Oxid dusičitý
Obsah boxu
Šablona:Infobox - chemická sloučenina Oxid dusičitý (chemický vzorec NO₂) je anorganická sloučenina, která za normálních podmínek tvoří červenohnědý, vysoce toxický plyn s charakteristickým ostrým, štiplavým zápachem. Jedná se o významnou látku znečišťující ovzduší, která je klíčovou složkou fotochemického smogu a prekurzorem kyselých dešťů. V chemickém průmyslu je naopak nepostradatelným meziproduktem při výrobě kyseliny dusičné.
Oxid dusičitý existuje v chemické rovnováze se svým bezbarvým dimerem, oxidem dinitrotetraoxidem (N₂O₄). Tato rovnováha je silně závislá na teplotě. Molekula NO₂ je radikál, což jí propůjčuje vysokou reaktivitu.
🧪 Fyzikální a chemické vlastnosti
Oxid dusičitý je jedním z několika oxidů dusíku. Jeho molekula má lomený tvar s úhlem O–N–O přibližně 134,3°. Jelikož má lichý počet valenčních elektronů, jedná se o paramagnetický radikál. Tato skutečnost je zodpovědná za jeho vysokou reaktivitu a charakteristickou barvu, která je způsobena absorpcí světla v modré části viditelného spektra.
🌡️ Dimerizace
Nejvýraznější chemickou vlastností oxidu dusičitého je jeho tendence k dimerizaci za vzniku oxidu dinitrotetraoxidu (N₂O₄). Jedná se o vratnou exotermickou reakci:
- 2 NO₂ ⇌ N₂O₄ (ΔH = −57,23 kJ/mol)
Tato rovnováha je silně závislá na teplotě.
- Při nízkých teplotách (pod bodem mrazu) je rovnováha posunuta téměř úplně ve prospěch bezbarvého, diamagnetického N₂O₄, který tvoří pevnou látku.
- Se zvyšující se teplotou se N₂O₄ rozkládá a koncentrace červenohnědého NO₂ roste. Při pokojové teplotě je směs plynů zbarvena dohněda.
- Při teplotách nad 150 °C se NO₂ začíná dále rozkládat na bezbarvý oxid dusnatý (NO) a kyslík (O₂).
Tato teplotní závislost barvy je často využívána jako názorná ukázka principu chemické rovnováhy při výuce chemie.
⚛️ Reaktivita
Jako silné oxidační činidlo reaguje oxid dusičitý s mnoha látkami, včetně uhlovodíků a některých kovů.
Klíčová je jeho reakce s vodou, při které dochází k disproporcionaci za vzniku kyseliny dusičné a kyseliny dusité:
- 2 NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂
Kyselina dusitá je nestabilní a dále se rozkládá. Tato reakce je základem průmyslové výroby kyseliny dusičné a zároveň hlavním mechanismem vzniku kyselých dešťů v atmosféře.
🏭 Výroba a vznik
Oxid dusičitý vzniká přirozenými i antropogenními procesy.
🏢 Průmyslová výroba
V průmyslovém měřítku je NO₂ hlavním meziproduktem při výrobě kyseliny dusičné tzv. Ostwaldovým procesem. Proces začíná katalytickou oxidací amoniaku (NH₃) na oxid dusnatý (NO):
- 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O
Vzniklý oxid dusnatý se následně ochladí a nechá zreagovat se vzdušným kyslíkem na oxid dusičitý:
- 2 NO + O₂ → 2 NO₂
Tento oxid dusičitý je poté absorbován ve vodě, čímž vzniká kyselina dusičná.
🔥 Vznik při spalování
Nejvýznamnějším zdrojem antropogenního oxidu dusičitého jsou vysokoteplotní spalovací procesy. V spalovacích motorech automobilů, v tepelných elektrárnách a dalších průmyslových zařízeních dochází při vysokých teplotách k reakci mezi dusíkem a kyslíkem ze vzduchu:
- N₂ + O₂ → 2 NO
Vzniklý oxid dusnatý (NO) je pak v atmosféře rychle oxidován na oxid dusičitý (NO₂). Emise z dopravy a energetiky jsou tak hlavním zdrojem znečištění ovzduší oxidy dusíku (souhrnně označovanými jako NOx).
⚡ Přírodní zdroje
V přírodě vzniká oxid dusičitý v menších množstvích při bleskových výbojích, sopečné činnosti a biologickými procesy v půdě. Tyto zdroje však představují jen malý zlomek celkových emisí ve srovnání s lidskou činností.
