NO2. Molekula NO2 má lomenou strukturu a obsahuje nepárový počet elektronů. Je tedy paramagnetická a nepárový elektron je lokalizován na atomu dusíku. N2O4 vzniklý dimerizací má planární strukturu. O
O +
N O
O
+
N
-(I)
O +
N
-(I)
O
-(I)
O
-(I)
+
N
O
Rezonanční struktura N2O4
Oxid dusičitý vzniká oxidací oxidu dusnatého vzdušným kyslíkem. Je to silné oxidační činidlo. Lze ho připravit rozpouštěním olova koncentrovanou kyselinou dusičnou Pb + 4 HNO3 → Pb(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O nebo tepelným rozkladem dusičnanů těţkých kovů. 2 Pb(NO3)2 → 4 NO2 + 2 PbO + O2 Významná je reakce dimerního oxidu dusičitého s vodou a uplatňuje se při výrobě kyseliny dusičné. N2O4 + H2O → HNO3 + HNO2
Oxid dusičný N2O5 je pevná látka, která tvoří bezbarvé na vzduchu nestálé krystalky (b.t.303K, b.v.320K). Lze připravit působením kyseliny dusičné na oxid fosforečný. 2 HNO3 + P2O5 → N2O5 + 2 HPO3 N2O5 je anhydridem kyseliny dusičné. Jeho reakce s vodou je však silně exotermická.
Postup práce Postup práce je nenáročný, ale je vhodné mít k dispozici digestoř nebo velmi dobře větrat. Výsledky Viz teorie.
Diskuze V rámci diskuze ţáci představí své teoretické vysvětlení experimentů ostatním skupinám a pokusí se svůj názor obhájit, popř. vyvrátit názory ostatních. Učitel funguje jako moderátor a udrţuje diskuzi v rozumných mezích, vysvětluje chyby diskutujících a pomáhá při tvorbě argumentů. Diskuze můţe probíhat rovnou během laboratorních prací, nebo aţ po domácí přípravě. Při druhé moţnosti je ale pravděpodobné, ţe si studenti najdou odborné vysvětlení na internetu a diskuze ztratí na významu.
Videodokumentace Video 1: Příprava oxidu dusnatého a jeho oxidace. Video 2: Rovnováha mezi monomerem a dimerem oxidu dusičitého
Zdroje: LUKEŠ I., MIČKA, Z.: Anorganická chemie II, Systematická část, 2. vydání, Praha: Karolinum, 1999.
Pracovní list pro žáka
Příprava oxidů dusíku Laboratorní práce číslo:……….
Jméno…………………………… Třída……… Datum………
Chemikálie Kyselina dusičná (30 %), měděné hobliny. Pomůcky Odměrný válec, promývací baňka, frakční baňka, dělící nálevka, skleněná vana Návod Pracujte v digestoři! Sestavte aparaturu pro vývoj plynu. Do baňky dejte měděné hobliny a přikapávejte roztok kyseliny dusičné. Jakmile se přestanou tvořit v aparatuře hnědé dýmy, jímejte bezbarvý unikající plyn do válce. Válec naplněný plynem posléze vynořte nad hladinu a pozorujte barevnou změnu plynu. Na základě pozorování se pokuste navrhnout teoretické vysvětlení (chemické reakce) pro průběh experimentů. Pracovní postup:
Chemické rovnice:
Pozorování:
Závěr:
Pracovní list pro žáka
Vlastnosti oxidu dusičitého Laboratorní práce číslo:……….
Jméno…………………………… Třída……… Datum………
Chemikálie Oxid dusičitý (připraven z předchozí úlohy), led, NaCl Pomůcky Odměrný válec či jiná vhodná nádoba, termoska Návod Pracujte v digestoři! Najímejte válec oxidem dusičitým a pečlivě uzavřete. Naplňte termosku chladící směsí (sůl a led) a ponořte válec s plynem z poloviny do chladící směsi na cca 10 minut. Poté válec vynořte a nechte stát za běţné teploty. Pozorujte změny. Na základě pozorování se pokuste navrhnout teoretické vysvětlení pro průběh experimentu. Pracovní postup:
Chemické rovnice:
Pozorování:
Závěr:
