Валентность и степень окисления азота (N)

Теория:

Валентность и степень окисления азота (N) — это способность элемента образовывать химические связи и приобретать соответствующий условный заряд в соединениях.

Азот — это неметалл из V группы, который наглядно демонстрирует, как переменная валентность приводит к широчайшему диапазону степеней окисления.

Его уникальность — в наличии неподеленной электронной пары, позволяющей ему образовывать донорно-акцепторные связи.

Валентность азота не является абсолютно фиксированной, хотя его максимум равен IV.

Степень окисления переменна и зависит от того, с чем он связан.

Диапазон СО Азота: от -3 до +5.

Содержание страницы

Toggle

Зависимость степени окисления от валентности азота

✅Валентность азота отражает число ковалентных связей, которые атом может образовать.

Определяется наличием:

3 неспаренных p-электронов (обменный механизм);
1 неподелённой электронной пары на s-орбитали (донорно‑акцепторный механизм).

Максимальная валентность — IV. Превысить её азот не может из‑за отсутствия вакантных d-орбиталей на 2‑м энергетическом уровне.

✅Степень окисления (СО) — формальный заряд атома, рассчитываемый из предположения о полной передаче электронов к более электроотрицательному атому.

Диапазон СО азота: от −3 до +5.

Несовпадение валентности и СО обусловлено разными принципами расчёта:

Валентность = число связей;
СО = условный заряд (не реальный перенос электронов).

Примеры расхождения:

В HNO₃:

валентность IV (3 обменные + 1 донорно‑акцепторная связь), но СО = +5 (электроны максимально смещены к кислороду).

В NH₄⁺

валентность IV, но СО = −3 (формальный расчёт).

Совпадение — редкость. Например, в NH₃: валентность III, СО = −3 (3 обменные связи, электроны смещены к азоту).

Донорно‑акцепторный механизм позволяет азоту проявлять валентность IV даже при высокой положительной СО.

Обусловленность степени окисления валентностью. Чтобы увидеть это наглядно подробно изучите электронную формулу азота.

Валентность (V) азота

Почему максимальная валентность азота — IV (а не V)?

Несмотря на положение в V группе периодической системы, азот не проявляет валентность V из‑за особенностей электронного строения:

Электронная конфигурация внешнего уровня: 2s²2p³.

На 2‑м энергетическом уровне отсутствуют вакантные d-орбитали, необходимые для распаривания 2s-электронов и расширения октета.

Следовательно, азот может использовать:

3 электрона с 2p-орбитали (обменный механизм);

1 электронную пару с 2s-орбитали (донорно‑акцепторный механизм).

Как работает донорно‑акцепторный механизм

Этот механизм объясняет, почему азот формирует 4 связи, даже если «по группе» ожидалась бы валентность V:

Азот выступает донором — предоставляет свою неподелённую электронную пару (с 2s-орбитали).

Другой атом (например, протон H⁺ в NH₄⁺) выступает акцептором — имеет свободную орбиталь для принятия пары.

Образуется четвёртая ковалентная связь, но без увеличения числа обобществлённых электронов у азота.

Он находится в одной группе с другими элементами, однако валентность азота — это ключевое свойство, отличающее его химическую природу.

Степень окисления (СО) ххх

Диапазон СО азота: от −3 до +5

Крайние значения соответствуют:

−3 — максимальная «электроноизбыточность» (NH₃, нитриды);

+5 — максимальная «электронодефицитность» (HNO₃, N₂O₅).

Промежуточные значения (−2, −1, 0, +1, +2, +3, +4) встречаются в оксидах, солях и радикалах.

Почему СО может превышать валентность?

В отличие от валентности (числа связей), СО зависит от:

разности электроотрицательностей атомов в соединении;

направления смещения электронных пар.

Пример: в HNO₃

валентность N = IV (3 обменные + 1 донорно‑акцепторная связь);

СО = +5, потому что:

каждый из трёх атомов O «забирает» по 2 электрона (всего −6);

атом H «отдаёт» 1 электрон (+1);
итого: −6 + 1 = −5 → СО(N) = +5.

