Элементы V A группы

К элементам VA группы относится N, P, As, Sb, Bi. Это элементы р-семейства. Азот, фосфор, мышьяк – неметаллы, а сурьма и висмут – металлы.

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня для элементов VA группы – ns²np³, где n – номер электронного слоя. По группе сверху вниз увеличивается радиус атома, энергия ионизации уменьшается, а энергия сродства к электрону увеличивается, электроотрицательность от азота к висмуту уменьшается.

Для азота характерны степени окисления от -3 до +5. У фосфора возможны степени окисления -3, +1, +3, +5. А для мышьяка, сурьмы и висмута – -3, +3, +5.

В природе азот встречается в составе воздуха (78 % по объёму), азот входит в состав белков, нитратов. Фосфор входит в состав ДНК, РНК, а также фосфоритов и апатитов (Са₃(РО₄)₂).

Азот – газ, без цвета, запаха и вкуса. Фосфор имеет три аллотропные модификации: белый (P₄), красный и чёрный (P_n). Белый фосфор – это твёрдое воскообразное вещество белого цвета, имеет чесночный запах, светится в темноте, ядовит. Красный фосфор – твёрдое вещество красного цвета, а чёрный фосфор имеет чёрный цвет и проводит электрический ток. В отличие от белого фосфора, который имеет молекулярное строение, красный и чёрный фосфор имеют атомную кристаллическую решётку.

В промышленности азот получают фракционной перегонкой жидкого воздуха, а в лаборатории – разложением нитрита аммония или азида натрия:

NH₄NO₂ = N₂↑ + 2H₂O

2NaN₃ = 2Na + 3N₂↑.

Фосфор в промышленности получают из фосфоритов и апатитов:

2Ca₃(PO₄)₂ + 10C + 6SiO₂ = P₄↑ + 10CO↑ + 6CaSiO₃.

Рассмотрим химические свойства азота и фосфора. Азот является химически малоактивным веществом из-за большой энергии связи между атомами азота. При обычных условиях азот реагирует только с литием, в результате образуется нитрид лития Li₃N. В реакции с магнием образуется нитрид магния Mg₃N₂. Причём нитриды разлагаются водой с образованием аммиака и соответствующего гидроксида металла:

Mg₃N₂ + 6H₂O = 3Mg(OH)₂ + 2NH₃.

В реакции азота с водородом H₂ образуется аммиак NH₃, в реакции азота с кислородом O₂ образуется оксид азота (II) NO. С водой, кислотами и щелочами азот не реагирует.

Фосфор более активный, чем азот. С водородом H₂ фосфор не реагирует. В реакции фосфора с галогенами, например избытком хлора Cl₂, образуется хлорид фосфора (V) PCl₅. В реакции фосфора с избытком кислорода образуется оксид фосфора (V) P₂O₅. В реакциях фосфора с металлами, например кальцием, образуется фосфид кальция Ca₃P₂. Фосфиды в реакции с водой образуют фосфин и соответствующий гидроксид металла:

PH₃↑ + Ca(OH)₂.

В реакции фосфора с избытком серы образуется сульфид фосфора (V) P₂S₅. В реакции фосфора с концентрированной серной кислотой H₂SO₄ (конц.) образуются фосфорная кислота, оксид серы (IV) и вода:

H₃PO₄ + SO₂↑ + H₂O.

В реакции фосфора с концентрированной азотной кислотой HNO₃ (конц.) образуются фосфорная кислота, оксид азота (IV) и вода:

H₃PO₄ + NO₂↑ + H₂O.

В реакции фосфора с бертолетовой солью при нагревании образуется хлорид калия и оксид фосфора (V). В реакции фосфора с концентрированным раствором гидроксида калия KOH (конц.) образуется фосфин и дигидрофосфат калия.

