Валентність азоту: властивості, ступеня та приклади сполук

Азот - одне із найпоширеніших елементів Землі. Входить до складу повітря, води, живих організмів. З'єднання азоту відіграють важливу роль у природі і знаходять широке застосування у промисловості та сільському господарстві. Давайте розберемося, що таке валентність азоту, які ступеня окислення він може виявляти і на конкретних прикладах розглянемо особливості азотовмісних сполук.

Поняття валентності та ступеня окислення

Валентність характеризує здатність атома утворювати хімічні зв'язки коїться з іншими атомами. Для азоту розрізняють такі типові валентності:

• I - у молекулі закису азоту N₂O
• II - в оксиді азоту (II) NO
• III - в аміаку NH₃
• IV - в іоні амонію NH₄ +
• V - азотної кислоти HNO₃ (Раніше вважалося, що V валентність для азоту нехарактерна)

Ступінь окислення показує умовний заряд атома азоту у конкретній сполукі. Для азоту можливі ступеня окиснення від +5 до -3.

Валентність і ступінь окислення часто збігаються за абсолютною величиною, але бувають винятки. Наприклад, у молекулі азоту N₂ валентність азоту дорівнює 3 (за кількістю зв'язків у молекулі), а ступінь окислення 0.

Валентні можливості атома азоту

Електронна формула азоту:

На зовнішньому енергетичному рівні у азоту 3 неспарені електрони. Це визначає можливість прояву валентностей III та V. Але наявність неподіленої електронної пари дозволяє азоту виявляти і валентність IV за донорно-акцепторним механізмом.

Максимальна валентність азоту дорівнює 4, оскільки на зовнішній електронній оболонці атомів азоту є лише чотири орбіталі.

"валентність азоту" в різних ступенях окислення може поводитися як окислювач або відновник:

"валентність атома азоту" залежить від його окисно-відновних властивостей у конкретній сполукі. Розглянемо це докладніше з прикладів.

Валентність азоту у неорганічних сполуках

Валентність азоту у простих речовинах, таких як молекулярний азот N2, дорівнює 3. Це відповідає числу σ- та π-зв'язків у молекулі азоту. Хоча формальний рівень окислення азоту тут 0.

У бінарних неорганічних сполуках (нітриди, оксиди) валентність азоту може бути від 1 до 4 в залежності від другого елемента і типу зв'язків, що утворюються. Наприклад:

• У нітриді бору BN валентність N = 3
• В оксиді азоту(I) N₂O валентність N = 2
• В оксиді азоту(II) NO валентність N = 2
• В оксиді азоту(III) N₂O₃ валентність N = 3

Залежність валентності азоту з інших елементів

Є кілька факторів, які можуть впливати на валентність азоту в конкретній сполукі:

1. Електронегативність інших елементів
2. Характер хімічного зв'язку, що утворюється (ковалентна, іонна, металева)
3. Окисно-відновні властивості середовища
4. Умови перебігу хімічної реакції (температура, тиск, каталізатори)

Наприклад, у сполуках з більш електронегативними елементами на кшталт фтору та кисню азот виявляє більш високі позитивні ступені окислення. А в з'єднаннях із менш електронегативними металами, навпаки, негативні ступені окислення.

Прояв різних валентностей азоту

Розглянемо кілька прикладів прояву азотом різних ступенів окислення та валентностей залежно від виду сполуки:

• В аміаку NH₃ азот тривалентний зі ступенем окислення -3
• В азотистій кислоті HNO₂ азот двовалентний зі ступенем окислення +3
• В азотній кислоті HNO₃ п'ятивалентність азоту зі ступенем окиснення +5
• У нітридах металів типу Ca₃N₂, валентність азоту може досягати 4

Як видно з прикладів, той самий елемент азот може по-різному виявляти свої валентні властивості.

Валентність азоту в органічних сполуках

Особливий інтерес представляє валентність атома азоту у різноманітних органічних сполуках. Азот входить до складу багатьох біологічно важливих речовин, таких як амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти. Розглянемо приклади.

Аміни та аміди

Аміни та аміди - важливі класи органічних сполук азоту. В амінах азот пов'язаний з атомами водню або вуглецевмісними групами, а в амідах - з карбонільною групою.

Наприклад, в метиламіні CH3NH2 валентність азоту дорівнює 3 а ступінь окислення -3. А в ацетаміді CH3CONH2 азот тривалентний зі ступенем окиснення -1.

Азотовмісні гетероцикли

Багато органічних сполук мають циклічну будову. Якщо цикл входить атом азоту, такі сполуки називають азотсодержащими гетероциклами.

Наприклад, у піридині валентність азоту в циклі дорівнює 3, хоча формально може досягати 5 за рахунок неподіленої електронної пари.

Азотисті основи

Похідні піримідину і пурину - це азотовмісні гетероциклічні основи. Вони входять до складу найважливіших біополімерів – нуклеїнових кислот.

Наприклад, у молекулі аденіну валентність атомів азоту в циклі дорівнює 3, а аміногрупи – 2.

Азотфіксуючі бактерії

Деякі ґрунтові бактерії, такі як бульбочкові, здатні засвоювати молекулярний азот з повітря та відновлювати його до аміаку. Цей процес називається азотфіксацією.

При азотфіксації валентність азоту послідовно змінюється від 0 N2 до -3 NH3.

Застосування азотних добрив

Сполуки азоту як азотних добрив активно застосовують у сільське господарство. Вони сприяють кращому зростанню та розвитку рослин.

У добривах азот найчастіше знаходиться у формі нітрат-іонів NO 3- та іонів амонію NH4+ з валентністю 4 та ступенем окислення +5 та -3 відповідно.