ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Тема посвящена изучению V-А группы. На данном уроке будет рассмотрена общая характеристика V-А группы, дана характеристика химического элемента и простого вещества азота. Из материалов урока вы узнаете, какие степени окисления характерны для азота, в каком виде азот встречается в природе, какими химическими свойствами обладает простое вещество азот.
I. Общая характеристика химических элементов подгруппы азота, нахождение в природе
Подгруппа азота (пниктогены) – V группа, главная подгруппа «А» - азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре: азот - 0,01%, фосфор - 0,08%, мышьяк - 0,0006%, сурьма - 0,0004%, висмут - 0,00002%
Свойства элементов V-A подгруппы
Элемент |
Азот |
Фосфор |
Мышьяк |
Сурьма |
Висмут |
Свойство |
|||||
Порядковый номер элемента |
7 |
15 |
33 |
51 |
83 |
Относительная атомная масса |
14,007 |
30,974 |
74,922 |
121,75 |
208,980 |
Температура плавления,С0 |
-210 |
44,1 |
817 |
631 |
271 |
Температура кипения,С0 |
-196 |
280 |
613 |
1380 |
1560 |
Плотность г/см3 |
0,96 |
1,82 |
5,72 |
6,68 |
9,80 |
Степени окисления |
+5, +3,-3 |
+5, +3,-3 |
+5, +3,-3 |
+5, +3,-3 |
+5, +3,-3 |
II. Строение атомов химических элементов
Название химического элемента |
Схема строения атома |
Электронное строение последнего энергоуровня |
Формула высшего оксида R2O5 |
Формула летучего водородного соединения RH3 |
1. Азот |
N+7)2)5 |
…2s22p3 |
N2O5 |
NH3 |
2. Фосфор |
P+15)2)8)5 |
…3s23p3 |
P2O5 |
PH3 |
3. Мышьяк |
As+33)2)8)18)5 |
…4s24p3 |
As2O5 |
AsH3 |
4. Сурьма |
Sb+51)2)8)18)18)5 |
…5s25p3 |
Sb2O5 |
SbH3 |
5. Висмут |
Bi+83)2)8)18)32)18)5 |
…6s26p3 |
Bi2O5 |
BiH3 |
Наличие трех неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне объясняет то, что в нормальном, невозбужденном состоянии валентность элементов подгруппы азота равна трем.
У атомов элементов подгруппы азота (кроме азота - внешний уровень азота состоит только из двух подуровней - 2s и 2p) на внешних энергетических уровнях имеются вакантные ячейки d-подуровня, поэтому они могут распарить один электрон с s-подуровня и перенести его на d-подуровень. Таким образом, валентность фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута равна 5.
Элементы группы азота образуют с водородом соединения состава RH3, а с кислородом оксиды вида - R2O3 и R2O5. Оксидам соответствуют кислоты HRO2 и HRO3 (и ортокислоты H3PO4, кроме азота).
Высшая степень окисления этих элементов равна +5, а низшая -3.
Так как заряд ядра атомов увеличивается, число электронов на внешнем уровне постоянно, число энергетических уровней в атомах растёт и радиус атома увеличивается от азота к висмуту, притяжение отрицательных электронов к положительному ядру ослабевает и способность к отдаче электронов увеличивается, и, следовательно, в подгруппе азота с ростом порядкового номера неметаллические свойства убывают, а металлические усиливаются.
Азот - неметалл, висмут - металл. От азота к висмуту прочность соединений RH3 уменьшается, а прочность кислородных соединений возрастает.
Наибольшее значение среди элементов подгруппы азота имеют азот и фосфор .
III. Азот – химический элемент
1. Видео фильм: “Азот”
2. Строение атома азота и возможные степени окисления
N +7)2)5 1s22s22p3 незавершённый внешний уровень, p-элемент, неметалл, Ar(N)=14
Из-за наличия трёх неспаренных электронов азот очень активен, находится только в виде соединений. Азот проявляет в соединениях степени окисления от «-3» до «+5»
3. Азот – простое вещество, строение молекулы
Азо́т (от греч. ἀζωτος — безжизненный, лат. Nitrogenium), вместо предыдущих названий («флогистированный», «мефитический» и «испорченный» воздух) предложил в 1787 году Антуан Лавуазье. Как показано выше, в то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках.
N2 – ковалентная неполярная связь, тройная (σ, 2π), молекулярная кристаллическая решётка
4. Физические свойства
При нормальных условиях азот — это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100 г при 0 °C, 1,5 мл/100 г при 20°C, 1,1 мл/100 г при 40 °C, 0,5 мл/100 г при 80°C), плотность 1,2506 кг/м³ (при н. у.).
В жидком состоянии (темп. кипения −195,8 °C) — бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/м³. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.
При −209,86 °C азот переходит в твёрдое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте.
5. Химические свойства азота
N – окислитель ( 0 → -3) | N – восстановитель (0 → +5) |
1. С металлами образуются нитриды MxNy
3Сa + N2 = Ca3N2 (при t)
6Li + N2 = 2Li3N
Са3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3 2. С водородом 3H2+N2 ↔ 2NH3 (условия - t, p, kat) |
N2 + O2 ↔ 2 NO – Q (при t= 2000 C)
Азот не реагирует с серой, углеродом, фосфором, кремнием и некоторыми другими неметаллами |
6. Получение
В промышленности азот получают из воздуха. Для этого воздух сначала охлаждают, сжижают, а жидкий воздух подвергают перегонке (дистилляции). Температура кипения азота немного ниже (–195,8°C), чем другого компонента воздуха — кислорода (–182,9°C), поэтому при осторожном нагревании жидкого воздуха азот испаряется первым. Потребителям газообразный азот поставляют в сжатом виде (150 атм. или 15 МПа) в черных баллонах, имеющих желтую надпись «азот». Хранят жидкий азот в сосудах Дьюара.
В лаборатории чистый («химический») азот получают добавляя при нагревании насыщенный раствор хлорида аммония NH4Cl к твердому нитриту натрия NaNO2:
NaNO2 + NH4Cl = NaCl + N2 + 2H2O
Можно также нагревать твердый нитрит аммония:
NH4NO2 = N2 + 2H2O
Опыт: “Получение азота разложением нитрита аммония”
7. Применение и биологическая роль
В промышленности газ азот используют главным образом для получения аммиака. Как химически инертный газ азот применяют для обеспечения инертной среды в различных химических и металлургических процессах, при перекачке горючих жидкостей. Жидкий азот широко используют как хладагент, его применяют в медицине, особенно в косметологии. Важное значение в поддержании плодородия почв имеют азотные минеральные удобрения.
Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе),аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла,гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле - около 2,5 % (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9·1011 т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.
IV. Закрепление
Тренажёр №1:"Простое вещество азот"
Тренажёр №2: "Характеристика азота по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева"
Задания для закрепления
Задание №1. Осуществите превращения по схеме:
N2→ Li3N → NH3
Задание №2. Составьте уравнения реакции взаимодействия азота с кислородом, магнием и водородом. Для каждой реакции составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.
Задание №3. В одном цилиндре находится газ азот, в другом - кислород, а в третьем - углекислый газ. Как различить эти газы?
Задание №4. В некоторых горючих газах содержится в виде примеси свободный азот. Может ли при сгорании таких газов в обыкновенных газовых плитах образоваться оксид азота (II). Почему?
ЦОРы
Видео - фильм: “Азот”