Химические свойства простых веществ

Общая характеристика элементов главной подгруппы пятой группы

В главную подгруппу V группы входят химические элементы азот N, фосфор P, мышьяк As, сурьма S b и висмут Bi. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня ns ² np ³, для элементов подгруппы характерны степени окисления от –3 до +5. Для первых представителей подгруппы — азота и фосфора — характерны неметаллические свойства, мышьяк и сурьма уже проявляют металлические свойства, висмут — типичный металл. Химия этих элементов очень разнообразна и, учитывая различия в свойствах элементов, при изучении ее разбивают на две подгруппы — подгруппу азота и подгруппу мышьяка. Важнейшие свойства элементов подгруппы азота и образованных ими простых веществ представлены в табл.

Свойства элементов подгруппы азота и простых веществ

Природный азот состоит из двух изотопов: ¹⁴N (99,6%) и ¹⁵N (0,4%); первый играет важную роль в ядерных реакциях, протекающих в атмосфере под воздействием космических лучей:

АЗОТ N₂ — при обычных условиях бесцветный газ, не имеющий запаха. Он был открыт Д. Пристли в 1774 г. В молекуле азота имеется одна s - и две p -связи, поэтому ее структурную формулу можно представить следующим образом:

Название «азот» в переводе с греческого означает «безжизненный», азот не поддерживает процессы горения и дыхания. Но для процессов жизнедеятельности растительных и животных организмов он крайне важен.

Азот — основной компонент воздуха (78% по объему), он входит в состав растений и организмов животных в форме белков, для синтеза которых используются нитраты. Нитраты образуются в почве из атмосферного азота и аммонийных соединений. Круговорот азота в природе крайне важен для жизнедеятельности человека.

Под воздействием грозовых разрядов азот реагирует с кислородом с образованием оксидов азота, которые при растворении в воде образуют разбавленную азотную кислоту; из нее и получаются нитраты, содержащиеся в почве. Под действием бактерий, присутствующих в почве или в клубеньках корневой системы бобовых растений, атмосферный азот непосредственно превращается в нитраты. Нитраты также вносятся в почву в составе удобрений. Растения через корневую систему усваивают нитраты из почвы.

После смерти растений и животных их белки разлагаются, образуя соединения аммония, которые при помощи бактерий вновь превращаются в нитраты, остающиеся в почве, и в азот, возвращающийся в атмосферу.

ФОСФОР был открыт алхимиком Брандом в 1668 г. Для фосфора известен единственный стабильный изотоп ³¹P. Как и азот, фосфор незаменим для всех живых организмов, он содержится в костях, нервных и мышечных тканях, зубной эмали и участвует в процессах обмена веществ. Для фосфора характерны несколько аллотропных модификаций. Главные из них — белый, красный и черный фосфор, которые при определенных условиях могут превращаться друг в друга. Все модификации химически активны (особенно белый), поэтому в свободном состоянии в природе фосфор не встречается, а входит в состав минералов, например апатитов Ca₅(PO₄)₃X (где
X = F, Cl, OH). Как и в случае азота, круговорот фосфора в природе включает несколько этапов: превращения элемента в почве, в организмах растений и животных (человека).

Химические свойства простых веществ

Свойства азота. Образование молекулы азота из атомов сопровождается выделением большого количества энергии — 945 кДж/моль (аналогичная величина для кислорода составляет 497 кДж/моль, для водорода — 436 кДж/моль). Это свидетельствует об очень высокой устойчивости молекулы азота, обусловленной образованием тройной связи. Азот вступает в химические реакции только при условии, что при образовании связей в продуктах реакции выделяется энергия, достаточная для разрыва связи в молекуле азота. Примерами таких взаимодействий являются реакции азота с магнием и литием, происходящие при обычных условиях:

3Mg + N₂ = Mg₃N₂;

6Li + N₂ = 2Li₃N.

Для получения нитридов других металлов необходимо длительное нагревание. Нитриды разрушаются водой и кислотами с образованием аммиака или солей аммония:

Mg₃N₂ + 6H₂O = 3Mg(OH)₂ + 2NH₃ ­;

AlN + 4HCl = AlCl₃ + NH₄Cl.

Для вступления азота в химическую реакцию необходима активация его молекул нагреванием, облучением или электрическим разрядом. Так, с кислородом азот взаимодействует только в электрическом разряде, образуя оксид азота(II). С водородом реакция идет только при нагревании (хотя процесс и экзотермический), высоком давлении и в присутствии катализатора (процесс Габера).

Свойства фосфора. Для фосфора наиболее активной модификацией является белый фосфор, состоящий из молекул P₄. Красный фосфор — аморфное полимерное неядовитое вещество. Черный фосфор — полимерное вещество с металлическим блеском, полупроводник. Черный и красный фосфор получают из белого.

Белый фосфор — прозрачное, мягкое, активное вещество, растворим в сероуглероде CS₂, эфире, но не растворим в воде, поэтому его хранят под слоем воды. Уже при комнатной температуре мелкодисперсный белый фосфор самовоспламеняется, образуя, в зависимости от количества кислорода, оксиды P₂O₃ или P₂O₅ (точнее P₄O₆ и P₄O₁₀):

P₄ + 3O₂ = P₄O₆;

P₄ + 5O₂ = P₄O₁₀.

Белый фосфор может воспламениться даже под водой под воздействием струи газообразного кислорода.

В отличие от азота белый фосфор активно реагирует с галогенами, серой с образованием PCl₅, PCl₃, PBr₅, PBr₃, P₂S₅, P₂S₃:

P₄ + 6Br₂ 4PBr₃;

P₄ + 10Cl₂ 4PCl₅;

P₄ + 6S 2P₂S₃.

Красный и черный фосфор гораздо менее активны, эти модификации вступают в различные химические реакции при более высоких температурах.

Так же, как и азот, фосфор реагирует с металлами, образуя фосфиды, которые, как и нитриды, легко разлагаются водой или кислотами с образованием фосфина PH₃:

6Ca + P₄ = 2Ca₃P₂;

Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃ ­;

Ca₃P₂ + 6HCl = 3CaCl₂ + 2PH₃ ­.

Только белый фосфор реагирует с горячими растворами щелочей, образуя фосфин и гипофосфиты, например Ba(H₂PO₂)₂:

2P₄ + 3Ba(OH)₂ + 6H₂O = 3Ba(H₂PO₂)₂ + 2PH₃ ­.

Последнюю реакцию используют в лаборатории для получения фосфина и гипофосфитов (солей фосфорноватистой кислоты H₃PO₂), из которых затем по обменной реакции получают H₃PO₂:

Ba(H₂PO₂)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ ¯ + 2H₃PO₂.

Непосредственно с водородом ни фосфор, ни более тяжелые представители подгруппы практически не взаимодействуют.