Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 46. Нітрати й нітрити

Солі нітратної і нітритної кислот

Солі нітратної кислоти називають нітратами. Нітрати KNO₃, NaNO₃, Ca(NO₃)₂ і NH₄NO₃ називають селітрами й використовують як добрива. Калійна селітра міститься у складі пороху й інших піротехнічних сумішей.

Солі нітритної кислоти — нітрити. На відміну від кислоти, нітрити набагато стійкіші й існують не лише у розчині, але і в індивідуальному вигляді.

Нітрати й нітрити добре розчиняються у воді, причому під час розчинення теплота активно поглинається, що призводить до охолодження розчинів.

Нітрати й нітрити лужних і лужноземельних елементів — безбарвні кристалічні речовини. Забарвлення нітратам та нітритам надають катіони металічних елементів, які мають власне забарвлення (Fe³⁺, Сr³⁺ тощо).

Хімічні властивості нітратів

У нітратах Нітроген перебуває у вищому ступені окиснення, тому нітрати — сильні окисники. У разі потрапляння шматочка вугілля в розплавлену калійну селітру KNO₃ він перетворюється на вогняну кулю, яка швидко переміщується по поверхні розплаву:

2KNO₃ + С = СО₂↑ + 2KNO₂

Суміш селітри із сіркою під час нагрівання починає світитися, як яскрава електрична лампа, виділяючи їдкі клуби сульфур(VІ) оксиду:

6KNO₃ + 5S = 3K₂SO₄ + 2SO₃↑ + 3N₂↑

Окисні властивості нітратів використовують для виготовлення піротехнічних сумішей, найвідоміша з яких — чорний порох. Під час його спалювання відбувається реакція:

2KNO₃ + 3С + S = N₂ + 3СО₂ + K₂S

Усі нітрати термічно нестійкі і за нагрівання розкладаються. Нітрати активних елементів — лужних або лужноземельних — під час нагрівання перетворюються на нітрити. Цю реакцію використовують у лабораторії для добування кисню або нітритів:

Нітрати менш активних металів, які розташовані в ряду активності від алюмінію до міді, під час нагрівання виділяють нітроген(ІV) оксид і кисень, перетворюючись на оксиди:

Нітрати Меркурію й Аргентуму, оксиди яких термічно нестійкі, під час розкладання утворюють метали:

Дещо по-іншому розкладається амоній нітрат:

ΝΗ₄ΝΟ₃ = Ν₂O↑ + 2Н₂О

Використовуючи цю реакцію, у лабораторії добувають нітроген(І) оксид.

Хімічні властивості нітритів

У нітритах Нітроген перебуває в проміжному ступені окиснення, тому нітрити виявляють як окисні, так і відновні властивості. За наявності сильних окисників нітрити виявляють відновні властивості, окиснюючись до нітратів:

KNO₂ + Н₂O₂ = ΚΝΟ₃ + Н₂O

NaNO₂ + Br₂ + Н₂О = NaNO₃ + 2НВr

Із відновниками нітрити виявляють окисні властивості:

2NaNO₂+ 6Na = 4Na₂O + N₂

2KNO₂ + 2KI + 2H₂SO₄ = 2ΝO↑ + I₂ + 2K₂SO₄ + 2H₂O

Нітрити досить стійкі, солі лужних елементів розкладаються лише за сильного нагрівання (вище 800 °С):

4KNO₂ = 2К₂О + 2N₂ + 3О₂

Термічно нестійким є лише амоній нітрит. За слабкого нагрівання (60-70 °С) він розкладається з утворенням азоту:

NH₄NO₂ = N₂ + 2Н₂О

Твердий амоній нітрит розкладається з вибухом, тому для дослідів використовують лише його водні розчини. У такий спосіб у лабораторії добувають невеликі кількості азоту.

