Print bookPrint book

§ 36. Элементы VА-группы. Азот и фосфор

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 36. Элементы VА-группы. Азот и фосфор
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 10:16 PM

Азот и фосфор как химические элементы

Элементы VА-группы азот 7N и фосфор 15Р образуют простые вещества, относящиеся к неметаллам. К этой же группе периодической системы относят мышьяк 33As, сурьму 51Sb и висмут 83Bi. На внешнем электронном слое, общая конфигурация которого ns2np3, их атомы имеют по 5 электронов, из которых три неспаренных на р-подуровне:

7N 1s22s22p3
15P 1s22s22p63s23p3
7img
15img

Низшая степень их окисления равна ‒3, высшая +5, при этом фосфор чаще всего проявляет положительные степени окисления +3 и +5, а азот образует достаточно устойчивые соединения со степенями окисления +1, +2, +3, +4 и +5. Азот — третий по электроотрицательности элемент после кислорода и фтора, а фосфор незначительно уступает водороду (см. § 11, табл. 7, с. 60).

Распространённость азота и фосфора в природе

Среди элементов VА-группы на Земле наиболее распространён фосфор, его массовая доля — 0,1 %. Азота гораздо меньше, но он преобладает в атмосфере — объёмная доля 78 %, массовая — 75,5 %. Из немногочисленных минералов азота наиболее значимы селитры: NaNO3 — натриевая селитра и KNO3 — калийная селитра.

Фосфор на Земле встречается исключительно в виде соединений и входит в состав фосфоритов и апатитов (их основной компонент — фосфат кальция Ca3(PO4)2), а также фторапатитов Са5[РО4]3F.

Соединения азота и фосфора важны для живых организмов: азот как составная часть аминокислот и белков, фосфор — нуклеиновых кислот, АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), ферментов, костной системы. Для человека суточная потребность в фосфоре достаточно высока — от 1 г до 3,8 г в зависимости от возраста и физиологического состояния организма. При нагрузках потребность возрастает в 1,5–2 раза. Наиболее богаты фосфором ядра семян тыквы, подсолнечника, а также какао, печень, рыба, твёрдые сыры и другие молочные продукты. Недостаток в азоте и фосфоре зачастую испытывают растения. Для возделываемых культур эта проблема решается внесением удобрений.

Азот как простое вещество

Азот как простое вещество состоит из двухатомных молекул N2, графическая формула молекулы азота straight N identical to straight N. Атомы азота связаны между собой тремя ковалентными неполярными связями, причём одна из них — σ-связь и две π-связи (рис. 87).

img
Рис. 87. Строение молекулы азота: а — электронно-графическая схема, б — электронная формула, в — шаростержневая модель, г — схема перекрывания электронных облаков

Энергия связи в молекуле азота очень высока и составляет 945 кДж/моль (для сравнения: О2 — 494 кДж/моль, Cl2 — 243 кДж/моль), что свидетельствует о прочности связей, а значит, и большой химической инертности вещества. Действительно, в подавляющем большинстве реакции с участием азота протекают в «жёстких условиях» (при очень высоких температурах и давлениях).

Физические свойства. Небольшое значение относительной молекулярной массы (Мr(N2) = 28) и отсутствие полярности у молекул азота определяют низкие температуры кипения и плавления –196 °С и –210 °С. Азот — газ (н. у.) без цвета и запаха, почти не растворяется в воде.

Химические свойства. Азот в реакциях с кислородом и фтором проявляет свойства восстановителя, а с металлами и водородом — окислителя.

1. Азот как восстановитель. Реакция азота с кислородом протекает при температуре около 3000 °С — в электрической дуге или разряде молнии. Реакция является эндотермической. При этом образуется оксид азота(II):

straight N with 0 on top subscript 2 space plus space straight O subscript 2 stack space rightwards arrow over leftwards arrow with t on top space stack 2 straight N with plus 2 on top straight O space minus space Q.

2. Азот как окислитель. Реакция азота с водородом протекает при высокой температуре и давлении даже в присутствии катализаторов:

straight N with 0 on top subscript 2 space plus space 3 straight H subscript 2 space not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with t comma space p comma space кат. on top stack stack space 2 straight N with negative 3 on top straight H subscript 3 with аммиак below space plus space Q.

