§ 23. Характеристика азота и фосфора. Физические и химические свойства азота

Определения и обозначения

Азот — химический элемент с порядковым номером 7, расположенный во втором периоде и 15-й группе периодической системы. В ядре его наиболее распространённого изотопа 7 протонов и 7 нейтронов, а вокруг ядра движутся 7 электронов. На внешнем уровне находятся пять электронов. Эти сведения помогают понять, почему азот образует разные соединения и какие заряды могут иметь его атомы в них.

Фосфор — химический элемент с порядковым номером 15, находящийся в третьем периоде и той же, 15-й, группе, что и азот. В нейтральном атоме фосфора 15 электронов, пять из них расположены на внешнем уровне. Поэтому азот и фосфор имеют сходство в некоторых химических свойствах, хотя их простые вещества отличаются. Сравнение этих элементов помогает увидеть, как положение в группе связано со строением атома.

Молекула азота N₂ — частица простого вещества, состоящая из двух атомов азота, соединённых прочной тройной связью. Индекс 2 показывает число атомов в молекуле, а не заряд. Обозначение N используют для одного атома, например при записи состава или строения вещества. Различение N и N₂ необходимо, чтобы верно записывать формулы и уравнения реакций.

Аллотропные модификации фосфора — разные простые вещества, образованные атомами одного химического элемента. К ним относятся белый и красный фосфор: их атомы связаны и расположены по-разному, поэтому вещества имеют неодинаковые свойства. Это понятие показывает, что один элемент может образовывать несколько простых веществ. При этом речь идёт не о разных элементах, а о разных формах существования фосфора.

Как это устроено

Азот и фосфор стоят в одной группе, потому что у их атомов одинаковое число электронов на внешнем уровне — пять. В химических реакциях внешние электроны определяют, как атомы связываются с другими атомами. Для азота характерны степени окисления от −3 до +5, а для фосфора часто встречаются −3, +3 и +5. Сходство внешнего уровня объясняет общие черты элементов, но не означает полного совпадения их свойств.

В свободном состоянии азот содержится главным образом в воздухе как молекулы N₂. Прочная связь между атомами делает такое существование устойчивым. Фосфор, напротив, в природе встречается в составе соединений, потому что его простое вещество достаточно активно и связывается с другими элементами. Важные природные соединения фосфора — фосфаты, например минералы, входящие в состав фосфоритов и апатитов.

Три общие электронные пары образуют в молекуле N₂ тройную связь, которую трудно разорвать. Поэтому до начала реакции нужно затратить значительную энергию на ослабление этой связи. При обычных условиях большинство столкновений молекул с другими частицами не приводит к реакции. Нагревание или особые условия помогают преодолеть энергетический барьер, то есть необходимый начальный порог энергии.

Азот — бесцветный газ без запаха и вкуса, малорастворимый в воде; он немного легче воздуха. Эти свойства связаны с тем, что вещество состоит из небольших неполярных молекул N₂, между которыми действуют сравнительно слабые притяжения. Поэтому при обычной температуре азот остаётся газом, а вода слабо притягивает его молекулы. Не следует путать малую растворимость с полной нерастворимостью.

При обычных условиях азот малоактивен, однако подходящие условия позволяют ему реагировать. С водородом при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора он образует аммиак: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. При высокой температуре азот соединяется с кислородом: N₂ + O₂ → 2NO; стрелка показывает образование оксида азота(II). С металлом магнием при нагревании получается нитрид магния: 3Mg + N₂ → Mg₃N₂; коэффициенты обеспечивают равное число атомов каждого элемента по обе стороны уравнения.

Сравнительная характеристика азота и фосфора и свойства азота

Сначала сравнивайте положение элементов и внешний электронный уровень: так можно найти причины сходства. Затем сопоставляйте простые вещества и их поведение — одинаковая группа не означает одинаковых физических свойств. В строках о фосфоре учитывайте, что его свойства зависят от аллотропной модификации.

Разбор задач

Задача 1. Запишите формулу простого вещества азота и уравнение его реакции с водородом с образованием аммиака. Сначала важно указать именно частицу простого вещества, а затем уравнять число атомов. В формуле продукта один атом азота и три атома водорода — NH₃. Ответ: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃.

