Номер 397, страница 79 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

397. Почему азот $N_2$ может выступать как в качестве окислителя, так и в качестве восстановителя, а аммиак — только в качестве восстановителя за счёт атома азота? Подтвердите ответ соответствующими уравнениями реакций.

Способность вещества выступать в роли окислителя или восстановителя определяется степенью окисления входящих в него элементов. Окислитель — это вещество, атомы которого принимают электроны, понижая свою степень окисления. Восстановитель — вещество, атомы которого отдают электроны, повышая свою степень окисления.

Азот (N) — элемент 15-й группы (VА группы) периодической системы. Его возможные степени окисления лежат в диапазоне от $-3$ (низшая) до $+5$ (высшая).

В молекуле простого вещества азота $N_2$ степень окисления атомов азота равна $0$. Это промежуточная степень окисления. Поэтому атом азота может как принимать электроны (понижая степень окисления до $-3$), так и отдавать их (повышая степень окисления, например, до $+2$ или $+4$). Следовательно, молекулярный азот $N_2$ может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

$N_2$ в качестве окислителя

Азот проявляет окислительные свойства, реагируя с более сильными восстановителями (металлами, водородом), при этом его степень окисления понижается с $0$ до $-3$.

Пример 1: реакция с водородом (промышленный синтез аммиака):

$\stackrel{0}{N_2} + 3H_2 \rightleftharpoons 2\stackrel{-3}{N}H_3$

Пример 2: реакция с активным металлом, например, с магнием:

$\stackrel{0}{N_2} + 3Mg \xrightarrow{t} Mg_3\stackrel{-3}{N_2}$

$N_2$ в качестве восстановителя

Азот проявляет восстановительные свойства, реагируя с более сильным окислителем, которым является кислород, при этом его степень окисления повышается с $0$ до $+2$. Реакция протекает при очень высокой температуре (в электрической дуге, при разряде молнии).

$\stackrel{0}{N_2} + O_2 \rightleftharpoons 2\stackrel{+2}{N}O$

В молекуле аммиака $NH_3$ степень окисления водорода равна $+1$. Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю, поэтому степень окисления азота равна $-3$. Это низшая возможная степень окисления для атома азота. Находясь в низшей степени окисления, атом азота не может больше принимать электроны и понижать ее. Он может только отдавать электроны, то есть окисляться, повышая свою степень окисления (например, до $0, +2, +4, +5$). Поэтому аммиак за счёт атома азота может быть только восстановителем.

$NH_3$ в качестве восстановителя

Аммиак проявляет восстановительные свойства во многих реакциях.

Пример 1: каталитическое окисление аммиака кислородом (степень окисления азота повышается с $-3$ до $+2$):

$4\stackrel{-3}{N}H_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t} 4\stackrel{+2}{N}O + 6H_2O$

Пример 2: горение аммиака в кислороде без катализатора (степень окисления азота повышается с $-3$ до $0$):

$4\stackrel{-3}{N}H_3 + 3O_2 \xrightarrow{t} 2\stackrel{0}{N_2} + 6H_2O$

Ответ: Азот $N_2$ имеет промежуточную степень окисления $0$, поэтому может как понижать её (принимать электроны, выступая окислителем), так и повышать (отдавать электроны, выступая восстановителем). В аммиаке $NH_3$ азот имеет низшую степень окисления $-3$, поэтому может только отдавать электроны, повышая свою степень окисления, и, следовательно, является исключительно восстановителем.