На відміну від нітратної, нітритна кислота є слабким електролітом, тому її солі у водних розчинах піддаються гідролізу, у результаті якого розчини нітритів мають лужне середовище:

NO₂^- + H₂O ⇄ HNO₂ + ОН^-

Із цієї ж причини нітрити вступають у кислотно-основні взаємодії — сильні кислоти витісняють нітритну кислоту з її солей:

KNO₂ + НСl = КСl + HNO₂

Оскільки нітритна кислота нестійка й існує лише в розбавлених розчинах, то за нестачі води вона одразу розкладається:

3KNO₂(тв.) + 2НСl(конц.) = 2КСl + KNO₃ + 2ΝO↑ + Н₂О

Якісні реакції на нітрати та нітрити

• Для виявлення нітрат-іонів найчастіше використовують так звану реакцію «бурого кільця». Для цього в пробірку поміщають пару кристаликів ферум(ІІ) сульфату і декілька крапель досліджуваного розчину. По стінці пробірки акуратно додають 1-2 краплі концентрованої сульфатної кислоти. Якщо пробірку не струшувати, то кислота не змішується з розчином, і за умови наявності в розчині нітрат-іонів на межі поділу двох рідин з’являється буре кільце. У цьому методі нітрат-іони взаємодіють із йонами Феруму(II):

6FeSO₄ + 2KNO₃ + 4H₂SO₄ = 3Fe₂(SO₄)₃ + 2NO + K₂SO₄ + 4H₂O

Утворений нітроген(II) оксид взаємодіє з ферум(II) сульфатом, утворюючи складну сполуку, забарвлену в бурий колір:

FeSO₄ + NO + 5Н₂О = [Fe(H₂O)₅NO]SO₄

Іноді для виявлення нітрат-іонів використовують взаємодію з міддю за наявності концентрованої сульфатної кислоти, але цей метод «спрацьовує» лише за умови досить значної концентрації нітрат-іонів. У результаті реакції утворюється нітроген(ІV) оксид, за появою якого і роблять висновок щодо наявності нітратів:

Cu + 2KNO₃ + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + K₂SO₄ + 2NO₂ + 2H₂O

Отже, нітрати виявити досить складно, особливо в дуже розбавлених розчинах, якими є соки овочів та фруктів.

• Для виявлення нітрит-іонів використовують ще складніші взаємодії за участі органічних речовин. Для виявлення нітратів і нітритів у харчових продуктах користуються спеціальними тест-системами, схожими на звичайні індикаторні папірці.

Застосування нітратів і нітритів

Завдяки окисній активності нітрати (селітри) використовують як окисники в різних піротехнічних сумішах та різних сортах пороху. Через це селітри можуть становити небезпеку. Один із найвідоміших інцидентів стався 2020 року в столиці Лівану. У порту Бейруту через необережне поводження та збіг обставин вибухнуло майже 3 тис. тонн амоніачної селітри. Унаслідок чого були пошкоджені будівлі в радіусі 10 км.

У складі різних солей нітрати також використовують як мінеральні добрива.

Натрій нітрит застосовують у виробництві барвників, а також як консервант у харчовій промисловості. Додавання цієї солі до м’ясних продуктів дозволяє зберігати їхній природний червоний колір навіть у разі тривалого зберігання.

Однак використання нітратів і нітритів у харчовій промисловості та для вирощування продуктів харчування може становити небезпеку за неправильного та надмірного використання. Тому як нітрогеновмісні мінеральні добрива краще застосовувати солі, що містять йони амонію замість нітрат-іонів.

Харчові продукти, що надходять у продаж, необхідно жорстко контролювати на вміст нітратів (овочі та фрукти) і нітритів (м’ясні вироби), щоб запобігти надмірному вживанню цих солей людиною.

Також варто звертати увагу на вміст нітратів у питній воді. Для дорослої людини це може не мати негативних наслідків. Утім, щороку в Україні фіксують смерть немовлят, які гинуть через підвищений уміст нітратів у воді, що використовують для виготовлення молочних сумішей.

Колообіг Нітрогену в природі

Фіксація атмосферного азоту в природі відбувається за двома напрямками — абіогенному і біогенному. Перший — це переважно взаємодія азоту з киснем під час грози (мал. 46.1). Але основна частина молекулярного азоту (понад 1,4 • 10⁸ т/рік) фіксується біогенним шляхом: багато мікроорганізмів (бактерії, ціанобактерії, актиноміцети), які живуть на коренях бобових рослин, у ґрунтах, у бульбах деяких рослин, поглинають азот із повітря і перетворюють його на йони амонію. Отже, існує взаємна користь від симбіозу рослин і азотфіксуючих організмів: рослини надають мікроорганізмам місце для проживання і постачають їм поживні речовини, а ті, у свою чергу, забезпечують рослини нітрогеновмісними сполуками в тих формах, які можуть засвоювати рослини.

