"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Азот — химический элемент с символом N и простое вещество, образованное молекулами N₂. Он составляет большую часть воздуха, входит в состав живых организмов и важных соединений, например аммиака. В атоме азота семь электронов, а в молекуле N₂ атомы связаны прочной тройной связью. Поэтому газ при обычных условиях малоактивен, хотя при подходящих условиях реагирует с водородом, кислородом и некоторыми металлами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химический элемент азот — это вид атомов с зарядом ядра +7; его обозначение — N. В периодической таблице азот находится в 15-й группе и втором периоде. Это определение помогает отличать атомы азота от вещества, которое они образуют, и находить элемент в таблице.
Простое вещество азот — газ, состоящий из двухатомных молекул N₂. Слово «простое» означает, что вещество образовано атомами одного химического элемента. Формула N₂ нужна, чтобы показать состав частицы вещества: в каждой его молекуле два атома азота.
Молекула азота N₂ включает два атома, соединённые прочной тройной ковалентной связью. Ковалентной называют связь, возникающую благодаря общим для атомов электронным парам; в данном случае таких пар три. Это понятие объясняет, почему молекулу трудно разрушить и почему азот неохотно вступает в реакции.
Валентность показывает, сколько связей образует атом, а степень окисления — условный заряд атома в соединении. Для азота характерна валентность III, в некоторых соединениях встречается V; степени окисления могут быть от −3 до +5, а в N₂ равны 0. Различать эти характеристики нужно, чтобы правильно описывать строение соединений и не путать число связей с условным зарядом.
Порядковый номер азота равен 7, поэтому заряд его ядра составляет +7, а в нейтральном атоме находится семь электронов. Азот стоит во втором периоде, значит, электроны занимают два энергетических уровня: два — на первом и пять — на внешнем. Номер группы указывает на число внешних электронов для главных подгрупп, поэтому положение в 15-й группе согласуется с пятью электронами на внешнем уровне.
Электронное строение 2, 5 помогает понять свойства атома в соединениях. До устойчивой внешней оболочки ему не хватает трёх электронов, поэтому азот часто образует три связи и проявляет валентность III, например в аммиаке NH₃. В иных соединениях он может участвовать в образовании пяти связей, что соответствует валентности V. Если учитывать, к каким атомам условно относят общие электроны, у азота появляются различные степени окисления: от −3 до +5.
В атоме азота на внешнем уровне есть пять электронов, и при образовании молекулы N₂ каждый атом предоставляет электроны для трёх общих пар. Так возникают три ковалентные связи между атомами; обеим частицам становится энергетически выгоднее оставаться вместе, чем существовать отдельно. Разорвать эту связь трудно, поэтому для запуска многих реакций нужны нагревание или другие особые условия. Строение молекулы тем самым объясняет низкую химическую активность азота при обычных условиях.
Молекулы N₂ состоят только из двух атомов азота и не несут электрического заряда. Они слабо притягиваются друг к другу, поэтому при обычных условиях вещество газообразное, бесцветное и не имеющее запаха. Вода также слабо притягивает молекулы азота, поэтому газ растворяется в ней плохо. Эти свойства относятся к веществу в целом, а не к отдельному атому N.
Прочная связь в N₂ затрудняет начало реакции, но не делает азот абсолютно инертным. При подходящих температуре и давлении он соединяется с водородом: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃; в уравнении стрелка в обе стороны показывает обратимость реакции. При высокой температуре азот реагирует с кислородом: N₂ + O₂ → 2NO. С активными металлами, например магнием, он образует нитриды: 3Mg + N₂ → Mg₃N₂; условия реакции влияют на её скорость.
| Признак | Химический элемент азот | Простое вещество азот |
|---|---|---|
| Что обозначает | Вид атомов с зарядом ядра +7 | Вещество из атомов азота |
| Обозначение или формула | N | N₂ |
| Структурная частица | Атом азота | Молекула N₂ |
| Состав | Атомы с 7 протонами в ядре | Два атома азота в каждой молекуле |
| Характерные свойства | Свойства атомов проявляются в составе веществ | Газ без цвета и запаха, малоактивен при обычных условиях |
| Примеры, где встречается | В аммиаке, белках и других соединениях | В воздухе и в баллонах с азотом |
Сначала определите, говорится ли о виде атомов или о веществе с собственными свойствами. Затем проверьте запись: N обозначает элемент или атом, а N₂ — молекулу простого вещества. Такая проверка особенно полезна, когда азот упоминается в составе соединения.
Задача 1. Определите, где речь идёт о химическом элементе, а где — о простом веществе: N, N₂, азот в составе аммиака, газообразный азот воздуха. Важно смотреть не только на название, но и на то, обозначен ли атомный вид или отдельное вещество. Решим каждый случай по смыслу записи.
Запись N — это обозначение химического элемента азот; в уравнении она может указывать на один атом. Формулы молекулы здесь нет. Поэтому к простому веществу N₂ эту запись приравнивать нельзя.
