У какого элемента выражены неметаллические свойства фосфор азот мышьяк

А) Характеристика фосфора.
1. Фосфор— элемент пятой группы и третьего периода, Z = 15,
Аr(Р) = 31.
Соответственно, атом фосфора содержит в ядре 15 протонов,
16 нейтронов и 15 электронов. Строение его электронной оболочки
можно отразить с помощью следующей схемы:
 
Атомы фосфора проявляют как окислительные свойства (принима-
ют недостающие для завершения внешнего уровня три электрона, получая при этом степень окисления -3, например, в соединениях с менее электроотрицательными элементами— металлами, водородом и т.п.) так и восстановительные свойства (отдают 3 или 5 электронов более электроотрицательным элементам — кислороду, галогенам и т.п., приобретая при этом степени окисления +3 и +5.)
Фосфор менее сильный окислитель, чем азот, но более сильный, чем мышьяк, что связано с ростом радиусов атомов от азота к мышьяку. По этой же причине восстановительные свойства, наоборот, усиливаются.
2.    Фосфор — простое вещество, типичный неметалл. Фосфору свойственно явление аллотропии. Например, существуют аллотропные модификации фосфора такие, как белый, красный и черный фосфор, которые обладают разными химическими и физическими свойствами.
3.     Неметаллические свойства фосфора выражены слабее, чем у азота, но сильнее, чем у мышьяка (соседние элементы в группе).
4.    Неметаллические свойства фосфора выражены сильнее, чем у
кремния, но слабее, чем у серы (соседние элементы в периоде).
5.    Высший оксид фосфора имеет формулу Р2O5. Это кислотный оксид.
Он проявляет все типичные свойства кислотных оксидов. Так, например, при взаимодействии его с водой получается фосфорная кислота.
Р2O5 + 3Н2O => 2Н3РO4.
При взаимодействии его с основными оксидами и основаниями он
дает соли.
Р2O5 + 3MgO = Mg3(PO4)2; Р2O5 + 6КОН = 2К3РO4+ 3Н2O.
6.    Высший гидроксид фосфора— фосфорная кислота Н3РO4, рас-
твор которой проявляет все типичные свойства кислот: взаимодействие с основаниями и основными оксидами:
Н3РO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3Н2O. 2Н3РO4 + 3СаО = Са,(РO4)2↓ + 3Н2O.
7. Фосфор образует летучее соединение Н3Р — фосфин.
 
Б) Характеристика калия.
1.     Калий имеет порядковый номер 19, Z = 19 и относительную атомную массу Аr(К) = 39. Соответственно заряд ядра его атома +19 (равен числу протонов). Следовательно, число нейтронов в ядре равно 20. Так как атом электронейтрален, то число электронов, содержащихся в атоме калия, тоже равно 19. Элемент калий находится в четвертом периоде периодической системы, значит, все электроны располагаются на четырех энергетических уровнях. Таким образом, строение атома калия записывается так:
 
Исходя из строения атома, можно предсказать степень окисления
калия в его соединениях. Так как в химических реакциях атом калия отдает один внешний электрон, проявляя восстановительные свойства, следовательно, он приобретает степень окисления +1.
Восстановительные свойства у калия выражены сильнее, чем у на-
трия, но слабее, чем у рубидия, что связано с ростом радиусов от Na к Rb.
2.     Калий— простое вещество, для него характерна металлическая
кристаллическая решетка и металлическая химическая связь, а отсюда — и все типичные для металлов свойства.
3.     Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у на-
трия, но слабее, чем у рубидия, т.к. атом калия легче отдает электрон, чем атом натрия, но труднее, чем атом рубидия.
4.     Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у кальция, т.к. один электрон атома калия легче оторвать, чем два электрона
атома кальция.
5.     Оксид калия К2O является основным оксидом и проявляет все типичные свойства основных оксидов. Взаимодействие с кислотами и кислотными оксидами.
К2O + 2НСl = 2КСl +Н2O;                К2O + SO3 = K2SO4.
6.     В качестве гидроксида калию соответствует основание (щелочь) КОН, которое проявляет все характерные свойства оснований: взаимодействие с кислотами и кислотными оксидами.
KOH+HNO3 = KNO3+H2O;          2KOH+N2O5 = 2KNO3+H2O.
7.     Летучего водородного соединения калий не образует, а образует гидрид калия КН.
 
 
            

В результате успешного освоения материала этой главы студент должен:

знать

• • химические свойства азота, фосфора и их важнейших химических соединений (аммиака и его производных, оксидов азота и фосфора, азотистой, азотной, ортофосфорпой кислот и их солей);
• • азотные и фосфорные удобрения и экологические аспекты их применения;

уметь

• • составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций с участием соединений азота;
• • вычислять массовую долю Р2О5 в соединениях и pH растворов аммиака, азотной и азотистой кислот;

владеть

• представлениями об особенностях химических связей азота с водородом, углеродом и кислородом, фосфора с кислородом, о термодинамической неустойчивости большинства соединений азота, о круговороте азота в природе, о конденсированных фосфорных кислотах и их солях, о фосфорноватистой и фосфористой кислотах и их солях, об особенностях азота и фосфора как биогенных элементов.