Механизмы достижения высоких положительных СО

Азот достигает СО = +5 без образования пяти связей за счёт:

Сильного смещения электронной плотности к атомам кислорода.
Участия неподелённой пары в донорно‑акцепторных взаимодействиях (не увеличивает число связей, но усиливает «дефицит» электронов у N).
Резонансных структур, распределяющих заряд.

Когда СО совпадает с валентностью?

Совпадение возможно, если:

все связи — обменные;
смещение электронов симметрично или незначительно.

Валентность и степень окисления на примере NO₂

Степень окисления азота в NO₂

Кислород обычно имеет степень окисления −2.

В молекуле NO₂ два атома кислорода: 2 × (−2) = −4.

Молекула нейтральна, поэтому сумма степеней окисления равна 0.

Обозначим степень окисления азота как x:

x + (−4) = 0 ⇒ x= +4.

Итог:

Степень окисления азота в NO₂: +4.

Это формальный заряд, рассчитанный из предположения, что все связи ионные и электроны полностью смещены к кислороду.

Валентность азота в NO₂

Валентность — число ковалентных связей, которые атом образует с соседними атомами.

Строение NO₂:

Атом азота связан с двумя атомами кислорода.

Одна связь — стандартная двухэлектронная (σ-связь).

Вторая связь имеет частично трёхэлектронный характер из‑за наличия неспаренного электрона на азоте (радикальная природа NO₂).

В резонансных структурах азот формально образует две двойные связи (N = O), но реальная электронная плотность распределена неравномерно.

Почему валентность и степень окисления не совпадают?

Валентность IV показывает, что атом азота фактически участвует в четырёх электронных взаимодействиях (две связи с кислородом, каждая с σ- и π-составляющей).

Степень окисления +4 — расчётная величина: мы условно считаем, что азот «потерял» 4 электрона (все связи полностью ионные, электроны ушли к кислороду).

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Соединение диоксид азота (NO₂)

⌕ Найти:

Определите валентность (V) и степень окисления (СО) в соединении.

✨ Решение:

Определение степени окисления азота

Молекула NO₂ нейтральна, поэтому сумма степеней окисления равна 0. Обозначим степень окисления азота как x:

x + (−4) = 0 ⇒ x = +4.

Таким образом, степень окисления азота: +4.

Определим валентность азота

Азот образует две связи с атомами кислорода.

Из‑за резонанса (O = N – O  ⇄  O – N =O ) каждая связь имеет порядок ~1,5.

Суммарное число электронных взаимодействий: 1,5 × 2 = 3, плюс вклад неподелённой пары → валентность IV.

✅ Ответ:

Его валентность равна IV, степень окисления +4.

Для полноценного понимания атомного строения, физических свойств и применения, переходите к нашей главной статье: азот химический элемент.

Часто задаваемые вопросы:

Почему азот в аммиаке (NH₃) имеет степень окисления −3, а в азотной кислоте (HNO₃) — уже +5?

Степень окисления отражает условный заряд атома, рассчитанный по смещению электронов.

В NH₃ электроны смещены к азоту (более электроотрицательному, чем водород), поэтому его СО = −3.

В HNO₃ электроны сильно смещены к трём атомам кислорода (более электроотрицательным, чем азот), поэтому СО = +5.

Как азот образует 4 связи (валентность IV), если у него только 3 неспаренных электрона?

Использует два механизма:

1. Обменный (3 связи за счёт 3 неспаренных p-электронов);

2. Донорно‑акцепторный (4‑я связь: азот отдаёт неподелённую s-пару, а другой атом — свободную орбиталь).

Так возникает валентность IV (например, в NH₄⁺ или HNO₃), хотя «собственных» неспаренных электронов у азота только 3.

Почему молекула N₂ почти не реагирует с другими веществами?

Между атомами азота в N₂ — тройная связь (N≡N) с энергией диссоциации ~945 кДж/моль. Это одна из самых прочных ковалентных связей.

Для её разрыва требуется очень высокая энергия (например, температура выше 3000 °C или катализаторы), поэтому при нормальных условиях N₂ химически инертен.