Мал. 46.1. Колообіг Нітрогену в природі

Амоніак та йони амонію швидко окиснюються в рослинах та сполучаються в різноманітні нітрогеновмісні сполуки, потрапляють у воду або далі травним ланцюгом до тварин, у яких витрачаються для синтезу амінокислот, білків та нуклеїнових кислот.

Нітрогеновмісні сполуки у тканинах рослин і тварин після їх загибелі розкладаються завдяки діяльності мікроорганізмів. У цих процесах Нітроген переходить до складу різних оксидів і амоніаку, а його частина у вигляді азоту повертається в атмосферу.

За відсутності впливу діяльності людини процеси зв’язування і вивільнення азоту майже повністю врівноважені. Але ця рівновага порушується за сучасного сільського господарства, коли для вирощування багатих урожаїв необхідно додатково вносити в ґрунт нітрогеновмісні сполуки у складі мінеральних добрив.

Ключова ідея

Нітрати, як і нітратна кислота, виявляють сильні окисні властивості, що зумовлює їх застосування. Для нітритів, через проміжний ступінь окиснення Нітрогену, характерні властивості як окисників, так і відновників.

Хімія навколо нас

Небезпека в ковбасі

Останнім часом у суспільстві розвивається хемофобія (страх перед усім «хімічним»). Це пов'язано з недостовірною інформацією деяких ЗМІ та браком знань. Одним із проявів цього є страх щодо наявності нітратів у ковбасі.

Від середини XX століття на м'ясокомбінатах додають натрій нітрит NaNO₂ (раніше додавали нітрат) до різних м'ясопродуктів: ковбаси, сосисок тощо. Натрій нітрит посилює смак м'ясних виробів, покращує їхній колір, надаючи рожевого відтінку (інакше ковбаса виглядатиме сірою), надає виробам ніжності. Але головним є те, що натрій нітрит запобігає окисненню жирів (щоб не було прогірклого смаку), появі клостридій (що виробляють ботулотоксин), сприяє загибелі хвороботворних мікроорганізмів.

Утім, натрій нітрит у м'ясні вироби можна додавати не більш ніж 7,5 г на 100 кг фаршу. У цих кількостях він безпечний для людини та швидко виводиться із сечею. До того ж майже 80 % його зникає під час термічної обробки. У Євросоюзі допустима добова норма становить 0,1 мг на 1 кг маси тіла, що для дорослої людини відповідає близько 0,5 кг ковбасних виробів на добу.

Деякі несумлінні виробники з різних причин додають до фаршу більше натрій нітриту, ніж це необхідно. Але відрізнити такі м'ясопродукти досить легко: вони занадто рожеві та дуже солоні. В Євросоюзі продаж натрій нітриту для харчового використання дозволено лише в суміші зі звичайною сіллю, яку часто називають «нітритна сіль» і яка містить 0,6 % натрій нітриту.

Запитання та завдання

272. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості нітратів і нітритів та їх застосування.

273. Опишіть якісну реакцію на нітрати.

274. Схарактеризуйте колообіг Нітрогену в природі.

275. Які речовини називають закисом азоту, селітрою, димлячою нітратною кислотою?

276. Із тексту параграфа випишіть рівняння окисно-відновних реакцій та складіть для них електронний баланс. Укажіть окисник та відновник.

277. Складіть рівняння реакцій, що відбуваються під час нагрівання: a) Αl(ΝΟ₃)₃; б) NaNO₂; в) Cu(NO₃)₂; г) NH₄NO₃.

278. Складіть рівняння реакції нітратної кислоти: а) з амоній карбонатом; б) калій йодидом; в) хлорною водою.

279. Складіть рівняння реакцій для здійснення перетворень за схемами:

• a) Cu(NO₃)₂ → NO₂ → HNO₃ → Ba(NO₃)₂ → KNO₃ → KNO₂;
• б) N⁰ → Ν^-3 → N⁺² → N⁺⁴ → Ν⁺⁵ → Ν^-3 → Ν^-2 → N⁰ → N⁺⁴ → N⁺³.

280. У скільки разів зменшиться маса твердої речовини під час повного розкладання аргентум(І) нітрату?