Неметаллы Элементы V группы главной подгруппы

Неметаллы

• Элементы V группы главной подгруппы

• пниктогены

Общая характеристика

• nS2nP3 – строение внешнего энергетического уровня
• На внешнем уровне 5 электронов
• Увеличивается количество энергетических уровней в атоме
• Увеличивается радиус атома
• ослабляется притяжение валентных электронов к ядру
• ослабляются неметаллические и окислительные сойства
• возрастают металлические и восстановительные свойства
• ЭО уменьшается
• Низшая степень окисления в соединениях -3
• Высшая степень окисления в соединениях +5  

Азот – простое вещество

• Молекула азота (:N N:) N2

• В молекуле имеются одна σ- и две π- связи.

• Молекула очень устойчива (три ковалентные связи), поэтому обладает низкой реакционной способностью. 

• Открыт Д.Резерфордом в 1772 г.

• Основной компонент воздуха

• (78% по объему, 75,6% по массе).

• Газ, без цвета, запаха и вкуса; плохо растворим в воде, не поддерживает дыхание и горение

• t° кип.= -196°C; t°пл.=-210°C.

Химические свойства азота

• Молекула азота очень устойчива (три ковалентные связи), поэтому обладает низкой реакционной способностью.

•  В химических реакциях может выступать в роли как восстановителя: N20   2N+2

• так и в роли окислителя: N20 2N-3

Восстановительные свойства атомы проявляют при взаимодействии с кислородом при температуре электрической дуги

• N20 + O2 2N+2O (в природе - во время грозы)

•  Окислительные свойства атомы проявляют при взаимодействии с металлами и водородом:

• N20 + 3H2 2N-3HЗ

• взаимодействие с активными металлами (с щелочными и щелочноземельными)

• при обычных условиях азот взаимодействует только с литием:

•   6Li0 + N20 2LiЗN-3 3Mg0 + N20    MgЗN2-3 при нагревании

• В результате взаимодействия образуются нитриды металлов

Получение азота

•       Промышленный способ:

• Перегонка жидкого воздуха.

•       Лабораторный способ:

• Разложение нитрита аммония:

•   NH4NO2    N2 + 2H2O

• Рассмотрите данную реакцию как окислительно - восстановительный процесс

А м м и а к NH3

• Молекула полярная, имеет форму треугольной пирамиды с атомом азота в вершине, угол HNH = 107,3°. Атом азота находится в sp3- гибридном состоянии; из четырех гибридных орбиталей азота три участвуют в образовании одинарных связей N–H, а четвертая связь занята неподеленной электронной парой.

Физические свойства

• NH3 - бесцветный газ, запах резкий, удушливый, ядовит, легче воздуха. t° кип.= -33,4°C; t°пл.= -78°C. Молекулы аммиака связаны слабыми водородными связями

• Водородная связь -это химическая связь между атомами водорода и атомами сильноэлектроотрицательного элемента (F, Cl, O)

•   Благодаря водородным связям, аммиак имеет сравнительно высокие t°кип. и t°пл., а также высокую теплоту испарения, он легко сжимается. Хорошо растворим в воде: в 1V Н2O растворяется 750V NH3 (при t°=20°C и p=1 атм).  

В хорошей растворимости аммиака можно убедиться на следующем опыте. Сухую колбу наполняют аммиаком и закрывают пробкой, в которую вставлена трубка с оттянутым концом. Конец трубки опускают в воду и колбу немного подогревают. Объем газа увеличивается, и немного аммиака выйдет из трубки. Затем нагревание прекращают и, вследствие сжатия газа некоторое количество воды войдет через трубку в колбу. В первых же каплях воды аммиак растворится, в колбе создастся вакуум и вода, под влиянием атмосферного давления будет подниматься в колбу, - начнет "бить фонтан".  

• В хорошей растворимости аммиака можно убедиться на следующем опыте. Сухую колбу наполняют аммиаком и закрывают пробкой, в которую вставлена трубка с оттянутым концом. Конец трубки опускают в воду и колбу немного подогревают. Объем газа увеличивается, и немного аммиака выйдет из трубки. Затем нагревание прекращают и, вследствие сжатия газа некоторое количество воды войдет через трубку в колбу. В первых же каплях воды аммиак растворится, в колбе создастся вакуум и вода, под влиянием атмосферного давления будет подниматься в колбу, - начнет "бить фонтан".  