Общие свойства азота, фосфора и других элементов 15-й группы

Элементы 15-й группы: азот N, фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb и висмут Bi — сильнее различаются по свойствам, чем элементы других групп. Эти различия ярко проявляются в химических формах существования элементов 15-й группы, а также в типах и функциях образуемых ими биологически активных веществ (табл. 19.1).

Таблица 19.1

Распространенность и тины природных соединений элементов 15-й группы

Распространение в природе. Большая часть азота на Земле находится в свободном состоянии в виде двухатомных молекул N2в атмосфере. Массовая доля азота в воздухе составляет 75,6%, а объемная доля равна 78,09%. В воздухе содержатся также небольшие количества аммиака NH3, образующегося при гниении органических веществ, и кислородсодержащих соединений азота (оксидов и кислот), источниками которых служат грозы, извержения вулканов, деятельность почвенных микроорганизмов и человека. Промышленное значение имеют биогенные месторождения натриевой (чилийской) селитры NaN03 и калиевой (индийской) селитры KNO3, которые образовались в местностях с устойчивым сухим и жарким климатом. Азот содержится также в каменном угле (1,0—2,5%) и нефти (0,2—1,7%). Суммарное содержание всех химических форм азота в гидросфере составляет 5- 10-J моль/л. Массовая доля азота в живом веществе биосферы намного выше, чем в литосфере. Общее содержание азота в биомассе составляет примерно 10 млрд т.

Важнейший фосфорсодержащий минерал — апатит Са5(Р04)зХ. Чаще всего X = F, в этом случае минерал называют фторапатитом. Фторид-ионы могут замещаться также на С1″ (тогда минерал называется хлорапатит), ОН- (гидроксилапатит), СО2- (карбонатапатит) и О2- (оксиапатит). Апатиты — главная составная часть горных пород фосфоритов, которые служат сырьем для производства фосфорных удобрений. В живом веществе биосферы содержится 5-109 т фосфора.

Мышьяк, сурьма и висмут изредка встречаются в самородном состоянии, но главным образом в виде соединений, чаще всего сульфидов.

Свойства атомов. Сопоставление внутренних электронных остовов, валентных и вакантных подуровней показывает, что различия в физических и химических свойствах элементов обусловлены в основном особенностями строения электронных оболочек атомов (табл. 19.2). Атомы элементов этой подгруппы имеют совпадающие по строению валентные подуровни (ns2np3), различные электронные остовы и вакантные подуровни. Два электрона валентных s-подуровней спарены, три электрона /^-подуровней заселяют орбитали этих подуровней по одному. Электронная структура азота выделяется отсутствием вакантных подуровней, энергетически близких к наполовину заполненному 2/;-подуровню. У фосфора есть один вакантный ^-подуровень, а мышьяк, сурьма и висмут имеют несколько вакантных подуровней, близко расположенных к валентным подуровням.

Химические свойства. Азот и фосфор — типичные неметаллы, мышьяк и сурьма проявляют промежуточный между металлами и неметаллами характер, а у висмута преобладают металлические свойства.

Большие различия химии азота и фосфора определяются и отражаются приведенными ниже энергиями связей их атомов с атомами электроотрицательных элементов:

Связь N-H N—С N=C N—N N-O N=0 N-F

Энергия, кДж/моль 391 292 615 163 201 607 272

Связь Р-Н Р-С Р=С Р—N P-О Р=0 P-F

Энергия, кДж/моль 322 272 — — 415 584 490

Энергия a-связей азота с водородом и углеродом заметно выше, чем энергии ст-связей фосфора с теми же элементами. Отсюда естественно ожидать, что соединений со связями N—I I должно быть много, а соединений со связями Р—Н и Р—С сравнительно мало. Кроме одинарных a-связей азот образует более прочные связи N=C, N=N и N=N. Напротив, а-свя- зи азота с кислородом и фтором гораздо менее прочны, чем

Характеристики свойств элементов 15-й группы

Таблица 19.2

связи Р—О и N=0. Двойные связи Р=0 и N=0 имеют приблизительно равные энергии, но связи азота с кислородом не придают соответствующим соединениям азота термодинамической устойчивости.

Благодаря высокой прочности связей фосфора с кислородом и галогенами широко распространены соответствующие неорганические и органические соединения этого элемента. В органических веществах, кроме того, большую роль играют связи Р—С.