Элементы V группы главной подгруппы

К р-элементам V группы периодической системы элементов Д.И. Мен-делеева относятся азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; азот и фосфор являются типическими элементами подгруппы; мышьяк, сурьма и висмут образуют семейство мышьяка.

Сопоставляя некоторые свойства р-элементов V группы можно сделать вывод, что в ряду

N P As Sb

Эффективный атомный радиус увеличивается

Энергия сродства к электрону, энергия ионизации, электроотрицательность уменьшаются

Неметаллические свойства и окислительная способность уменьшаются

Металлические свойства и восстановительная способность увеличиваются

Несмотря на то, что элементы подгруппы характеризуются одинаковой структурой наружнего энергетического уровня электронных оболочек (ns²np³) по своим свойствам они значительно отличаются друг от друга, поэтому сначала мы рассмотрим азот и фосфор, а затем семейства мышьяка.

АЗОТ

Азот относится к р-электронному семейству (1s²2s²2p³), типичный неметаллический элемент, по электроотрицательности (3,0) уступает только фтору и кислороду. У азота четыре валентные орбитали, которые могут находиться в sр, sp² и sp³-гибридизации, при этом возможно образование одной и двух π - связей.

Азот в соединениях проявляет степени окисления: -3, -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5.

Распространение в природе

Содержание азота на Земле составляет 0,03 мол. доли, %. Основная его масса входит в состав атмосферы (78 объемных долей, %)в виде простого вещества, из минералов промышленное значение имеют NaNO₃ - чилийская и KNO₃- индийская селитры. Азот входит в состав белковых тел всех растительных и животных организмов.

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов ¹⁴N и ¹⁵N.

Азот представляет собой газ без цвета и запаха с температурой плавления − 209,86 °С и температурой кипения 195,8 °С. Растворимость азота в воде незначительна.

Молекула азота двухатомна (N₂), и атомы в ней связаны одной и двумя -связями, d_N=N = 1,095 А°. Энергия ее диссоциации − 940 кДж/моль, вследствие этого молекула N₂ очень прочна.

Азота химически малоактивен. При повышенной температуре он реагирует с кальцием и некоторыми другими металлами. С кислородом при 3000 ⁰С азот образует оксид азота (II) NO. С водородом он взаимодействует только при повышенном давлении и при участии катализаторов. С галогенами и серой азот непосредственно не соединяется, а с раскаленным коксом образует дициан (CN)₂.

В промышленности азот получают фракционной перегонкой жидкого воздуха.

В лаборатории азот получают термическим разложением нитрита аммония:

NH₄NO₂=N₂+2H₂O.

Соединения азота в степени окисления –3

При высоких температурах азот окисляет многие неметаллы и металлы, образуя нитриды:

3Mg+N₂=Mg₃N₂

3B+N₂=2BN

3H₂+N₂ 2NH₃.

Аммиак NH₃ представляет собой бесцветный газ с характерным запахом, почти в два раза легче воздуха. Будучи охлажден до –33⁰ С, он сжижается при обыкновенном давлении, а при –78 ⁰ С затвердевает. Молекула NH₃ имеет форму тригональной пирамиды с углом связи 107,3⁰. Вследствие sр³-гибридизации валентных орбиталей атома азота, не связывающее электронное облако отчетливо ориентированно в пространстве:

Поэтому молекула NH₃ – резко выраженный донор электронной пары и обла-

дает высокой полярностью ( =1,46 Д). Наличие связывающей электронной пары и высокая полярность связи N-H обуславливают между молекулами водородную связь. Поэтому температура плавления и кипения аммиака довольно высокая, он легко сжижается и имеет высокую теплоту испарения. На этом основано его применение в холодильных машинах.

H N…H-N…H-N… - ассоциированная молекула аммиака

H H H

Аммиак очень хорошо растворим в воде: в одном объеме воды при 20 °С растворяется 700 объемов аммиака, а при О °С − около 1200 объемов. Высокая

растворимость аммиака в воде обусловлена возникновением водородных связей между молекулами аммиака и воды:

NH₃+H₂O NH₃ H₂O NH₄OH.

Появление гидроксильных групп создает щелочную среду. Но, как видно из значения константы ионизации, эта реакция протекает в незначительной степени:

=1,8.10^-5.

10 %-й раствор аммиака в воде называют нашатырным спиртом.

Получение аммиака

В промышленности аммиак получают синтезом из простых веществ

N₂+3H₂ 2NH₃+ 92 кДж/моль.

В соответствии с принципом Ле -Шателье процесс проводят при давлении 10⁷- 10 ⁸ Па. Для ускорения реакции применяют катализатор (обычно железо) и нагревание до 400-500 °С.

В лаборатории его получают действием щелочей на аммонийные соли при нагре-вании:

2NH₄Cl+Ca(OH)₂=2NH₃ +CaCl₂+2H₂O

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: