V группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (азот, фосфор)

К элементам главной подгруппы V группы периодической таблицы Менделеева относятся:

• Азот N
• Фосфор P
• Мышьяк As
• Сурьма Sb
• Висмут Bi

Общая характеристика элементов 5 группы главной подгруппы

От N к Bi (сверху вниз в периодической таблице)

Увеличивается

• атомного радиуса,
• металлических, основных, восстановительных свойств,

Уменьшается

• электроотрицательность,
• энергия ионизация,
• сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 5 электронов на внешнем слое ns²np³:

N – 2s² 2p³;

P – 3s²3p³;

As – 4s² 4p³;

Sb – 5s² 5p³;

Bi – 6s² 6p³

Db – 7s²7p³

Электронное строение азота и фосфора

Нахождение в природе азота и фосфора

Азот – это основной компонент воздуха (79% по массе). В земной коре азот встречается в основном в виде нитратов. Входит в состав белков, аминокислот и нуклеиновых кислот в живых организмах.

Фосфор встречается только в виде соединений. В основном это апатиты (например, Ca₃(PO₄)₂), фосфориты и др.). Фосфор входит в состав важнейших биологических соединений — фосфолипидов.

Аллотропные модификации фосфора

Азот

Способы получения азота

Лабораторный способ

• Разложение азидов щелочных металлов:

2NaN₃ → 2Na + 3N₂

• Разложение некоторых солей аммония:

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O

(NH₄)₂Cr₂O₇ → N₂ + 4H₂O + Cr₂O₃

• Окисление аммиака и солей аммония:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

8NH₃ + 3Br₂ → 2N₂ + 6NH₄Br

NH₄Cl + NaNO₂ → N₂ + NaCl + 2H₂O

• Восстановление оксида меди (II) аммиаком при температуре ~700°C:

3CuO + 2NH₃ → 3Cu + N₂ + 3H₂O

• Пропускание воздуха над раскаленной медью. При этом медь поглощает кислород, а азот с примесями остается:

2Cu + O₂ = 2CuO

Промышленный способ

• Т.к. азот в свободном состоянии присутствует в воздухе, то в промышленности его и получают путем разделения воздушной смеси (ректификация жидкого воздуха).

Кроме этого, широко применяются азотные установки и станции, для адсорбционного и мембранного разделения

Химические свойства азота

Молекула азота химически устойчива, вследствие чего азот химически инертен.

Но при определенных условиях он реагирует с металлами, тяжелее с неметаллами.

В реакциях с металлами он выступает в качестве восстановителя, а в реакциях с неметаллами – в качестве окислителя.

Со сложными веществами азот практически не взаимодействует, т.к. его реакционная способность очень мала.

Реакция возможна только с активными веществами и в жестких условиях.

Взаимодействие азота с простыми веществами

С кислородом

С кислородом взаимодействует только при температуре электрических искровых разрядов (2000^оС, в природе – во время грозы):

N₂ + O₂ ⇄ 2NO – Q

Процесс сопровождается поглощением теплоты (эндотермическая реакция)

С галогенами (F, Cl, Br, I)

Взаимодействует только со фтором, с образованием фторида азота:

N₂ + 3F₂ = 2NF₃

С водородом

Взаимодействует с водородом с образованием аммиака. Реакция обратима, поэтому для смещения равновесия в сторону продуктов реакции реакцию проводят в присутствии катализатора, при высоком давлении и высокой температуре:

N₂ + ЗН₂ ⇄ 2NH₃

При этом происходит выделение теплоты (экзотермическая реакция)

С серой

Не взаимодействует

С фосфором

Не взаимодействует

С углеродом

Реакция протекает при высокой температуре (2000^оС или действие электрического разряда) с образованием дициана:

2С + N₂ → N≡C–C≡N

В присутствии соды реакция протекает с образованием цианид натрия:

2N₂ + 5C + 2Na₂CО₃ = 4NaCN + 3CО₂↑

С кремнием

Взаимодействие с кремнием с образованием нитрида кремния

2N₂ + 3Si = Si₃N₄

С металлами

Реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами с образованием нитридов

N₂ + 6Li = 2Li₃N

N₂ + 6Cs = 2Cs₃N

N₂ + 3Mg = Mg₃N₂

Взаимодействие возможно как с чистым азотом, так и при горении металлов на воздухе

Взаимодействие азота со сложными веществами

С водой

Не взаимодействует

С кислотами

Не взаимодействует

С водными растворами щелочей

Не взаимодействует

С солями

Не взаимодействует

С оксидами

Не взаимодействует

С гидридами активных металлов

Реагирует с образованием нитридов:

N₂ + 3LiH → Li₃N + NH₃

Фосфор

Способы получения фосфора

• Основной способ получения белого фосфора состоит в вакуум-термическом восстановлении природных минералов, содержащих Ca₃(PO₄)_2.:

Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 5CO + 2P

Таким способом получается фосфор в газообразном состоянии

• Кроме фосфатов используют и другие неорганические соединения фосфора, например:

4HPO₃ + 10C → P₄ + 2H₂O + 10 CO

• Красный и черный фосфор получают из белого фосфора, при температуре около 400ºС, давлении около 12000 Мпа в присутствии катализатора Hg

Химические свойства фосфора

Фосфор вступает в реакции как с металлами, так и неметаллами. В реакциях с элементами, расположенными ниже и левее в Периодической системе фосфор выступает в качестве окислителя, с элементами, расположенными выше и правее – в качестве восстановителя.

При недостатке окислителя образуются соединения фосфора (III), при избытке — соединения фосфора (V)

Взаимодействие фосфора с простыми веществами

С кислородом

Взаимодействие с кислородом воздуха приводит к образованию оксидов – ангидридов соответствующих кислот:

4P + 3O₂ → 2P₂O₃

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

С галогенами (F, Cl, Br, I)

Взаимодействует с галогенами с образованием галогенидов с общей формулой PHal₃ – при недостатке галогена и PHal₅ – при избытке галогена:

2P + 3Cl₂ → 2PCl₃

2P + 5Cl₂ → 2PCl₅

С водородом

Непосредственно не взаимодействует

С серой

При взаимодействии с серой образуются сульфиды:

2P + 3S → P₂S₃

2P + 5S → P₂S₅

С азотом

Не взаимодействует

С углеродом

Не взаимодействует

С кремнием

С кремнием азот реагирует в очень жестких условиях, с образованием нитридов:

3Si + 2N₂→ Si₃N₄

С металлами

В реакциях с активными металлами фосфор выступает в качестве окислителя, образуя фосфиды металлов:

2Р + ЗСа = Са₃Р₂

Р + 3Na = Na₃P

Взаимодействие фосфора со сложными веществами

С водой

Красный фосфор реагирует с водой при температуре 700-900ºС и в присутствии катализатора (Cu, Pt, Ti, Zr):

2P + 8H₂O = 2H₃PO₄ + 5H₂

С кислотами

Взаимодействует с кислотами – окислителями:

Р + 5HNО₃(конц.) = Н₃РО₄ + 5NО₂ + Н₂О

ЗР + 5HNО₃(разб.) + 2Н₂О = ЗН₃РО₄ + 5NO

2Р + 5H₂SО₄(конц.)= 2Н₃РО₄ + 5SО₂ + 2Н₂О

С водными растворами щелочей

С щелочными растворами вступает в реакции диспропорционирования, с образованием фосфина:

4Р + ЗКОН + 3Н₂О = РH₃↑ + ЗКН₂PО₂

8Р + ЗВа(ОН)₂+ 6Н₂О = 2PH₃↑ +ЗВа(Н₂PО₂)₂

С солями

Не взаимодействует

С оксидами

Взаимодействует с сильными окислителями:

8Р+ 10NО₂ = 4P₂О₅ + 5N₂