Реферат: Главные элементы жизни: азот и фосфор

                   ОТЧЁТ ПО ХИМИИ

                           ЛЕКЦИЯ №4

                                 ТЕМА:

     ГЛАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

                  ЖИЗНИ:

         АЗОТ И ФОСФОР

                            Масленниковой Инны

                                                               9 «Б» класс

                               Общая характеристика подгруппы азота.

Подгруппу азота составляют пять элементов: азот, фосфор, сурьма, мышьяк и висмут. Это элементы V группы периодической системы Д. И. Менделеева На внешнем энергетическом уровне их элементы имеют по пять электронов – ns²np³. Поэтому высшая степень окисления этих элементов равна +5, низшая -3, характерна и +3.

                                 Свойства элементов подгруппы азота

С водородом элементы подгруппы азота образуют соединения состава RH₃. Молекулы RH₃ имеют пирамидальную форму. В соединениях связи с водородом более прочные, чем в  соответствующих соединениях подгруппы кислорода и особенно подгруппы галогенов. Поэтому водородные соединения элементов подгруппы азота в водных растворах не образуют ионов водорода. С кислородом элементы подгруппы азота образуют оксиды общей формулы R₂O₃  и R₂O₅. Оксидам соответствуют кислоты HRO₂ и HRO₃ (и ортокислоты H₃RO₄, кроме азота). В пределах подгруппы характер оксидов изменяется так: N₂O₃ – кислотный оксид; P₄O₆ – слабокислотный оксид; As₂O₃ – амфотерный оксид с преобладанием кислотных свойств; Sb₂O₃ - амфотерный оксид с преобладанием  основных свойств; Bi₂o₃ – основный оксид. Таким образом, кислотные свойства оксидов состава R₂O₃ и R₂O₅  уменьшаются с ростом порядкового номера элемента. В подгруппе с ростом порядкового номера неметаллические свойства убывают, а металлические усиливаются. Этим объясняется уменьшение прочности водородных соединений RH₃ от NH₃ к BiH₃, а также уменьшение прочности кислородных соединений в обратном порядке.          

          Элементы V А-подгруппы открывались в разное время, знания о них накапливались на протяжении столетий, постепенно увеличиваясь и углубляясь.

           Хронология открытия химических элементов V А-подгруппы

                 Степени окисления N и Р и отвечающие им соединения

                                                          Азот.

Азот в природе встречается главным образом в свободном состоянии. В воздухе объёмная доля его составляет 78,09%. Соединения азота в небольших количествах содержатся в почвах. Азот входит в состав белковых веществ и многих естественных органических соединений. Общее содержание азота в земной коре 0,01%. В технике азот получают из жидкого воздуха: воздух переводят в жидкое состояние, а затем испарением отделяют азот от менее летучего кислорода (t_кип  азота  -195,8^оС, кислорода   -183^оС). Полученный таким образом азот содержит примеси благородных газов (преимущественно аргона). Чистый азот можно получить в лабораторных условиях, разлагая при нагревании нитрит аммония:

                                                  t

                                    NH₄OH₂=N₂       + H₂O

Атом азота имеет следующее строение:

Молекула азота  образована тройной ковалентной связью атомов: двумя пи-связями и одной сигма - связью. Молекула азота распадается на атомы при температуре 2000^оС. Жидкий азот хранится в сосуде Дьюра.

Физические свойства азота. Азот – газ без цвета, вкуса и запаха, легче воздуха, растворимость в воде меньше, чем у кислорода.

Химические свойства азота. Молекула азота состоит из двух атомов, длина между ними очень мала, Тройная связь и её малая длина делают молекулу весьма прочной. Этим объясняется малая реакционная способность азота при обычной температуре.

