Глава III. Неметаллы и их соединения. § 16. Общая характеристика элементов VA-группы. Азот — с. 89
§ 16. Проверьте свои знания.
1. Дайте общую характеристику элементов VA-группы на основании их положения в Периодической системе Д. И. Менделеева. Укажите закономерности изменения радиуса атома, электроотрицательности, неметаллических свойств с ростом атомного номера элемента.
1. Дайте общую характеристику элементов VA-группы на основании их положения в Периодической системе Д. И. Менделеева. Укажите закономерности изменения радиуса атома, электроотрицательности, неметаллических свойств с ростом атомного номера элемента.
В VA-группу входят азот N, фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb и висмут Bi (главная подгруппа 5-й группы, p-элементы). Атомы имеют на внешнем электронном слое 5 электронов (ns²np³), поэтому высшая степень окисления равна +5 (формулы высших оксидов R₂O₅, гидроксидов HRO₃ или H₃RO₄), низшая равна −3 (летучие водородные соединения RH₃: NH₃, PH₃, AsH₃). Азот и фосфор — типичные неметаллы, мышьяк проявляет двойственные свойства, сурьма и висмут — металлы.
Закономерности сверху вниз (с ростом атомного номера):
1) число электронных слоёв растёт, поэтому радиус атома увеличивается (N → Bi);
2) электроотрицательность уменьшается (наибольшая у азота, наименьшая у висмута);
3) неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются; кислотные свойства высших гидроксидов ослабевают (HNO₃ — сильная кислота, H₃PO₄ — средней силы), устойчивость водородных соединений уменьшается (NH₃ устойчив, BiH₃ почти не существует).
Закономерности сверху вниз (с ростом атомного номера):
1) число электронных слоёв растёт, поэтому радиус атома увеличивается (N → Bi);
2) электроотрицательность уменьшается (наибольшая у азота, наименьшая у висмута);
3) неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются; кислотные свойства высших гидроксидов ослабевают (HNO₃ — сильная кислота, H₃PO₄ — средней силы), устойчивость водородных соединений уменьшается (NH₃ устойчив, BiH₃ почти не существует).
§ 16. Проверьте свои знания.
2. В чём причина малой химической активности простого вещества азота?
Молекула азота N₂ состоит из двух атомов, соединённых прочной ковалентной неполярной тройной связью (N≡N). Энергия этой связи очень велика (около 945 кДж/моль), длина мала. Чтобы вступить в реакцию, молекулу надо разрушить, то есть затратить очень много энергии. Поэтому при обычных условиях азот почти не реагирует с другими веществами; с кислородом он взаимодействует лишь при температуре электрического разряда (выше 2000 °C), с водородом — при высоких температуре и давлении в присутствии катализатора. Из металлов при обычных условиях с азотом реагирует только литий.
§ 16. Примените свои знания.
3. Используя знания по биологии, охарактеризуйте биологическую роль азота. Нарисуйте схему круговорота азота в природе.
Биологическая роль. Азот — один из важнейших биогенных элементов (около 2–3 % массы живых организмов). Он входит в состав аминокислот и белков (структурных, ферментов, гормонов, гемоглобина), нуклеиновых кислот ДНК и РНК, АТФ, хлорофилла. Без азота невозможны рост, обмен веществ и передача наследственной информации. Растения берут азот из почвы в виде нитратов и солей аммония, животные получают его с растительной и животной пищей.
Круговорот азота (схема на рисунке):
1) молекулярный азот атмосферы N₂ связывается азотфиксирующими (клубеньковыми) бактериями на корнях бобовых, а при грозовых разрядах превращается в оксиды азота (N₂ + O₂ ⇄ 2NO); в почву поступают нитраты и соли аммония;
2) растения усваивают нитраты и аммонийный азот и строят из них белки;
3) животные получают белки с пищей;
4) остатки растений и животных и их выделения разлагаются бактериями гниения (аммонификация): органический азот превращается в аммиак и соли аммония;
5) нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов;
6) денитрифицирующие бактерии восстанавливают часть нитратов до N₂, который возвращается в атмосферу. К природным процессам добавляется промышленная фиксация азота (синтез аммиака, производство удобрений).
Круговорот азота (схема на рисунке):
1) молекулярный азот атмосферы N₂ связывается азотфиксирующими (клубеньковыми) бактериями на корнях бобовых, а при грозовых разрядах превращается в оксиды азота (N₂ + O₂ ⇄ 2NO); в почву поступают нитраты и соли аммония;
2) растения усваивают нитраты и аммонийный азот и строят из них белки;
3) животные получают белки с пищей;
4) остатки растений и животных и их выделения разлагаются бактериями гниения (аммонификация): органический азот превращается в аммиак и соли аммония;
5) нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов;
6) денитрифицирующие бактерии восстанавливают часть нитратов до N₂, который возвращается в атмосферу. К природным процессам добавляется промышленная фиксация азота (синтез аммиака, производство удобрений).