Рассмотрим специфические свойства оксидов азота. Оксид азота (I) – N₂O, или монооксид диазота – бесцветный газ, плохо растворим в воде. Это несолеобразующий оксид. Его ещё называют «веселящий газ», так как он вызывает состояние алкогольного опьянения. В смеси с кислородом он вызывает хирургический наркоз, что используют в анестезии. В атмосфере этого азота горит сера с образованием оксида серы (IV), а также горит и фосфор с образованием оксида фосфора (V):

2N₂O + S = 2N₂ + SO₂

5N₂O + 2P = 5N₂ + P₂O₅.

Монооксид азота – NO, или оксид азота (II) – несолеобразующий оксид, это бесцветный газ, плохо растворим в воде. При нагревании он реагирует с кислородом до образования оксида азота (IV), а также он реагирует с хлором до образования хлорида нитрозила:

2NO + O₂ = 2NO₂

2NO + Cl₂ = 2NOCl.

Оксид азота (III) – N₂O₃ является синей жидкостью, устойчивая при низких температурах. Является кислотным оксидом, который в реакции с водой образует азотистую кислоту:

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₂.

Диоксид азота, оксид азота (IV) – NO₂ является бурым газом, за что получил название «лисий хвост», он обладает резким, специфическим запахом. Диоксид азота является кислотным оксидом. Он реагирует с водой с образованием азотистой и азотной кислот. Если в раствор дополнительно пропускать кислород, то образуется азотная кислота:

2NO₂ + H₂O = HNO₂ + HNO₃

4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃.

Оксид азота (V) – N₂O₅ представляет собой прозрачные бесцветные кристаллы. Это высший оксид азота является кислотным оксидом, который в реакции с водой образует азотную кислоту:

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃.

Рассмотрим свойства водородных соединений элементов VA группы: азота, фосфора, мышьяка и висмута. Основные свойства водородных соединений от азота к висмуту уменьшаются, термическая устойчивость тоже уменьшается, а дина связи, наоборот, увеличивается. NH₃

Аммиак – это газ, с резким запахом, хорошо растворим в воде. Рассмотрим химические свойства аммиака. При окислении аммиака O₂, образуются азот и вода; если окисление аммиака в присутствии идёт в присутствии катализатора, то образуются оксид азота (II) и вода. В реакции аммиака с оксидом меди (II) образуется медь, азот и вода. В реакции аммиака с хлором образуется азот и хлороводород. В реакции аммиака с литием образуются амид лития и водород. В реакции аммиака с хлороводородом образуется хлорид аммония. В реакции аммиака с серной кислотой образуется сульфат аммония.

Соли аммония можно получить тремя способами. Во-первых, в реакции аммиака с кислотой. Например, в реакции аммиака с бромоводородной кислотой образуется бромид аммония:

NH₃ + HBr = NH₄Br.

Во-вторых, в реакции солей аммония с растворимыми солями. Например, в реакции сульфата аммония с хлоридом бария образуются сульфат бария и хлорид аммония:

(NH₄)₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2NH₄Cl.

В-третьих, в реакции солей аммония с кислотами. Так, в реакции гидрокарбоната аммония с азотной кислотой образуются нитрат аммония, оксид углерода (IV) и вода:

NH₄HCO₃ + HNO₃ = NH₄NO₃ + CO₂↑ + H₂O

Но соли аммония имеют свои особенности. Например, соли аммония реагируют с кислотами, если образуется слабый электролит или газ. Так, в реакции карбоната аммония с соляной кислотой образуются хлорид аммония, оксид углерода (IV) и вода:

(NH₄)₂CO₃ + 2HCl = 2NH₄Cl + CO₂↑ + H₂O.

Соли аммония реагируют с растворимыми солями. Так, в реакции бромида аммония с нитратом серебра (I) образуются нитрат аммония и осадок – бромид серебра (I):

NH₄Br + AgNO₃ = NH₄NO₃ + AgBr↓.

