§ 16. Общая характеристика элементов VA-группы. Азот

Определения и обозначения

Элементы VA-группы — элементы 15-й группы периодической системы с пятью электронами на внешнем уровне. К ним относятся азот N, фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb и висмут Bi. Это определение помогает предсказать строение их атомов и многие свойства.

Азот — химический элемент N с порядковым номером 7. Простое вещество азот состоит из двухатомных молекул N₂, поэтому запись N относится к атому или элементу, а N₂ — к веществу. Такое различие нужно для правильной записи формул и уравнений реакций.

Внешняя электронная конфигурация ns²np³ описывает строение внешнего уровня атомов элементов VA-группы. Буква n обозначает номер внешнего энергетического уровня, а верхние индексы показывают число электронов на подуровнях. Конфигурация объясняет сходство элементов группы и их способность образовывать связи.

Степени окисления элементов VA-группы — характерные значения −3, +3 и +5. Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении, если считать связи полностью ионными. Конкретное значение зависит от партнёров элемента и строения вещества.

Как это устроено

Номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне: у элементов VA-группы их пять. В конфигурации ns²np³ два электрона образуют электронную пару, а три электрона на p-подуровне остаются неспаренными. Поэтому атом может образовать три ковалентные связи, то есть связи за счёт общих электронных пар, например в NH₃.

Сверху вниз по группе к атому добавляются новые электронные слои. Радиус атома увеличивается, а притяжение внешних электронов к ядру ослабевает из-за расстояния и экранирования внутренними электронами. Поэтому электроотрицательность уменьшается, отдавать электроны становится легче, а металлические свойства усиливаются: азот и фосфор — неметаллы, мышьяк и сурьма проявляют промежуточные свойства, висмут — металл.

В соединениях с активными металлами или водородом атомы VA-группы обычно принимают три электрона, поэтому получают степень окисления −3. Если элемент соединён с кислородом или другим более электроотрицательным элементом, он может иметь положительные степени окисления +3 и +5. У тяжёлых элементов участие пары ns² в связях затрудняется, поэтому степень +3 вниз по группе становится устойчивее.

Азот особенно отличается от остальных элементов группы небольшим радиусом, высокой электроотрицательностью и отсутствием свободных d-орбиталей на внешнем уровне. Поэтому он способен проявлять степени окисления от −3 до +5, включая промежуточные значения. Например, в NH₃ азот имеет −3, в NO — +2, в NO₂ — +4, а в HNO₃ — +5.

В молекуле N₂ каждый атом предоставляет по три электрона для образования тройной связи N≡N. На разрыв такой связи требуется много энергии, поэтому молекулярный азот малоактивен при обычных условиях. Небольшие межмолекулярные силы объясняют его газообразное состояние, а отсутствие окрашенных частиц — бесцветность газа.

Сравнительная характеристика элементов VA-группы

Сначала по таблице находят положение элемента и его внешний уровень, затем сравнивают свойства в направлении сверху вниз. Формулы высших оксидов и гидридов показывают максимальную степень окисления и типичное соединение с водородом. Для висмута некоторые соединения, особенно BiH₃ и Bi₂O₅, малоустойчивы, поэтому формулы отражают общую закономерность группы.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите положение фосфора в периодической системе и запишите конфигурацию его внешнего уровня. Нужно связать порядковый номер с периодом и номер группы с числом валентных электронов. Фосфор имеет символ P и порядковый номер 15.

1. Порядковый номер 15 означает, что в нейтральном атоме 15 электронов.
2. Фосфор расположен в 3-м периоде и VA-группе, поэтому внешний уровень имеет номер 3.
3. Для элементов этой группы внешняя конфигурация имеет вид ns²np³, значит для фосфора это 3s²3p³.

Ответ: P — 15-й элемент, 3-й период, VA-группа; внешняя конфигурация 3s²3p³.

Задача 2

Условие: составьте формулы высшего оксида и водородного соединения азота, определите степени окисления. Высшая степень окисления азота равна +5, а в соединении с водородом азот обычно имеет −3. Формулы проверяем по электронейтральности молекул.

1. У кислорода степень окисления −2, поэтому для компенсации +5 берём два атома азота и пять атомов кислорода: N₂O₅.
2. В NH₃ три атома водорода имеют суммарно +3, значит азот имеет −3.
3. Проверка: 2 · (+5) + 5 · (−2) = 0 и (−3) + 3 · (+1) = 0.

Ответ: высший оксид N₂O₅, водородное соединение NH₃; степени окисления N равны +5 и −3.

Задача 3

Условие: какой объём N₂ при н. у. образуется при разложении 10,0 г NH₄NO₂? Реакция идёт по уравнению NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O. Сначала найдём количество нитрита аммония, затем используем соотношение веществ и молярный объём газа.

1. Молярная масса NH₄NO₂ равна 14 · 2 + 1 · 4 + 16 · 2 = 64 г/моль.
2. Количество вещества соли: n = m/M = 10,0/64 = 0,15625 моль.
3. По уравнению 1 моль NH₄NO₂ даёт 1 моль N₂, поэтому n(N₂) = 0,15625 моль.
4. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, значит V(N₂) = 0,15625 · 22,4 = 3,50 л.

Ответ: 3,50 л азота.

Типичные ошибки

Ошибка: считают, что номер VA-группы означает пять электронов на каждом энергетическом уровне. Пять валентных электронов находятся только на внешнем уровне, а внутренние слои могут содержать другое число электронов. Проверка: запишите конфигурацию элемента и выделите самый внешний уровень.

Ошибка: путают элемент N и простое вещество N₂. Один символ обозначает атом или вид атомов, а молекула газа содержит два связанных атома. Проверка: спросите себя, говорится ли о составе вещества или о порядковом номере элемента.

Ошибка: всем соединениям азота приписывают степень окисления −3. Так бывает только в соединениях, где азот более электроотрицателен, например в NH₃, но в NO₂ и HNO₃ он имеет положительные значения. Проверяйте степень окисления расчётом по сумме зарядов.

Ошибка: переносят свойства азота на всю группу без поправки на положение элемента. Вниз по группе растёт радиус, усиливаются металлические свойства и меняется устойчивость соединений. Сверяйте вывод с направлением изменения свойств, а не только с внешней конфигурацией.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодическом законе и электронных конфигурациях. Также важно уметь определять степени окисления, составлять формулы бинарных соединений и расставлять коэффициенты в уравнениях реакций. Эти навыки пригодятся при изучении аммиака, оксидов и кислот азота, удобрений, фосфора и окислительно-восстановительных реакций.

Что запомнить

• Элементы VA-группы имеют пять электронов на внешнем уровне и конфигурацию ns²np³.
• Сверху вниз по группе неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.
• Для элементов VA-группы характерны степени окисления −3, +3 и +5.
• Азот — неметалл с порядковым номером 7; его простое вещество имеет формулу N₂.
• В молекуле N₂ атомы соединены прочной тройной связью.
• Азот — бесцветный газ без запаха, составляющий основную часть атмосферного воздуха.
• Азот необходим для образования белков и используется в химической промышленности.