Номер 230, страница 217 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.230. Оксид ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_3$ образуется при взаимодействии двух молекул – NO и ${\mathrm{NO}}_2.$ Молекула ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_3$ содержит связь N–N. Изобразите структурную и электронную формулы молекулы. При низкой температуре известен изомер, состоящий из молекул ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_3,$ в которых два азота соединены друг с другом через кислород. Какое из этих веществ является: а) оксидом трёхвалентного азота; б) оксидом азота в степени окисления +2, +4?

Решение

В задаче рассматриваются два изомера оксида азота с формулой $N_2O_3$.

1. Изомер со связью N–N.

Эта структура образуется при взаимодействии молекул оксида азота(II) $NO$ и оксида азота(IV) $NO_2$.

Структурная формула этого изомера, часто изображаемая как $O=N-NO_2$, показывает, что один атом азота связан с другим, который, в свою очередь, входит в состав нитрогруппы ($-NO_2$). Более детально, с учётом валентностей и формальных зарядов, одна из резонансных структур выглядит так: $O=N-N^+(O^-)=O$.

Электронная формула (формула Льюиса). Общее число валентных электронов в молекуле $N_2O_3$ равно $2 \cdot 5 + 3 \cdot 6 = 28$. Электроны распределяются следующим образом для одной из резонансных структур:

• Связь N–N является одинарной.
• Первый атом азота (из $NO$) соединён двойной связью с атомом кислорода и имеет одну неподеленную электронную пару.
• Второй атом азота (из $NO_2$) связан с двумя атомами кислорода (одной двойной и одной одинарной связью) и не имеет неподеленных пар, неся формальный заряд +1.
• Атом кислорода, связанный одинарной связью, имеет 3 неподеленные пары и формальный заряд -1.

2. Изомер со связью N–O–N.

Этот изомер известен при низких температурах и имеет скелет, в котором атомы азота соединены через "мостиковый" атом кислорода.

Структурная формула: $O=N-O-N=O$.

Электронная формула (формула Льюиса). В этой структуре также 28 валентных электронов. Каждый атом азота связан двойной связью с концевым атомом кислорода и одинарной связью с центральным атомом кислорода. Все атомы в этой структуре электронейтральны и удовлетворяют правилу октета.
Электронное строение: :Ö=N̈-Ö̈-N̈=Ö: (двоеточия обозначают неподеленные электронные пары).

Далее проанализируем оба изомера согласно вопросам.

а) оксидом трёхвалентного азота
Валентность — это число химических связей, образуемых атомом.
В изомере со связью N–N ($O=N-N^+(=O)O^-$) первый атом азота образует 3 связи (валентность III), а второй атом азота образует 4 связи (валентность IV). Таким образом, это соединение не является оксидом, где азот исключительно трёхвалентен.
В изомере со связью N–O–N ($O=N-O-N=O$) каждый из двух атомов азота образует по 3 связи (одну одинарную с центральным кислородом и одну двойную с концевым кислородом). Следовательно, валентность обоих атомов азота равна III.
Ответ: оксидом трёхвалентного азота является изомер, в котором два атома азота соединены друг с другом через кислород ($O=N-O-N=O$).

б) оксидом азота в степени окисления +2, +4
Степень окисления — это условный заряд атома.
В изомере со связью N–N ($N_2O_3$), который является продуктом реакции $NO + NO_2 \rightarrow N_2O_3$, степени окисления азота из исходных молекул сохраняются. В $NO$ степень окисления азота +2, а в $NO_2$ — +4. Таким образом, в этом изомере один атом азота имеет степень окисления +2, а другой +4.
В изомере со связью N–O–N ($O=N-O-N=O$), если принять степень окисления кислорода за -2, то для соблюдения электронейтральности молекулы необходимо, чтобы суммарная степень окисления двух атомов азота была +6. Учитывая схожее химическое окружение, можно заключить, что оба атома азота имеют одинаковую степень окисления +3 ($2 \cdot (+3) + 3 \cdot (-2) = 0$).
Ответ: оксидом азота в степени окисления +2 и +4 является изомер, содержащий связь N–N ($O=N-NO_2$).