§ 18. Азот и фосфор

Определения и обозначения

Азот — химический элемент 15-й группы, простое вещество которого существует главным образом в виде двухатомных молекул N₂. Формула обозначает частицу из двух атомов азота, а не отдельный химический элемент; это различие нужно, чтобы правильно читать уравнения реакций и рассчитывать количества веществ.

Фосфор — химический элемент 15-й группы, образующий несколько аллотропных модификаций простого вещества. Поэтому запись «фосфор» может относиться к элементу в составе соединения или к одному из его простых веществ; конкретную форму уточняют по условиям и свойствам.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Это понятие помогает объяснить, почему вещества из атомов одного элемента могут выглядеть и вести себя по-разному, не превращаясь при этом в разные химические элементы.

Аллотропные модификации фосфора — белый, красный и другие виды фосфора, отличающиеся строением, активностью и токсичностью. Название модификации важно указывать при описании реакции или физического свойства: особенности белого фосфора нельзя автоматически приписывать красному.

Как это устроено

Атомы азота и фосфора имеют по пять электронов на внешнем уровне: их общая электронная конфигурация внешнего слоя — ns²np³. Для завершения внешнего уровня атому не хватает трёх электронов, поэтому в соединениях возможна степень окисления −3; при образовании связей с более электроотрицательными элементами проявляются положительные степени окисления вплоть до +5. Принадлежность к одной группе объясняет сходство, но различия в размере атомов и строении частиц влияют на устойчивость соединений и активность.

В молекуле N₂ атомы соединены прочной тройной связью, на разрыв которой требуется много энергии. Из-за этого азот при обычной температуре малоактивен и реагирует главным образом при нагревании, повышенном давлении или в присутствии катализатора. У фосфора нет такой прочной двухатомной молекулы: белая модификация состоит из молекул P₄, а другие модификации имеют более протяжённое строение. Напряжённая структура P₄ делает белый фосфор реакционноспособным.

Различие строения частиц отражается на физических свойствах. Азот при обычных условиях — бесцветный газ, а белый и красный фосфор — твёрдые вещества; белый фосфор мягкий, воскообразный и светится в темноте, красный — порошкообразный. Белый фосфор растворяется в сероуглероде, но не растворяется в воде, под которой его хранят, чтобы ограничить контакт с воздухом. Он ядовит, тогда как красный фосфор существенно менее токсичен и менее склонен к самовоспламенению.

При нагревании азот реагирует с активными металлами с образованием нитридов, например 3Mg + N₂ → Mg₃N₂; фосфор образует фосфиды, например 3Ca + 2P → Ca₃P₂. Прямой синтез аммиака из азота и водорода проводят при повышенных температуре и давлении на катализаторе: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Фосфин PH₃ обычно получают не прямым соединением простых веществ, а из фосфидов. В кислороде фосфор сгорает до оксидов P₄O₆ или P₄O₁₀, а азот образует оксиды при высоких температурах; при реакции оксидов с водой возникают кислоты, поэтому кислотный характер оксидов возрастает.

В природе азот встречается главным образом в атмосфере в виде N₂, а фосфор — в составе фосфатов, например апатитов и фосфоритов. Азот получают разделением жидкого воздуха, фосфор — восстановлением фосфатного сырья углеродом в промышленной печи. Азот используют для синтеза аммиака и создания инертной среды, фосфор — для получения кислот и других соединений. Оба элемента входят в важные для жизни вещества, а соединения азота и фосфора применяют в удобрениях.

Сравнительная характеристика азота и фосфора

Сравнивайте элементы по одной строке за раз: так видно, какие свойства связаны с общей группой, а какие — с устройством простого вещества. Формулы в таблице относятся к частицам конкретной модификации, а не заменяют обозначения химических элементов.

Разбор задач

Определите степени окисления азота и фосфора в соединениях NH₃, HNO₃, PH₃ и H₃PO₄

Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном соединении равна нулю. В школьных расчётах водород обычно принимают за +1, кислород — за −2; неизвестное значение обозначим x и составим равенство для всей формулы.

1. В NH₃: x + 3 · (+1) = 0, поэтому x = −3. Степень окисления азота равна −3.
2. В HNO₃: (+1) + x + 3 · (−2) = 0, откуда x = +5. Степень окисления азота равна +5.
3. В PH₃: x + 3 · (+1) = 0, значит x = −3. Степень окисления фосфора равна −3.
4. В H₃PO₄: 3 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0, поэтому x = +5. Степень окисления фосфора равна +5.

Проверка: в каждом случае найденное значение вместе со степенями окисления остальных атомов даёт сумму 0, как и требуется для нейтральной молекулы. Ответ: N — −3 в NH₃ и +5 в HNO₃; P — −3 в PH₃ и +5 в H₃PO₄.