При комнатной температуре азот непосредственно соединяется с литием:

                                                 6Li  + N₂ = 2Li₃N

C другими металлами он реагирует лишь при высоких температурах, образуя нитриды:

                                t ^o                                                        t ^o

               3Сa + N₂ = Ca₃N₂                                2Al + N₂ = 2AlN 

С водородом азот соединяется в присутствии катализатора при высоком давлении и температур

                             N₂  + 3H₃         2NH₃

При температуре электрической дуги (3000-4000^оС) азот соединяется с кислородом:

                                 N_{2 +}  O₂          2NO

Азот образует с водородом несколько прочных соединений, из которых важнейшим является аммиак. Электронная формула молекулы аммиака такова:

Получение и применение аммиака. В лабораторных условиях аммиак обычно получают слабым нагреванием смеси хлорида аммония с гашеной известью:

                                 2NH₄Cl + Ca (OH)₂ = CaCl₂ + 2NH₃  + 2H₂O

Основным промышленным способом получения аммиака является синтез его из азота  и водорода. Реакция экзотермичная и обратимая:

                                  N_{2 +} 3H₂         2NH₃ + 92кДж

Она протекает только в присутствии катализатора Губчатого железа с добавками активаторов -  оксидов алюминия, калия, кальция, кремния (иногда и магния)

Физические свойства аммиака. Аммиак – бесцветный газ с характерным резким запахом, почти в два раза легче воздуха. При увеличении давления или охлаждении он легко сжимается в бесцветную жидкость. Аммиак хорошо растворим в воде. Раствор аммиака в воде называется аммиачной водой или нашатырным спиртом. При кипячении растворённый аммиак улетучивается из раствора.

Химические свойства аммиака. Большая растворимость аммиака в воде обусловлена образованием водородных связей между их молекулами. Гидроксид – ионы обуславливают слабощелочную (их мало) реакцию аммиачной воды. При взаимодействии гидроксид - ионов с ионами NH₄⁺ снова образуются молекулы NH₃  и  H₂O, соединённые водородной связью, т. е. реакция протекает в обратном направлении. Образование ионов аммония и гидроксид – ионов в аммиачной воде можно выразить уравнением.

            NH₃ + H₂O                NH₃ ^.  H₂O              NH₄⁺ + OH^—

В аммиачной воде наибольшая часть аммиака содержится в виде молекул NH₃, равновесие смещено в сторону образования аммиака, поэтому она пахнет аммиаком. Тем не менее водный раствор аммиака по традиции обозначают формулой NH₄OH и называют гидроксидом аммония, а щелочную реакцию раствора аммиака объясняют как результат диссоциации молекул NH₄OH:

                                   NH₄OH          NH₄⁺  + OH^—

А так как в растворе аммиака в воде концентрация гидроксид – ионов невелика, то гидроксид аммония относится к слабым основаниям.

Аммиак сгорает в кислороде и в воздухе  (предварительно подогретом) с образованием азота и воды:

                                 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

В присутствии катализатора [например, оксида хрома (III )] реакция протекает с образованием оксида азота (II) и воды:

                                                 Cr₂O₃

                                4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

Аммиак взаимодействует с галогенами, при этом выделяется азот и водородное соединение галогена:

                                2NH₃ + 3Br₂ = 6HBr + N₂

                                2NH3 + 3Cl₂ = 6HCl + N₂

Аммиак – сильный восстановитель. При нагревании он восстанавливает оксид меди (II), а сам окисляется до свободного азота:

                                3Cu⁺²O + 2N^—3H₃ = 3Cu⁰ + N₂⁰ + 3H₂O

                                                 2N^—3 – 6e = N₂      1

                                                                             Cu²⁺ + 2e = Cu       3

Аммиак взаимодействует с перманганатом калия:

                                    NH₃ + KMnO₄ = N₂ + H₂O + MnO₂ +KOH

Добавление аммиака изменяет цвет раствора:

Важным химическим свойством аммиака является его взаимодействие с кислотами с образованием солей аммония. В этом случае к молекуле аммиака присоединяется ион водорода кислоты, образуя ион аммония, входящей в состав соли:

                                                                  H

                          NH₃ + H⁺Cl^--           [H  N  H]Cl

                                                                  H

Связь между ионами NH₄ и Cl ионная, в ионе NH₄  четыре связи ковалентные, причём три из них  полярные и одна по  донорно – акцепторном механизму.

                                                  Соли аммония.