N₂ — формула молекулы простого вещества: в ней два атома одного элемента. Азот в составе аммиака NH₃ — химический элемент в сложном веществе, а не свободное простое вещество. Газообразный азот воздуха — простое вещество из молекул N₂.
Ответ: N — обозначение химического элемента или атома; N₂ и газообразный азот воздуха — простое вещество; азот в аммиаке — химический элемент в составе соединения.
Задача 2. Запишите электронную схему атома азота и укажите число электронов на внешнем уровне. Порядковый номер элемента показывает число протонов, а для нейтрального атома — также общее число электронов. Распределим эти электроны по уровням, начиная с первого.
У азота порядковый номер 7, следовательно, у нейтрального атома семь электронов. На первом энергетическом уровне помещаются два электрона, поэтому запишем 2. Оставшиеся пять электронов расположим на втором уровне.
Электронная схема по энергетическим уровням — 2, 5. Значит, внешний уровень — второй, на нём находятся пять электронов. В более подробной записи электронная конфигурация имеет вид 1s² 2s² 2p³.
Ответ: электронная схема атома азота — 2, 5; на внешнем уровне пять электронов.
Задача 3. Составьте уравнения реакций азота с водородом и магнием, расставьте коэффициенты и определите тип каждой реакции. Сначала по известным формулам продуктов запишем схему: из азота и водорода образуется аммиак, а из азота и магния — нитрид магния. Затем подберём коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.
Формула аммиака — NH₃. Чтобы уравнять два атома азота из N₂, поставим коэффициент 2 перед NH₃; справа получится шесть атомов водорода, значит, слева нужно 3H₂. Уравнение: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃; это реакция соединения, поскольку из двух веществ образуется одно.
В нитриде магния формула Mg₃N₂, поэтому продукт содержит два атома азота и три атома магния. Молекула N₂ уже даёт нужные два атома азота, а перед магнием ставим коэффициент 3. Получаем 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ — реакцию соединения.
Ответ: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ — реакция соединения; 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ — реакция соединения. В обоих уравнениях число атомов каждого элемента одинаково до и после реакции, как требует закон сохранения атомов.
Ошибка — считать N и N₂ обозначениями одного и того же. Её допускают, потому что обе записи связаны с азотом, но N обозначает элемент или один атом, а N₂ — молекулу простого вещества. Проверьте, есть ли в формуле индекс 2 и говорится ли о частице вещества. В уравнении химической реакции следите за тем, чтобы записать именно молекулу, если реагирует газообразный азот.
Ошибка — приписывать газу свойства отдельного атома азота. Вещество азот состоит из молекул N₂, поэтому газообразное состояние, растворимость и химическая активность относятся к совокупности этих молекул. Путаница возникает, когда слово «азот» используют и для элемента, и для простого вещества. Чтобы проверить себя, уточните, обсуждаются ли атомы в составе соединения или образец газа.
Ошибка — считать азот абсолютно инертным. При обычных условиях он малоактивен, но при подходящих условиях взаимодействует, например, с водородом и активными металлами. Путаница связана с тем, что прочная тройная связь затрудняет начало реакции. Проверка простая: различайте «реагирует медленно или при особых условиях» и «не реагирует вообще».
Ошибка — смешивать валентность со степенью окисления. Валентность показывает число связей атома, а степень окисления — условный заряд, который может быть отрицательным, положительным или нулевым. Эти числа не обязаны совпадать, потому что описывают разные стороны строения вещества. Проверяйте себя вопросом: требуется указать число связей или условный заряд атома?
Чтобы понять положение азота в таблице и распределение его электронов, нужны знания о строении атома, периодическом законе и устройстве периодической системы. Представление о молекуле и химической связи помогает объяснять, почему сходные двухатомные вещества могут иметь разные свойства. Позднее строение и реакции азота понадобятся при изучении аммиака, оксидов азота и азотной кислоты. Азот также важен для темы круговорота веществ в природе и процессов, связывающих атмосферу с живыми организмами.
Чем химический элемент азот отличается от простого вещества азота?
Химический элемент азот — это вид атомов с зарядом ядра +7, его обозначают N. Простое вещество азот состоит из молекул N₂, каждая из которых включает два атома этого элемента.
Почему формулу азота записывают N₂, а не N?
В обычных условиях отдельные атомы азота соединяются попарно и образуют устойчивые двухатомные молекулы. Поэтому формула простого вещества — N₂, а N обозначает элемент или один атом.
Почему азот воздуха при обычных условиях малоактивен?
Два атома в молекуле N₂ удерживаются прочной тройной связью. Чтобы начать реакцию, эту связь нужно разорвать, поэтому азот обычно реагирует только при подходящих условиях.
Какие степени окисления может иметь азот в соединениях?
Степень окисления азота в соединениях может принимать значения от −3 до +5, например −3 в аммиаке и +5 в азотной кислоте. В простом веществе N₂ она равна нулю.
С какими веществами реагирует молекулярный азот?
При подходящих условиях азот реагирует с водородом, образуя аммиак, а при высокой температуре — с кислородом, образуя оксид азота(II). С активными металлами он образует нитриды, например нитрид магния.
§ 22. Азот как элемент и как простое вещество