🌍 Vliv na životní prostředí
Oxid dusičitý je jednou z nejvýznamnějších látek znečišťujících ovzduší s vážnými dopady na životní prostředí.
🌧️ Kyselé deště
Jak bylo zmíněno, NO₂ reaguje s vodní párou v atmosféře za vzniku kyseliny dusičné, která je jednou ze dvou hlavních složek kyselých dešťů (druhou je kyselina sírová). Kyselé deště poškozují lesy, okyselují půdu a vodní toky, což vede k úhynu ryb a dalších vodních organismů. Způsobují také korozi budov, soch a dalších materiálů.
💨 Fotochemický smog
NO₂ hraje ústřední roli ve vzniku fotochemického smogu, typického pro velká města se silnou automobilovou dopravou. Působením slunečního ultrafialového záření se molekula NO₂ fotolyticky štěpí:
- NO₂ + hν → NO + O
Vzniklý vysoce reaktivní atomární kyslík (O) reaguje s molekulou atmosférického kyslíku (O₂) za vzniku přízemního ozonu (O₃):
- O + O₂ → O₃
Přízemní ozon je silný oxidant, který poškozuje dýchací systém člověka i rostliny a je hlavní složkou smogu. Hnědá barva smogu je z velké části způsobena právě přítomností NO₂.
⚕️ Zdravotní rizika
Oxid dusičitý je pro člověka toxický plyn. Vdechování i nízkých koncentrací dráždí dýchací cesty.
- Krátkodobá expozice: Vyšší koncentrace mohou způsobit zánět průdušek a plic, kašel, dušnost a v extrémních případech i edém plic.
- Dlouhodobá expozice: Chronické vystavení nižším koncentracím, typickým pro znečištěná městská prostředí, je spojováno se snížením plicních funkcí, zvýšenou náchylností k respiračním infekcím a zhoršením astmatu a chronické bronchitidy. Ohroženy jsou zejména děti, starší osoby a lidé s již existujícími respiračními onemocněními.
Kvůli těmto rizikům stanovují organizace jako Světová zdravotnická organizace (WHO) a Evropská unie přísné imisní limity pro koncentrace NO₂ v ovzduší.
⚙️ Využití
Navzdory své toxicitě a negativním dopadům na životní prostředí má oxid dusičitý i významné průmyslové využití:
- Výroba kyseliny dusičné: Zdaleka nejdůležitější použití, více než 95 % vyrobeného NO₂ se spotřebuje na výrobu této klíčové průmyslové chemikálie, která slouží k výrobě hnojiv, výbušnin a dalších chemických produktů.
- Raketové palivo: Oxid dinitrotetraoxid (N₂O₄), který je v rovnováze s NO₂, se používá jako skladovatelné oxidační činidlo v raketových palivech, například v motorech raket Sojuz, Proton nebo v manévrovacích motorech raketoplánů.
- Nitrační činidlo: Využívá se v organické syntéze pro nitrační reakce.
- Sterilizace: V některých případech se používá ke sterilizaci lékařských nástrojů, které nesnesou vysoké teploty.
⚠️ Bezpečnost a regulace
Oxid dusičitý je klasifikován jako vysoce toxická a žíravá látka. Při manipulaci s ním je nutné dodržovat přísná bezpečnostní opatření, včetně použití ochranných prostředků dýchacích cest a zajištění dostatečného větrání. Jako významný polutant podléhají jeho emise přísné regulaci v legislativě většiny vyspělých zemí, včetně České republiky a celé Evropské unie.
Pro laiky
Představte si hnědý, štiplavě páchnoucí plyn, který můžete někdy vidět jako součást hnědého oparu (smogu) nad velkými městy. To je oxid dusičitý. Vzniká hlavně ve výfucích aut a v komínech továren a elektráren při spalování paliv za vysokých teplot.
V atmosféře má dva hlavní negativní dopady:
- Tvoří kyselé deště: Když se smíchá s dešťovou vodou, vzniká kyselina dusičná, která pak padá na zem a poškozuje lesy a budovy.
- Tvoří smog: Sluneční světlo ho rozkládá a spouští řetězec reakcí, na jehož konci je škodlivý přízemní ozon, který nám dráždí plíce a způsobuje dýchací potíže.
I když je to pro životní prostředí a naše zdraví škodlivina, v chemickém průmyslu je velmi důležitý. Je to klíčový meziprodukt pro výrobu kyseliny dusičné, ze které se vyrábí například důležitá hnojiva pro zemědělství.