Реагируя с металлами (при повышенной температуре), азот образует бинарные соединения нитриды:

3 Mg space plus stack space straight N with 0 on top subscript 2 space equals with t on top space Mg subscript 3 straight N with negative 3 on top subscript 2 (нитрид магния).

С литием азот вступает в реакцию без нагревания:

6 Li space plus space straight N with 0 on top subscript 2 space end subscript equals space 2 Li subscript 3 straight N with negative 3 on top (нитрид лития).

img

Нитриды легко разлагаются водой, образуя аммиак и гидроксиды металлов:

begin mathsize 14px style Mg subscript 3 straight N subscript 2 space plus space 6 straight H subscript 2 straight O space equals space 3 Mg left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 not stretchy downwards arrow space plus space 2 NH subscript 3 not stretchy upwards arrow. end style

Азот получают в промышленных масштабах из сжиженного воздуха, в лаборатории в небольших количествах — разложением нитрита аммония:

begin mathsize 14px style NH subscript 4 NО subscript 2 stack space equals space with t on top straight N subscript 2 space plus space 2 straight H subscript 2 straight О. end style

Применение. Основная область применения азота — производство аммиака. Его используют также для создания инертной среды при хранении пищевых продуктов, произведений искусства и рукописей, в пожаротушении, лазерной резке металлов. Расширяется спектр его применения в медицине и косметологии, например криоконсервация клеток, криотерапия (удаление папиллом и гемангиом).

Фосфор как простое вещество

Фосфор, являясь элементом VА-группы, как и азот, способен образовывать молекулу состава P2. Однако, в отличие от молекулы азота, двухатомная молекула фосфора неустойчива. Поэтому фосфор существует в виде нескольких аллотропных модификаций, в которых реализуются лишь одинарные связи Р—Р: фосфор белый, красный, чёрный и другие (табл. 29).

Таблица 29. Строение и физические свойства аллотропных модификаций фосфора

Аллотропные модификации фосфора Строение Температура плавления Температура кипения

Р4 фосфор белый

img
Шаростержневая модель молекулы P4
44 °С 281 °С

Р фосфор красный

img
Фрагмент структуры красного фосфора
260 °С
Возгоняется при температуре около 400 °С

* Р фосфор чёрный

Фрагмент кристаллической решётки чёрного фосфора

При нагревании (атмосферное давление) превращается в красный фосфор 1000 °С (при 1,8 ∙ 106 атм)
img
Рис. 88. Фрагмент картины английского художника Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор»

Физические свойства. Белый фосфор Р4 представляет собой воскообразное вещество с чесночным запахом, ядовит. На воздухе в темноте светится зеленовато-жёлтым цветом в результате медленной химической реакции окисления (хемилюминесценция (рис. 88)).

Красный фосфор — аморфное вещество полимерного строения, не имеет запаха, его токсичность невысокая.

Между аллотропными модификациями фосфора возможны взаимопревращения, протекающие при определённых температурах и давлениях.

Химические свойства. Как окислитель фосфор при нагревании вступает в реакции с металлами, образуя фосфиды:

3 Mg space plus space 2 straight P with 0 on top stack space equals space with t on top Mg subscript 3 straight P with negative 3 on top subscript 2.

С водородом фосфор не реагирует.

Как восстановитель фосфор реагирует с кислородом и другими сильными окислителями. В чистом кислороде и на воздухе фосфор ослепительно горит, образуя белый дым (частицы твёрдых оксидов фосфора):

4 stack straight P space with 0 on top plus space 5 straight O subscript 2 space equals stack space 2 straight P with plus 5 on top subscript 2 straight O subscript 5 space plus space Q (оксид фосфора(V) в избытке кислорода);

4 stack straight P space with 0 on top plus space 3 straight O subscript 2 space end subscript equals space stack 2 straight P with plus 3 on top subscript 2 straight O subscript 3 space plus space Q (оксид фосфора(III) при недостатке кислорода).

Белый фосфор может самовоспламеняться на воздухе, а красный загорается лишь при поджигании, что объясняется различной прочностью химических связей между атомами фосфора в аллотропных модификациях.

img

Фосфор получают прокаливанием смеси фосфата кальция с песком и углём:

begin mathsize 14px style 2 Ca subscript 3 left parenthesis PO subscript 4 right parenthesis subscript 2 space plus space 6 SiO subscript 2 space plus space 10 straight C space equals with 1400 – 1600 space degree straight С on top space 6 CaSiO subscript 3 space plus space 10 CO space plus space straight P subscript 4. end style

Не реагируя с водородом непосредственно, фосфор тем не менее образует водородные соединения. Так, фосфин можно получить косвенно, например, из фосфидов, которые разрушаются как водой, так и кислотами: Mg3Р2 + 6H2O = 3Mg(ОН)2↓ + 2РH3.