Получение

• Промышленный способ:

•   N2 + 3H2 2NH3 (p=1000 атм; t°= 500°C; kat).

• Лабораторный способ: Нагревание солей аммония со щелочами.

•   2NH4Cl + Ca(OH)2    CaCl2 + 2NH3 + 2Н2O (NH4)2SO4 + 2KOH    K2SO4 + 2NH3 + 2Н2O

Аммиак можно собирать только по методу (А), т.к. он легче воздуха и очень хорошо растворим в воде.

• Аммиак можно собирать только по методу (А), т.к. он легче воздуха и очень хорошо растворим в воде.

Химические свойства NH3

• Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму

• Такой механизм образования связи, который возникает за счет свободной электронной пары, имеющейся у одного из атомов, называется донорно- акцепторным.

Раствор аммиака в воде (аммиачная вода, нашатырный спирт) имеет щелочную реакцию (лакмус – синий; фенолфталеин – малиновый) из-за образования гидроксида аммония.

• Раствор аммиака в воде (аммиачная вода, нашатырный спирт) имеет щелочную реакцию (лакмус – синий; фенолфталеин – малиновый) из-за образования гидроксида аммония.

•   NH3 + Н2O NH4OH NH4+ + OH- 

• Аммиак реагирует с кислотами с образованием солей аммония.

•   NH3 + HCl NH4Cl 2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4 NH3 + H2O + CO2 NH4HCO3

• Аммиак-восстановитель(окисляется до N20, N2+1О, N+2O)

Горение в кислороде без катализатора

• Горение в кислороде без катализатора

•      4N-3H3 + 3O2 2 N2 + 6Н2O

• каталитическое окисление ( kat = Pt )

•  4N-3H3 + 5O2 4 NO + 6Н2O

• Восстановление оксидов некоторых металлов

•   3Cu+2O + 2N-3H3   3Cu + N20 + 3Н2O

• Разложение при нагревании 2N-3H3  N2 + 3H2

Соли аммония

• Соли аммония – сложные вещества, в состав которых входят катионы аммония NH4+, связанные с кислотным остатком. Физические свойства  Кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Получение:  Аммиак (или гидроксид аммония) + кислота.   NH3 + HNO3 NH4NO3 (нитрат аммония) 2NH4OH + H2SO4 (NH4)2SO4 + 2Н2O

• (cульфат аммония)  

Химические свойства солей аммония

• Сильные электролиты (диссоциируют в водных растворах)

•   NH4Cl NH4+ + Cl-

•  Разложение при нагревании:

•     NH4Cl    NH3 + HCl NH4HCO3 NH3 + Н2O + CO2 NH4NO3    N2O + 2Н2O

• (NH4)2Cr2O7    N2 + Cr2O3 + 4Н2O

• Последние два процесса являются окислительно-восстановительными реакциями: уравняйте методом электронного баланса

Химические свойства солей аммония

• Взаимодействие с кислотами

• (NH4)2CO3 + 2НCl 2NH4Cl + Н2O + CO2

• 2NH4+ + CO32-+ 2H+ + 2Cl- 2NH4 + + 2Cl- + Н2O + CO2 CO32- + 2H+ Н2O + CO2

• Взаимодействие с солями                                      

• (NH4)2SO4 + Ba(NO3)2 BaSO4 + 2NH4NO3

• 2NH4+ + SO42- + Ba2+ + 2NO3- BaSO4 + 2NH4+ + 2NO3- Ba2+ + SO42- BaSO4

• Качественная реакция на NH4+

• При нагревании со щелочами выделяется аммиак

•   NH4Cl + NaOH    NaCl + NH3+ Н2O

• По запаху аммиака можно судить о наличии соли аммония.

Применение солей аммония

• Хлорид аммония NH4Cl:

• используют при паянии, он очищает поверхность металла от оксидной пленки, и к ней хорошо пристает припой.

• Гидрокарбонат аммония NH4 HCO3 и карбонат аммония (NH4)2CO3 :

• применяют в кондитерском деле, так как они легко разлагаются при нагревании и образуют газы, разрыхляющие тесто и делающие его пышным :

• NH4HCO3 NH3 + H2O + CO2

• Нитрат аммония NH4NO3

• в смеси с порошками алюминия и угля используют в качестве взрывчатого вещества – аммонала, который широко применяется при производстве горных работ.