Соли аммония разлагаются щелочами с выделением аммиака. Так, в реакции хлорида аммония с гидроксидом кальция образуются хлорид кальция, аммиак и вода:

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

Некоторые соли аммония, если они образованы анионами кислоты-неокислителя, разлагаются на аммиак и соответствующую кислоту. Например, в реакции разложения хлорида аммония, образуется аммиак и хлороводород. В реакции разложения карбоната аммония образуется аммиак, оксид углерода (IV) и вода. А если соль образована анионом кислоты-окислителя, то протекают окислительно-восстановительные процессы. Так, в реакции разложения нитрита аммония образуется азот и вода, в реакции разложения нитрата аммония образуется оксид азота (I) и вода:

NH₄Cl = NH₃ + HCl

(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ + CO₂↑ + H₂O

NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O

NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O.

Азотная кислота – HNO₃ соединение азота. Степень окисления азота в ней +5, а валентность его равна IV. Азотная кислота – бесцветная жидкость, с водой смешивается в любых соотношениях. Имеет резкий удушливый запах, при стоянии окрашивается в жёлтый цвет, вследствие образования оксида азота (IV).

Для азотной кислоты характерны все те же свойства, что и для других кислот. Но есть ряд специфических свойств. Так, азотная кислота ни при каких условиях не реагирует с Au, Pt, W. При комнатной температуре концентрированная азотная кислота не действует на Al, Fe, Cr. При нагревании эти реакции идут. Например, в реакции железа с концентрированной азотной кислотой при нагревании образуются нитрат железа (III), оксид азота (IV) и вода:

Fe + 6HNO₃ (конц.) = Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O.

При взаимодействии концентрированной азотной кислоты с неактивными металлами выделяется оксид азота (IV). Например, в реакции меди с концентрированной азотной кислотой образуются нитрат меди (II), оксид азота (IV) и вода:

Cu + 4HNO₃ (конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O.

В реакциях разбавленной азотной кислоты с активными металлами в зависимости от концентрации кислоты могут образовываться различные продукты. Например, в реакции цинка с очень разбавленной азотной кислотой образуются нитрат цинка, нитрат аммония и вода:

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

Концентрированная азотная кислота окисляет многие неметаллы. Например, серу – до серной кислоты; фосфора – до фосфорной кислоты; углерод – до оксида углерода (IV).

«Царская водка» – смесь концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1:3 – окисляет золото:

Au + HNO₃ + 3HCl = AuCl₃ + NO + 2H₂O.

Получают азотную кислоту из аммиака в несколько стадий: на первой стадии идёт каталитическое окисление аммиака до образования оксида азота (II), затем происходит окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV), а на последней стадии идёт реакция взаимодействия оксида азота (IV), кислорода и воды, при котором образуется азотная кислота.

Водородное соединение фосфора – фосфин. Это газ, который плохо растворим в воде. Он легко воспламеняется на воздухе.

Важнейшими оксидами фосфора являются оксид фосфора (III) и оксид фосфора (V). Оксид фосфора (III) – P₂O₃ белое кристаллическое вещество, имеет молекулярную кристаллическую решётку. Образуется в результате горения фосфора в недостатке кислорода:

4P + 3O₂ (нед.) = 2P₂O₃.

Оксид фосфора (V) – Р₂О₅ белое кристаллическое вещество, имеет молекулярную кристаллическую решётку. Это сильное водоотнимающее средство, поэтому его используют как осушитель. Оксид фосфора (V) образуется при горении фосфора в избытке кислорода:

4Р + 5О₂ = 2Р₂О₅.

Оксиду фосфора (V) соответствует ортофосфорная кислота – Н₃РО₄. Это трёхосновная кислота средней силы. Ортофосфорная кислота, или просто фосфорная – твёрдое прозрачное вещество, с водой смешивается в любых соотношениях.

Фосфорная кислота проявляет свойства вех кислот. Она реагирует с металлами до водорода, с основными и амфотерными оксидами, с основаниями, аммиаком, с солями слабых кислот.

 Реактивом на фосфат-ион является ион серебра, при этом образуется жёлтый осадок – фосфат серебра (I):

3Ag⁺ + PO₄^3- = Ag₃PO₄↓.