Фосфин РH3 — газ с чесночным запахом.

В природе водородные соединения фосфора встречаются там, где происходит интенсивное разложение белковых веществ.

Применение. Белый фосфор используют для производства фосфорных кислот и их производных, в металлургии как компонент некоторых жаропрочных сплавов. Красный фосфор применяют в производстве спичек, в органическом синтезе (лекарственные препараты, ядохимикаты). Образцы фосфора, содержащие нуклид 32Р («меченый атом») с периодом полураспада 14,22 суток, используют в исследовательских работах.

Низшая степень окисления азота и фосфора –3, высшая +5.

Инертность простого вещества азот обусловлена наличием тройной связи в молекуле N2.

Фосфор существует в виде нескольких аллотропных модификаций: белый, красный и другие.

Азот и фосфор проявляют как восстановительные, так и окислительные свойства. Фосфор не реагирует с водородом.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите:

  • а) формулу простого вещества азот;
  • б) формулу белого фосфора;
  • в) низшую степень окисления азота;
  • г) высшую степень окисления фосфора;
  • д) особенности запаха белого фосфора;
  • е) аллотропную модификацию фосфора, используемого в производстве спичек;
  • ж) природные соединения фосфора;
  • з) химические формулы калиевой селитры, натриевой селитры;
  • и) содержание азота в воздухе.

2. Запишите символы элементов VA-группы и общую формулу их электронной конфигурации.

3. Охарактеризуйте электронное строение атомов азота и фосфора.

4. Опишите физические свойства азота и аллотропных модификаций фосфора.

5. Заполните таблицу для реагентов кислород, водород, литий, магний (впишите в своей тетради соответствующие уравнения возможных реакций).

Реагент N2 P

Сделайте выводы о сходстве и различии свойств азота и фосфора.

6. При взаимодействии кальция массой 0,9 г с азотом получено соединение массой 1,11 г. Установите химическую формулу соединения.

7. Фосфор окисляется хлором, азотной и серной кислотами. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в схемах этих реакций:

  • а) Р + Сl2 → PCl5;
  • б) Р + КСlO3 → P2O5 + KCl;
  • в) Р + HNO3(разб) + H2О → H3PO4 + NO;
  • г) Р + H2SO4(конц) → H3PO4 + SO2 + H2О.

8. Рассчитайте массу белого фосфора, который можно получить при прокаливании с песком и углём фосфорита, содержащего фосфат кальция массой 6,2 т, если выход продукта составляет 92 %. Реакция протекает согласно уравнению на с. 201.

9. Как влияет повышение температуры и давления на смещение равновесия в реакциях:

  • а) straight N subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space straight O subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space rightwards arrow over leftwards arrow space 2 NO subscript left parenthesis straight г right parenthesis space end subscript – space Q;
  • б) straight N subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space 3 straight H subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space rightwards arrow over leftwards arrow space 2 NH subscript 3 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space Q?

10. В замкнутый сосуд поместили водород химическим количеством 6 моль и азот количеством 4 моль и нагрели до 450 °С в присутствии катализатора. Определите объёмную долю аммиака в конечной смеси, если доля вступившего в реакцию азота равна 15 %.

*Самоконтроль

1. Тройную связь содержит молекула:

  • а) Н2;
  • б) N2;
  • в) Р4;
  • г) О2.

2. Фосфор как элемент характеризуют утверждения:

  • а) входит в состав костной ткани преимущественно в виде фосфата кальция;
  • б) высшая степень окисления равна +5;
  • в) красный фосфор является компонентом покрытия на спичечных коробках;
  • г) белый фосфор имеет молекулярное строение.

3. Фосфор не реагирует даже при нагревании с:

  • а) Мg;
  • б) Zn;
  • в) О2;
  • г) Н2.

4. Азот имеет положительную степень окисления в соединениях:

  • а) NO;
  • б) NaNO3;
  • в) КNO3;
  • г) Na3N.

5. Фосфор выступает в роли окислителя, реагируя с:

  • а) Na;
  • б) Zn;
  • в) Са;
  • г) Cl2.