22. Азот и фосфор

Определения и обозначения

Азот — химический элемент 15-й группы периодической системы, обозначается N и имеет порядковый номер 7. В природе простое вещество азот существует главным образом как двухатомные молекулы N₂. Такое обозначение сразу показывает, что в одной молекуле соединены два атома азота.

Фосфор — химический элемент 15-й группы, обозначается P и имеет порядковый номер 15. Его простое вещество может иметь несколько вариантов строения, поэтому фосфор встречается в разных аллотропных формах. Это объясняет, почему вещества одного элемента могут заметно различаться по цвету и активности.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. У фосфора известны белый, красный и чёрный фосфор. Термин помогает не путать эти вещества с разными элементами: состав атомов у них один и тот же, а устройство частиц различно.

Оксиды азота и фосфора — бинарные соединения, состоящие из атомов соответствующего элемента и кислорода. Например, при степени окисления фосфора +3 записывают P₂O₃, а при +5 — P₂O₅; у азота возможны NO и N₂O₅. Поэтому формулу оксида выбирают с учётом степени окисления элемента, а не только названия вещества.

Как это устроено

Азот и фосфор расположены в одной группе, потому что на внешнем уровне их атомы имеют одинаковую общую схему: ns²np³, то есть пять электронов. Для завершения внешнего уровня им не хватает трёх электронов, поэтому они могут образовывать три связи и проявлять степень окисления −3. В соединениях с более электроотрицательными элементами возможны также положительные степени окисления, особенно +3 и +5.

Молекула N₂ очень прочна: между атомами азота существует тройная связь. Чтобы разорвать её и начать химическое превращение, нужна значительная энергия, поэтому азот малоактивен при обычной температуре. При нагревании, электрическом разряде или в присутствии подходящего катализатора реакция становится возможной, например N₂ + 3H₂ → 2NH₃.

Белый фосфор состоит из отдельных молекул P₄, в которых атомы образуют напряжённую замкнутую структуру. Из-за такого строения он легко вступает в реакции, ядовит и может воспламеняться на воздухе, поэтому его хранят под водой. В красном фосфоре атомы связаны в более протяжённую структуру, из-за чего он менее активен и безопаснее; чёрный фосфор имеет слоистое строение и наименьшую химическую активность.

При взаимодействии с кислородом азот при подходящих условиях образует оксиды: N₂ + O₂ → 2NO, а затем 2NO + O₂ → 2NO₂. Фосфор горит значительно легче: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅, причём образуется оксид фосфора(V). С металлами азот может образовывать нитриды, например 6Li + N₂ → 2Li₃N, а фосфор — фосфиды: 3Ca + 2P → Ca₃P₂.

В атмосфере азот составляет около 78 % объёма воздуха и входит в состав природных соединений, а фосфор встречается главным образом в минералах и горных породах. В организмах азот необходим для белков и нуклеиновых кислот, фосфор — для костной ткани, зубов и переноса энергии в клетках. В сельском хозяйстве соли азотной и фосфорной кислот используют как минеральные удобрения, а промышленность получает из них важные материалы и реагенты.

Сравнение азота и фосфора

Сначала сравните положение элементов и строение внешнего уровня: это объясняет сходство их химических свойств. Затем сопоставьте простые вещества и условия реакций, чтобы увидеть влияние строения частиц на активность.

Последняя строка показывает практическое значение элементов. Если нужно определить формулу соединения, сверяйте не только название элемента, но и его степень окисления.

Разбор задач

Число электронов на внешнем уровне

Условие: определите число электронов на внешнем уровне атомов азота и фосфора по их положению в периодической системе. Оба элемента находятся в 15-й группе, поэтому у них одинаковое число внешних электронов. Для проверки можно записать электронные формулы внешних слоёв.

1. Номер группы для элементов главных подгрупп показывает число электронов на внешнем уровне.
2. Азот имеет внешний слой 2s²2p³: 2 + 3 = 5 электронов.
3. Фосфор имеет внешний слой 3s²3p³: 2 + 3 = 5 электронов.

Ответ: у атомов азота и фосфора по 5 электронов на внешнем уровне.

Реакция фосфора с кислородом

Условие: составьте уравнение реакции фосфора с кислородом и расставьте коэффициенты. При полном горении образуется оксид фосфора(V), который в школьной записи имеет формулу P₂O₅. Сначала записывают схему реакции, затем выравнивают количество атомов каждого элемента.

1. Записываем: P + O₂ → P₂O₅.
2. Перед P₂O₅ ставим 2, чтобы получить 4 атома фосфора справа, а перед P ставим 4.
3. Справа теперь 10 атомов кислорода, поэтому перед O₂ ставим 5.

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.

Масса оксида фосфора

Условие: при полном сгорании 6,2 г фосфора образуется оксид фосфора(V). Найдите массу оксида. Используем уравнение 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ и молярные массы: M(P) = 31 г/моль, M(P₂O₅) = 142 г/моль.

1. Находим количество вещества фосфора: n(P) = 6,2 / 31 = 0,2 моль.
2. По уравнению из 4 моль P получается 2 моль P₂O₅, значит n(P₂O₅) = 0,2 · 2 / 4 = 0,1 моль.
3. Вычисляем массу оксида: m(P₂O₅) = 0,1 · 142 = 14,2 г.

Ответ: масса полученного оксида фосфора(V) равна 14,2 г.

Типичные ошибки

Азот в воздухе считают атомарным N. Ошибка возникает из-за того, что в названии элемента используется один символ. Проверяйте формулу простого вещества: основная часть газообразного азота состоит из молекул N₂.

Малую активность азота объясняют полной неспособностью реагировать. Причина не в невозможности реакций, а в прочной тройной связи в N₂. Проверьте себя на примере синтеза аммиака: N₂ вступает в реакцию с водородом при подходящих условиях.

Белый и красный фосфор считают разными элементами. Их путают из-за различий во внешнем виде и свойствах. Название «аллотропная форма» подсказывает, что речь идёт об одном элементе с разным строением.

Формулу оксида записывают без учёта степени окисления. Поэтому путают, например, P₂O₃ и P₂O₅ или разные оксиды азота. Сначала определите степень окисления элемента, затем составьте формулу по условию электронейтральности соединения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе: по группе определяют число внешних электронов. Знания о химической связи, валентности и степенях окисления помогают составлять формулы и уравнения реакций. Тема продолжает изучение кислот и солей, связана с минеральными удобрениями, круговоротами веществ и биологической ролью элементов.

Что запомнить

• Азот и фосфор находятся в одной группе периодической системы.
• Простое вещество азот при обычных условиях состоит из молекул N₂.
• Малая химическая активность азота связана с прочной связью между атомами в молекуле N₂.
• Фосфор имеет несколько аллотропных форм с разными свойствами.
• Азот и фосфор образуют соединения с кислородом и металлами.
• Соединения азота и фосфора важны для живых организмов и сельского хозяйства.