Оксиды азота N2+1O, N+2O, N2+3O3, N+4O2 ,N2+5O5

• Оксиды N2O, NO несолеобразующие, а остальные оксиды проявляют свойства типичных кислотных оксидов:

• N2O3 HNO2

• NO2 при растворении в воде дает одновременно две кислоты:

• 2NO2 + H2O HNO3 + HNO2 4NO2 + 2H2O + O2 4HNO3

•   Как типичные кислотные оксиды взаимодействуют с водой, с основными оксидами и основаниями – подтвердите это уравнениями соответствующих реакций.

Азотная кислота HNO3

• Физические свойства  Бесцветная жидкость, неограниченно растворимая в воде; t°пл.= -41°C; t°кип.= 82,6°С, r = 1,52 г/см3

•   Очень сильная кислота. Диссоциирует в водном растворе практически нацело:   HNO3 H+ + NO3-

•  

HNO3 обладает всеми свойствами, характерными для типичных кислот:

• Взаимодействует с основными оксидами:

• CuO + 2HNO3 Cu(NO3)2 + H2O CuO + 2H+ + 2NO3- Cu2+ + 2NO3- + H2O CuO + 2H+ Cu2+ + H2O

•  Взаимодействует с основаниями:

• HNO3 + NaOH NaNO3 + H2O H+ + NO3- + Na+ + OH- Na+ + NO3- + H2O H+ + OH- H2O

• Вытесняет слабые кислоты из их солей:

•   2HNO3 + Na2CO3 2NaNO3 + H2O + CO2 2H+ + 2NO3- + 2Na+ + СO32- 2Na+ + 2NO3- + H2O + CO2 2H+ + СO32- H2O + CO2

Специфические свойства азотной кислоты

• HNO3 сильный окислитель  

• Разлагается на свету и при нагревании

•   4HNO3    2H2O + 4NO2 + O2

•  Окрашивает белки в оранжево-желтый цвет (при попадании на кожу рук - "ксантопротеиновая реакция")

•  При взаимодействии с металлами никогда не выделяется водород

• металл + HNO3 соль азотной кислоты + вода + ( NH3, N2, NO, NO2)

Окислительные свойства HNO3

• Взаимодействие с металлами:

• Fe, Al, Cr, Au, Pt HNO3 пассивирует (без нагревания)

• Окислительные свойства зависят как от концентрации кислоты так и активности металла:

• HNO3 проявляет окислительные свойства за счет атома N+5

• Продуктами восстановления азота могут быть:

• N2O, NO, NO2 , NH3

Окислительные свойства HNO3

• Взаимодействие с неметаллами:

• Азотная кислота превращается в NO (или в NO2); неметаллы окисляются до соответствующих кислот:

•   S0 + HNO3(конц) H2S+6O4 + NO2 + 2H2O B0 + HNO3 H3B+3O3 + NO2 P0 + HNO3 + H2O NO + H3P+5O4

• Рассмотрите данные реакции как окислительно- восстановительные процессы, укажите функции веществ в данных реакциях.

Соли азотной кислоты-нитраты

• Нитраты щелочных металлов разлагаются до нитритов:

•   2NaNO3  2NaNO2 + O2

•  Нитраты менее активных металлов (от щелочноземельных до меди) разлагаются до оксидов:

•   2Mg(NO3)2    2MgO + 4NO2 + O2 2Cu(NO3)2    2CuO + 4NO2 + O2

•   Нитраты наименее активных металлов разлагаются до металлов:

•   Hg(NO3)2    Hg + 2NO2 + O2 2AgNO3    2Ag + 2NO2 + O2

•   Нитрат аммония разлагаются до N2O

•   NH4NO3    N2O + 2H2O

Значение азота

• Азот- жизненно важный элемент.

• Все основные части клеток организма построены из белковых молекул, в состав которых входят атомы азота. Без белка нет жизни, а без азота нет белка.

• Азот входит в состав растительных белков, а животные получают готовые белковые вещества от растений, в животном организме содержится от 1 – 10 % азота по массе.

• Большое значение имеют особые бактерии, которые живут в клубеньках на корнях бобовых растений (клубеньковые бактерии). Эти бактерии превращают атмосферный азот в соединения, которые могут усваивать растения.

Азот в составе жизненно важных молекул белка