1. Простое вещество азот состоит из двухатомных молекул, поэтому его формула — N₂.
2. Записываем схему N₂ + H₂ → NH₃ и ставим коэффициент 2 перед NH₃, чтобы уравнять два атома азота.
3. В двух молекулах NH₃ содержится шесть атомов водорода, поэтому перед H₂ ставим коэффициент 3. Получаем N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃.

Задача 2. Составьте уравнение реакции азота с кислородом при высокой температуре, если образуется оксид азота(II). Римская цифра II означает степень окисления кислорода в названии оксида; формула соединения — NO. Учитываем двухатомные молекулы азота и кислорода, а затем уравниваем число атомов. Ответ: N₂ + O₂ → 2NO.

1. Записываем формулы реагентов N₂ и O₂, а продукта — NO.
2. Слева по два атома азота и кислорода, поэтому справа ставим коэффициент 2 перед NO.
3. Проверяем баланс: с обеих сторон по два атома каждого элемента. Реакция идёт при высокой температуре, а не при обычных условиях.

Задача 3. Магний массой 12 г полностью прореагировал с азотом. Найдите массу нитрида магния Mg₃N₂. По уравнению 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ видно, что три моля магния дают один моль продукта. Используем эту пропорцию после нахождения количества вещества магния; примем M(Mg) = 24 г/моль и M(Mg₃N₂) = 100 г/моль. Ответ округлим до десятых долей грамма.

1. Уравнение реакции: 3Mg + N₂ → Mg₃N₂.
2. Находим количество магния: n(Mg) = m/M = 12 г ÷ 24 г/моль = 0,5 моль.
3. По коэффициентам 3 моль Mg соответствуют 1 моль Mg₃N₂, значит n(Mg₃N₂) = 0,5 ÷ 3 = 1/6 моль.
4. Вычисляем массу продукта: m = nM = 1/6 × 100 г/моль ≈ 16,7 г.

Типичные ошибки

Ошибка: записывать простое вещество азот как N. Так бывает, если символ элемента принимают за формулу вещества, но свободный азот состоит из молекул N₂. Проверьте себя: в условии говорится об атоме или о простом веществе? Для молекулы и реагента в обычном уравнении используйте N₂.

Ошибка: считать азот абсолютно инертным, то есть неспособным вступать в реакции. Его называют малоактивным при обычных условиях из-за прочной тройной связи, а не потому, что реакций не бывает. Проверьте, указаны ли нагревание или другие специальные условия: азот реагирует с водородом, кислородом и некоторыми металлами.

Ошибка: смешивать химический элемент азот с простым веществом азотом. Элемент — это вид атомов, а простое вещество — материал из молекул N₂; путаница возникает, потому что для обоих используют слово «азот». Чтобы проверить себя, уточните, говорится ли о положении в таблице и атомах или о формуле газа и его свойствах.

Ошибка: ожидать, что азот и фосфор имеют одинаковые свойства, раз стоят в одной группе. Одинаковое число внешних электронов объясняет сходство, но атомы отличаются размерами и строением электронных оболочек. При сравнении проверьте отдельно свойства атомов и простых веществ: не переносите характеристику N₂, например, на белый или красный фосфор.

Связь с другими темами

Для этой темы понадобятся знания о строении атома, электронных уровнях и периодической системе: они помогают сравнить азот с фосфором. Также нужно уметь составлять формулы, определять степени окисления и уравнивать реакции, чтобы правильно описывать свойства азота и выполнять расчёты. Эти умения пригодятся при изучении соединений азота и фосфора, круговорота элементов в природе и промышленного производства аммиака.

Что запомнить

• Азот и фосфор — элементы одной группы периодической системы.
• На внешнем электронном уровне их атомов находится по пять электронов.
• Формула простого вещества азота — N₂.
• Прочная тройная связь в N₂ объясняет низкую химическую активность азота при обычных условиях.
• Азот — бесцветный газ, малорастворимый в воде.
• При подходящих условиях азот реагирует с водородом, кислородом и некоторыми металлами.
• Фосфор образует несколько аллотропных модификаций.