Азотни валенсии: Електронна конфигурация и съединения

Валенциите на азота варират от -3, както при амоняка и амините, до +5, както при азотната киселина (Tyagi, 2009). Този елемент не разширява валентността като другите.

Азотният атом е химичен елемент с атомен номер 7 и първият елемент от група 15 (преди ВА) на периодичната таблица. Групата се състои от азот (N), фосфор (P), арсен (As), антимон (Sb), бисмут (Bi) и moscovium (Mc).

Елементите споделят някои общи сходства в химичното поведение, въпреки че те са ясно химически диференцирани един от друг. Тези прилики отразяват общите характеристики на електронните структури на техните атоми (Sanderson, 2016).

Азотът присъства в почти всички протеини и играе важна роля както в биохимичните приложения, така и в промишлените приложения. Азотът образува силни връзки поради способността си да образува тройна връзка с друг азотен атом и други елементи.

Следователно има голямо количество енергия в азотните съединения. Преди 100 години, малко се знаеше за азота. Сега азотът обикновено се използва за съхраняване на храна и като тор (Wandell, 2016).

Електронна конфигурация и валенции

В един атом електроните запълват различните нива според енергиите си. Първите електрони запълват ниските енергийни нива и след това преминават към по-високо енергийно ниво.

Най-външното енергийно ниво в атома е известно като валентната обвивка и електроните, поставени в тази черупка, са известни като валентни електрони.

Тези електрони се намират главно в образуването на връзки и в химичната реакция с други атоми. Следователно валентните електрони са отговорни за различни химични и физични свойства на елемента (Valence Electrons, SF).

Азотът, както бе споменато по-горе, има атомен номер на Z = 7. Това означава, че запълването на техните електрони в техните енергийни нива, или електронна конфигурация, е 1S2 2S2 2P3.

Трябва да се помни, че в природата атомите винаги се стремят да имат електронна конфигурация на благородни газове, като печелят, губят или споделят електрони.

В случая на азот благородният газ, който се стреми да има електронна конфигурация, е неон, чийто атомен номер е Z = 10 (1S2 2S2 2P6) и хелий, чийто атомен номер е Z = 2 (1S2) (Reusch, 2013),

Различните начини, по които азотът трябва да се комбинира, ще му дадат своята валентност (или състояние на окисление). В конкретния случай на азот, който е във втория период на периодичната таблица, не може да разшири своя валентен слой, както другите елементи на вашата група.

Очаква се той да има валенции от -3, +3 и +5. Азотът обаче има валентни състояния, вариращи от -3, както при амоняк и амини, до + 5, както при азотната киселина. (Tyagi, 2009).

Теорията за валентните връзки спомага да се обясни образуването на съединения, съгласно електронната конфигурация на азота за дадено състояние на окисление. За това трябва да вземем предвид броя на електроните във валентния слой и колко е необходимо да се получи конфигурация на благородния газ.

Азотни съединения

Предвид големия си брой окислителни състояния, азотът може да образува голям брой съединения. В първия случай трябва да се помни, че в случая на молекулен азот по дефиниция неговата валентност е 0.

Състоянието на окисление -3 е един от най-често срещаните за елемента. Примери за съединения с това окислително състояние са амоняк (NH3), амини (R3N), амониев йон (NH4 +), имини (С = NR) и нитрили (CN).

Състоянието на окисление -2, азотът остава със 7 електрона в неговата валентна обвивка. Този нечетен брой електрони във валентната обвивка обяснява защо съединенията с това окислително състояние имат свързваща връзка между два азота. Примери за съединения с това окислително състояние са хидразини (R2NNR2) и хидразони (С = NNR2).

В окислителното състояние -1 азотът остава с 6 електрона във валентната обвивка. Пример за азотни съединения с тази валентност са хидроксил амин (R2NOH) и азо съединения (RN = NR).

При позитивните окислителни състояния азотът обикновено се свързва с кислородни атоми, образуващи оксиди, оксизоли или оксациди. За случая на окислително състояние +1 азотът има 4 електрона в своята валентна обвивка.

Примери за съединения с тази валенция са динитрогенен оксид или смешен газ (N2O) и азотни съединения (R = NO) (Reusch, Oxidation States of Nitrogen, 2015).

За състоянието на окисление +2, един пример е азотен оксид или азотен оксид (NO), безцветен газ, получен при реакцията на метали с разредена азотна киселина. Това съединение е силно нестабилен свободен радикал, тъй като реагира с О2 във въздуха, за да образува NO2 газ.

Нитрити (NO ₂ -) в основен разтвор и азотиста киселина (HNO ₂ ) в киселинен разтвор са примери за съединения с окислително състояние +3. Те могат да бъдат окислителни агенти, които обикновено произвеждат NO (g) или редуциращи агенти, за да образуват нитратен йон.

Динитронен триоксид (N2O3) и нитрогрупа (R-NO2) са други примери на азотни съединения с валентност +3.

Азотният диоксид (NO2) или азотният диоксид е азотно съединение с валентност +4. Това е кафяв газ, който обикновено се получава чрез реакция на концентрирана азотна киселина с много метали. Димеризира се до образуване на N2O4.

В състояние +5 откриваме нитрати и азотна киселина, които са окислители в киселинни разтвори. В този случай азотът има 2 електрона във валентната обвивка, които са в орбиталната 2S. (Окислителни състояния на азот, SF).

Съществуват също така съединения като нитрозилазид и динитроген триоксид, където азотът има няколко окислителни състояния в молекулата. В случая на нитрозилазид (N4O) азотът има валенция -1, 0, + 1 и +2; и в случая на динитроген триоксид, той има валентност +2 и +4.

Номенклатура на азотни съединения

Като се има предвид сложността на химията на азотните съединения, традиционната номенклатура не беше достатъчна, за да ги назове, да не говорим за адекватното им идентифициране. Ето защо, наред с други причини, международният съюз на чистата и приложна химия (IUPAC за неговия акроним на английски) създаде систематична номенклатура, в която съединенията се наричат ​​според количеството атоми, които съдържат.

Това е полезно, когато става въпрос за именуване на азотни оксиди. Например азотен оксид ще бъде наречен азотен моноксид и азотен оксид (NO) динитронов монооксид (N ₂ O).

Освен това, през 1919 г., немският химик Алфред Сток разработи метод за назоваване на химичните съединения въз основа на състоянието на окисление, което е написано с римски цифри, затворени в скоби. Така например, азотният оксид и азотният оксид ще се наричат ​​съответно азотен оксид (II) и азотен оксид (I) (IUPAC, 2005).