Соли аммония и аниона кислоты. По строению они аналогичны соответствующим солям однозарядных ионов металлов. Соли аммония получаются пи взаимодействии аммиака или его водных растворов с кислотами. Например:

                                            NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

                                  NH₃^. H₂O + HNO₃ = NH₄NO₃ + H₂O

Они проявляют общие свойства солей, т.е. взаимодействуют с растворами щелочей, кислот и других солей:

                                  (NH₄)Cl + NaOH = NaCl + H₂O + NH₃     

                                                          _КОНЦ.

                                  2NH₄Cl + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ + 2HCl    

                                  (NH₄)₂SO₄ + BaCl₂ =  2NH₄Cl + BaSO₄   

Все аммонийные соли при нагревании разлагаются или возгоняются, например:

                                 (NH₄)₂CO₃ = 2NH₃       + H₂O CO₂            

                                                            NH₄NO₂ = 2H₂O + N₂

                                      NH₄Cl         NH₃         + HCl       

                                      (NH₄)₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + 4H₂O   + N₂               

Качественная реакция на ион аммония. Очень важным свойством солей аммония является их взаимодействие с растворами щелочей. Этой реакцией обнаруживают соли аммония (ион аммония) по запаху выделяющегося аммиака или по появлению синего окрашивания влажной лакмусовой бумажки:

                                       NH₄⁺ + OH           H₂O + NH₃           

Реакцию проводят так: в пробирку с испытуемой солью или раствором вводят раствор щелочи и смесь осторожно нагревают. В случае присутствия иона аммония выделятся аммиак.

                                                   Оксиды азота.

Азот образует шесть кислородных соединений, в которых проявляет степени окисления от +1 до +5: N₂⁺¹O, N⁺²O, N₂⁺³O₃, N⁺⁴O₂, N₂⁺⁴O₄, N₂⁺⁵O₅. При непосредственном соединении азота с кислорода образуется только оксид  азота (II) NO, другие оксиды получают косвенным путем. N₂O и NO – несолеобразующие оксиды, остальные – солеобразующие. Из всех оксидов азота наибольшее значение имеют оксиды азота (II) и азота (IV) как промежуточные продукты в производстве азотной кислоты.

Оксид азота (II) NO – бесцветный газ, плох растворимый в воде (его можно собирать в цилиндре над водой). Оксид азота (II) соединяется с кислородом воздуха, образуя бурый газ – оксид азота (IV):

                                                   2NO +O₂ = 2NO₂

В лабораторных условиях оксид азота (II) получают при взаимодействии разбавленной азотной кислоты и меди:

                      3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO            

Оксид азота (II) получают  также окислением аммиака кислородом воздуха в присутствии катализатора платины. Он постоянно образуется в воздухе во время грозы под действием электрических зарядов.

Оксид азота (IV) NO – газ бурого цвета со специфическим запахом, тяжелее воздуха, ядовит, раздражает дыхательные пути. В лабораторных условиях NO₂ получают при взаимодействии концентрированной азотной кислоты и меди:

                               Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)_­2 + H₂O + 2NO₂       

или при прокаливании кристаллического нитрата свинца:

                               2Pb(NO₃)₂ = 2PbO + 4NO₂   + O₂                

При взаимодействии оксида азота (IV) с водой образуется азотная и азотистая кислоты:

                                      2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂

HNO₂ малоустойчива, особенно при нагревании. Поэтому при растворении NO₂ в теплой воде образуется азотная кислота и оксид азота (II):

                                       3NO₂ + H₂O =2HNO₃ + NO

В избытке образуется только азотная кислота:

                                        4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO₃

Оксид азота (IV) – сильный окислитель; уголь, фосфор, сера горят в нем, а оксид серы (IV) окисляется до оксида серы (VI).

                                               Азотная кислота.

Получение азотной кислоты. В лабораторных условиях азотная кислота получается из её солей действием концентрированной серной кислоты:

                                      KNO₃ + H₂SO₄ = HNO₃ + KHSO₄

Реакция протекает при слабом нагревании (сильное нагревание разлагает HNO₃).