Составьте уравнения реакций азота и фосфора с кислородом, а также фосфора с хлором; укажите условия и продукты

Продукт реакции зависит от активности вещества и количества реагента. Азот соединяется с кислородом только при высокой температуре, а фосфор горит уже при поджигании; при недостатке или избытке кислорода получаются разные оксиды. С хлором фосфор также образует разные продукты в зависимости от соотношения реагентов.

1. Азот с кислородом при высокой температуре: N₂ + O₂ → 2NO. Уравнение сбалансировано: слева и справа по два атома каждого элемента; образуется оксид азота(II).
2. Фосфор при недостатке кислорода: P₄ + 3O₂ → P₄O₆. При избытке кислорода: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀. Это соответственно оксид фосфора(III) и оксид фосфора(V); формулы также можно записывать как P₂O₃ и P₂O₅.
3. При ограниченном количестве хлора: P₄ + 6Cl₂ → 4PCl₃; при избытке хлора: P₄ + 10Cl₂ → 4PCl₅. Получаются хлорид фосфора(III) и хлорид фосфора(V).

Во всех уравнениях число атомов каждого элемента слева и справа совпадает. Ответ: азот при высокой температуре даёт NO; фосфор с кислородом — P₄O₆ или P₄O₁₀, с хлором — PCl₃ или PCl₅ в зависимости от количества реагента.

Из 31 г фосфора получили фосфорную кислоту с выходом 80%. Рассчитайте массу полученной кислоты

Сначала составим цепочку превращений: фосфор окисляется до оксида фосфора(V), затем оксид взаимодействует с водой. Суммарно четырём атомам фосфора соответствуют четыре молекулы H₃PO₄, то есть соотношение количества вещества P и H₃PO₄ равно 1:1.

1. Уравнения: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀; P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄.
2. Количество фосфора: n(P) = m/M = 31 г / 31 г/моль = 1 моль.
3. По соотношению 1:1 теоретически получится 1 моль H₃PO₄. Её молярная масса: M(H₃PO₄) = 3 · 1 + 31 + 4 · 16 = 98 г/моль, поэтому теоретическая масса равна 98 г.
4. Практическая масса с учётом выхода: 98 г · 0,80 = 78,4 г.

Проверяем смысл результата: выход меньше 100%, поэтому фактическая масса кислоты должна быть меньше теоретических 98 г. Ответ: 78,4 г H₃PO₄.

Типичные ошибки

Считать азот и фосфор одинаковыми по свойствам только потому, что они находятся в одной группе, — ошибка: общность внешнего электронного слоя не отменяет различий в размерах атомов и строении простых веществ. Так рассуждают, перенося сходство химических формул на все свойства. Проверяйте себя сравнением конкретных частиц и условий реакции: N₂ малоактивен, а белый фосфор заметно активнее.

Путать простые вещества N₂ и P₄ с химическими элементами — значит смешивать частицу и вид атомов. Эту ошибку допускают, когда не различают запись формулы простого вещества и название элемента в составе соединения. Проверка: в уравнении реакции указывайте формулу реально существующей частицы, а в рассуждении о составе вещества называйте элемент.

Приписывать красному фосфору свойства белого неверно, потому что их строение различается. Ошибка возникает, если запомнить только общее название элемента и не уточнять модификацию. Сверяйте по таблице: белый фосфор более активен, ядовит и хранится под водой; красный менее токсичен и менее склонен к воспламенению.

Нельзя считать, что у азота или фосфора только одна степень окисления: в разных соединениях значения меняются. Часто путаются, если переносят степень из знакомой формулы на другую или забывают заряд частицы. Проверяйте результат уравнением суммы: для нейтральной молекулы сумма степеней окисления равна нулю, для иона — его заряду.

Связь с другими темами

Для изучения свойств азота и фосфора понадобятся знания о строении атома, периодическом законе, химической связи и степенях окисления. Умение составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций помогает разбирать превращения простых веществ и их соединений. Тема подготавливает к изучению аммиака, азотной и фосфорной кислот, солей и минеральных удобрений.

Соединения этих элементов важны для биогенных процессов и круговорота веществ в природе. Те же знания используют, чтобы объяснять промышленный синтез, применение удобрений и экологические последствия избытка соединений азота и фосфора.

Что запомнить

• Азот и фосфор относятся к 15-й группе и имеют по пять электронов на внешнем уровне.
• Простое вещество азот — двухатомный газ N₂; его молекула отличается высокой прочностью связи.
• Фосфор имеет несколько аллотропных модификаций, важнейшие из которых — белый и красный фосфор.
• Фосфор обычно активнее азота при обычных условиях.
• Азот и фосфор образуют соединения со степенями окисления от −3 до +5.
• Соединения азота и фосфора необходимы живым организмам и широко применяются в сельском хозяйстве.
• Свойства простых веществ определяются не только положением элементов в Периодической системе, но и строением их частиц.