Степень окисления азота (N): примеры соединений, валентность и электронное строение

Теория

Азот (N) — химический элемент 15‑й группы, располагающийся во 2‑м периоде, один из самых распространенных неметаллов на Земле.

В отличие от бора, азот обладает высокой электроотрицательностью и способен проявлять чрезвычайно широкий диапазон степеней окисления — от −3 до +5.

Атомам азота свойственна способность образовывать кратные связи (как в молекуле N₂), а также выступать в роли донора электронной пары за счет наличия неподеленной пары электронов на внешнем слое.

Нахождение азота во 2‑м периоде, как и у бора, исключает наличие d-подуровня, что ограничивает его максимальную валентность числом 4, хотя степень окисления может достигать +5.

Рис. Спектр степеней окисления азота. Благодаря наличию трех неспаренных электронов на p-подуровне, азот легко образует соединения в самых разных окислительных состояниях.

Как определить степень окисления азота

Азот — «чемпион» по количеству степеней окисления. Его заряд в соединении зависит от того, насколько сильно партнер по связи притягивает или отдает электроны.

Чтобы правильно определить степень окисления азота, учитывайте пять факторов:

1. По таблице Менделеева (границы группы).
2. По валентности (структурные формулы).
3. По химическому соединению (алгебраический расчет).
4. По конфигурации (заполнение внешнего слоя).
5. По электроотрицательности (сравнение с партнером).

По таблице Менделеева (границы)

• Высшая степень окисления: равна номеру группы (5) — +5.
• Низшая степень окисления: номер группы минус 8 — −3.

Азот возглавляет главную подгруппу V группы (подгруппу азота).

Как типичный p-элемент этой подгруппы, он имеет 5 валентных электронов, что определяет диапазон его степеней окисления от −3 до +5.

По химическому соединению (расчёт через X)

• Возьмем азотную кислоту HNO₃. У H всегда +1, у O всегда −2.
• Уравнение: (+1) + x + (3 · −2) = 0 → 1 + x − 6 = 0 → x = +5.

По электроотрицательности

ЭО азота (3,04) выше, чем у большинства элементов, но ниже, чем у кислорода (3,44) и фтора (3,98).

• Отрицательная СО: в соединениях с водородом и металлами (NH₃, Li₃N).
• Положительная СО: в соединениях с кислородом и фтором (NO₂, NF₃).

По электронной формуле

Чтобы определить степень окисления азота по электронной формуле, нужно проанализировать распределение электронов на его внешнем энергетическом уровне.

Электронная конфигурация азота (N): 1s² 2s² 2p³.

Внешний уровень (второй) содержит 5 электронов. Именно они определяют возможные значения степени окисления:

Минимальная (отрицательная) СО: −3.

• На p-подуровне у азота есть 3 неспаренных электрона. Чтобы полностью заполнить внешний уровень до устойчивого состояния (октета), атому необходимо принять 3 электрона. Это происходит при взаимодействии с металлами (нитриды) или водородом (аммиак).

Пример: В NH₃ азот забирает электронную плотность у трех атомов водорода.

Промежуточные и высшая (положительные) СО: от +1 до +5.

• При взаимодействии с более электроотрицательными элементами (кислород, фтор) азот начинает отдавать (смещать) свои электроны:

1. Сначала смещаются 3 неспаренных p-электрона (СО +1, +2, +3).
2. Затем в процесс вступают 2 спаренных s-электрона (СО +4, +5).

Пример: В азотной кислоте (HNO₃) азот задействует все 5 валентных электронов, достигая высшей степени окисления +5.

Важный нюанс: Несмотря на то, что азот может отдать 5 электронов (СО +5), его валентность во втором периоде ограничена числом 4, так как у него всего 4 орбитали (одна s и три p) и нет свободных d-орбиталей для «распаривания» электронов.

По валентности

Валентность азота часто не совпадает с его степенью окисления.

Это связано с тем, что валентность определяется числом общих электронных пар (связей), а степень окисления — условным зарядом.

• Валентность III: Проявляется в аммиаке (NH₃). Здесь азот образует 3 связи с водородом и имеет одну неподеленную пару электронов. СО при этом равна −3.
• Валентность IV: Максимальная валентность азота. Она достигается в ионе аммония (NH₄⁺) или азотной кислоте (HNO₃). Четвертая связь образуется по донорно-акцепторному механизму.

Важно: Валентность азота никогда не равна V, так как у него всего 4 орбитали на внешнем уровне, на которых можно разместить электроны. При этом степень окисления +5 в нитратах — обычное явление.

Квантовые числа

Электронное строение азота объясняет его «химическую гибкость».

Последний электрон азота описывается набором квантовых чисел: n=2, l=1, mₗ=+1, mₛ=+½.

Как это влияет на заряд атома:

• Главное квантовое число (n=2): Показывает, что у азота всего два энергетических уровня. Отсутствие d-подуровня (который появляется только с n=3) не дает азоту «распаривать» электроны, что ограничивает количество связей, но не мешает отдавать электронную плотность до СО +5.
• Орбитальное число (l=1): Указывает на p-подуровень. У азота там находятся три неспаренных электрона (2p³).
• Принцип Хунда (распределение): Три электрона сидят в отдельных ячейках (p_x¹, p_y¹, p_z¹). Это позволяет азоту легко принимать 3 электрона до полного заполнения (СО −3) или поочередно отдавать их в реакциях с кислородом, создавая цепочку положительных СО: +1, +2, +3.
• Магнитное и спиновое числа: Подтверждают наличие стабильной полузаполненной оболочки, что делает молекулу N₂ крайне прочной, а сам азот в свободном состоянии — инертным (СО 0).

Пример решения, задача:

Проверка знаний: Как определить Азот по таблице Менделеева

Отметьте три правильных утверждения, которые однозначно определяют Азот (N) в Периодической системе.

По каким признакам можно безошибочно установить, что речь идёт именно об Азоте?

1) В атомном ядре содержится ровно 7 протонов.

2) Является бесцветным газом, составляющим около 78% земной атмосферы.

3) Находится во втором горизонтальном ряду (периоде) и пятнадцатом вертикальном столбце (группе V A) таблицы Менделеева.

4) Полный набор электронов описывается формулой: 1s² 2s² 2p³.

5) Находится во 2-м периоде и имеет две электронные оболочки.

6) Проявляет высшую степень окисления +5 в азотной кислоте.

Часто задаваемые вопросы