В промышленности азотная кислота получается каталитическим окислением аммиака, который в свою очередь, образуется как соединения водорода и азота воздуха. Весь процесс получения азотной кислоты можно разбить на три этапа:

1.   Окисление аммиака на платиновом катализаторе до NO:

                     4NH₃ + 5O₂ = 4NO +6H₂O

2.   Окисление кислородом воздуха NO до NO₂:

                     2NO + O₂ =2NO_2­

3.   Поглощение NO₂ водой в присутствии избытка кислорода:

                           4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO₃

Физические свойства. Азотная кислота – бесцветная жидкость с едким запахом. Она гигроскопична, «дымит» на воздухе, т. к. пары её с влагой воздуха образуют капли тумана. Смешивается с водой в любых соотношениях. Кипит при 86^оС.

Химические свойства. В HNO₃ валентность азота равна 4, степень окисления +5

Разбавленная азотная кислота проявляет все свойства кислот. Она относится к сильным кислотам. В водных растворах диссоциирует:

                                       HNO₃        H⁺ +NO₃^—

Под действием теплоты и на свету частично разлагается:

     4HNO₃ = 4NO₂ + 2H₂ O   +  O₂

Поэтому хранят её в прохладном месте.

Важнейшее химическое свойство азотной кислоты состоит в том, что она является сильным окислителем и взаимодействует почти со всеми металлами.

Применение. Большие количества её расходуются на приготовление азотных удобрений, взрывчатых веществ, лекарственных веществ, красителей, пластических масс, искусственных волокон других материалов. Дымящая азотная  применяется в ракетной технике в качестве окислителя ракетного топлива.  

При взаимодействии азотной кислоты, с металлами водород, как правило, не выделяется: он окисляется, образуя воду. Кислота же, в зависимости от концентрации и активности металла, может восстанавливается до соединений:

  +5             +4         +3            +2         +1         0          -3      -3

HNO₃ ---- NO₂ ----HNO₂ ---- NO ---- N₂O ----N₂ ---- NH₃(NH₄NO₃)

Образуется также соль азотной кислоты. От концентрации азотной кислоты зависит и продукт, образовавшийся в результате реакции:

Концентрированная азотная кислота не действует на железо, хром, алюминий, золото, платину и тантал, при взаимодействии с другими тяжелыми металлами образуется оксид азота (IV), при взаимодействии с щелочными и щелочно – земельными металлами образуется оксид азота (I).

Разбавленная азотная кислота при взаимодействии с щелочно – земельными металлами, а также с цинком и железом с образованием NH₃(NH₄NO₃). При взаимодействии с тяжелыми металлами образуется оксид азота (II).Например,

                                     Конц.

                           Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂ H₂O

                                      Разб.

                          3Ag + 4HNO₃ = 3AgNO₃ + NO + 2H₂O

Достаточно активный металл цинк в зависимости от концентрации азотной кислоты может восстанавливать ее до оксида азота (I) N₂O, свободного азота N₂ и даже до аммиака NH₃, который с избытком азотной кислоты дает нитрат аммония NH₄NO₃. В последнем случае уравнение реакции следует записать так:

4Zn + 10HNO₃ (очень разб.) = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Азотная кислота взаимодействует со многими неметаллами, окисляя их до соответствующих кислот:

                                      3P + 5HNO₃ + H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO

                                       C + 4HNO₃ = CO₂ + H₂O + 4NO₂

Одноосновная кислота образует только соли, называемые нитратами. Они получаются при действии ее на металлы, их оксиды и гидроксиды. Нитраты натрия, калия, аммония и кальция называются селитрами: NaNO₃ – натриевая селитра, KNO₃ – калийная селитра, NH₄NO₃ – аммиачная селитра, Ca(NO₃)₂ – кальциевая селитра. Селитры используются главным образом как минеральные азотные удобрения. Кроме того, KNO₃ применяется для приготовления черного пороха.

                                                        Фосфор.

Фосфор – аналог азота, т. к.  электронная конфигурация валентных электронов, как и у азота, s²p³. Однако по сравнению с атомом азота атом фосфора характеризуется меньшей энергией ионизации и имеет больший радиус. Это означает, что неметаллические признаки у фосфора выражены слабее, чем у азота. Поэтому для фосфора реже встречаются степень окисления -3 и чаще +5. Мало характерны и другие степени окисления.

Нахождение в природе. Общее содержание фосфора в земной коре составляет 0,08%. В природе фосфор встречается только в виде соединений; важнейшее из них – фосфат кальция – минерал апатит.

Физические свойства. Фосфор, в отличие от азота имеет несколько аллотропных модификаций: белый, красный, черный и др.

Белый фосфор – бесцветное и очень ядовитое вещество. Получается конденсацией паров фосфора. Не растворяется в воде, но хорошо растворяется в сероуглероде. При длительном слабом нагревании белый фосфор переходит в красный.

Красный фосфор – порошок красно – бурого цвета, не ядовит, нерастворим в воде и сероуглероде, представляет смесь нескольких аллотропных модификаций, которые отличаются друг от друга цветом и некоторыми свойствами.

Черный фосфор по внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь, обладает полупроводниковыми свойствами. Получается длительным нагреванием белого фосфора при очень большом давлении.

Химические свойства. В химическом отношении белый фосфор сильно отличается от красного. Так, белый фосфор легко окисляется и самовоспламеняется на воздухе, поэтому его хранят под водой. Красный фосфор не воспламеняется на воздухе, но воспламеняется при нагревании свыше 240^оС. При окислении белый фосфор светится в темноте – происходит непосредственное превращение химической энергии в световую. В жидком и растворенном состоянии, а также в парах при температуре ниже 800^оС фосфор состоит из молекул Р₄. При нагревании выше 800^оС молекулы диссоциируют:

 Р₄                    2Р₂. Последние при температуре выше 2000^оС распадаются на атомы:

Р₂              2Р. Атомы фосфора могут объединяться в молекулы Р₂, Р₄ и полимерные вещества.

Фосфор соединяется со многими простыми веществами – кислородом, галогенами, серой и некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства:

                            2P + 3S =P₂S₃            2P + 3Ca = Ca₃P₂

Реакции с белым фосфором идут легче, чем с красным. Соединения фосфора с металлами называются фосфидами; они легко разлагаются водой с образованием фосфина РН₃ – очень ядовитого газа с чесночным запахом:

                                      Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃

 По аналогии с NH₃ фосфин способен к реакциям присоединения:

                                                   РН₃ + НI = РН₄I

                                            Оксиды фосфора.

Оксид фосфора (III) Р₂О₃ – воскообразная кристаллическая масса, плавящаяся при 22,5^оС. Получается сжиганием фосфора при недостатке кислорода. Сильный восстановитель. Не ядовит.

Оксид фосфора (V) Р₂О₅ – белый гигроскопичный порошок. Получается при горении фосфора в избытке воздуха или кислорода. Он очень энергично соединяется с водой, а также отнимает воду от др. соединений. Применяется как осушитель для жидкостей и газов.

Оксиды и все кислородные соединения фосфора намного прочнее аналогичных соединений азота, что следует объяснить ослаблением неметаллических свойств у фосфора по сравнению с азотом.

                                             Фосфорные кислоты.

Оксид фосфора (V) взаимодействуя с водой, образует кислоту НРО₃, последняя при кипячении с избытком воды образует фосфорную кислоту Н₃РО₄, при нагревании Н₃РО₄, образуется дифосфорная кислота Н₄Р₂О₇.

                                         3Р₄О₁₀ + 6Н₂О = 4Н₃(РО₃)₃

                                          Н₃(РО₃)₃ + 3Н₂О = 3Н₃РО₄

                                         2Н₃РО₄ = Н₄Р₂О₇ + Н₂О

Наибольшее практическое значение имеет фосфорная кислота, т. к. её соли – фосфаты – используются в качестве удобрений.

 Фосфорная кислота – белое твердое вещество. С водой смешивается в любых соотношениях. В отличие от азотной кислоты не является окислителем и не разлагается при нагревании, что объясняется наибольшей устойчивостью степени окисления +5 из всех возможных для фосфора.

         Азот и фосфор – это главные элементы жизни, они находятся в человеческом организме и необходимы для роста и питания каждому.