§ 16. Примените свои знания.
4. Какой объём газообразного азота может быть получен из 1000 м³ воздуха (н. у.), если потери в процессе фракционной перегонки сжиженного воздуха составляют 15 %?
Объёмная доля азота в воздухе составляет 78 %.
Дано: V(воздуха) = 1000 м³; φ(N₂) = 78 % (0,78); потери 15 %.
Найти: V(N₂), который можно получить.
Решение:
1) V(N₂) в воздухе = 1000 м³ · 0,78 = 780 м³.
2) Потери 15 %, значит, получают 100 % − 15 % = 85 % (0,85) от этого объёма:
V(N₂) = 780 м³ · 0,85 = 663 м³.
Ответ: 663 м³ азота.
Найти: V(N₂), который можно получить.
Решение:
1) V(N₂) в воздухе = 1000 м³ · 0,78 = 780 м³.
2) Потери 15 %, значит, получают 100 % − 15 % = 85 % (0,85) от этого объёма:
V(N₂) = 780 м³ · 0,85 = 663 м³.
Ответ: 663 м³ азота.
§ 16. Выразите своё мнение.
5. Вы уже знаете, что название «азот» предложил Антуан Лоран Лавуазье. Это произошло в 1787 г. Как переводится это слово?
Почему некоторые современники учёного считали данное им название неудачным?
Отражает ли оно свойства азота?
Аргументируйте свою точку зрения.
Слово «азот» (греч. a — «не», zoe — «жизнь») переводится как «безжизненный». Лавуазье дал такое название, потому что в азоте не горят вещества и не может жить животное: он не поддерживает ни горения, ни дыхания.
Современники считали название неудачным: азот не ядовит, он составляет около 4/5 воздуха, а его соединения необходимы всем живым организмам. Поэтому предлагали другие названия, например «нитроген» («рождающий селитру»), которое сохранилось в международной номенклатуре (лат. Nitrogenium, символ N).
Моя позиция: название отражает лишь одно свойство простого вещества — его химическую инертность и непригодность для дыхания, но не сущность элемента. Аргументы:
1) сам газ N₂ действительно не поддерживает ни дыхания, ни горения, то есть название не вполне ложно;
2) азот как элемент входит в белки, нуклеиновые кислоты, хлорофилл — без него жизни нет, поэтому название вводит в заблуждение;
3) удачнее название «нитроген», связанное с селитрами — важнейшими соединениями азота. Итог: название исторически объяснимо, но свойства элемента в целом отражает плохо.
Современники считали название неудачным: азот не ядовит, он составляет около 4/5 воздуха, а его соединения необходимы всем живым организмам. Поэтому предлагали другие названия, например «нитроген» («рождающий селитру»), которое сохранилось в международной номенклатуре (лат. Nitrogenium, символ N).
Моя позиция: название отражает лишь одно свойство простого вещества — его химическую инертность и непригодность для дыхания, но не сущность элемента. Аргументы:
1) сам газ N₂ действительно не поддерживает ни дыхания, ни горения, то есть название не вполне ложно;
2) азот как элемент входит в белки, нуклеиновые кислоты, хлорофилл — без него жизни нет, поэтому название вводит в заблуждение;
3) удачнее название «нитроген», связанное с селитрами — важнейшими соединениями азота. Итог: название исторически объяснимо, но свойства элемента в целом отражает плохо.
§ 16. Используйте дополнительную информацию.
6. Подготовьте сообщение об азотных удобрениях.
Сообщение. Азотные удобрения — вещества, содержащие азот в форме, доступной растениям. Азот входит в белки и хлорофилл, поэтому при его недостатке растения медленно растут, листья желтеют, снижается урожай. Основные азотные удобрения: аммиачная селитра NH₄NO₃ (около 35 % азота), мочевина (карбамид) CO(NH₂)₂ (около 46 % азота), сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ (21 %), нитраты натрия и кальция (натриевая и кальциевая селитры), аммиачная вода и жидкий аммиак. Исходное сырьё для большинства из них — аммиак, получаемый синтезом из азота воздуха и водорода. Удобрения вносят весной и в период роста (подкормки). Достоинства: быстро повышают урожайность и содержание белка в зерне. Опасности: избыток азота приводит к накоплению в овощах и воде нитратов, вредных для здоровья человека; часть удобрений смывается дождями в водоёмы и вызывает их «цветение» и загрязнение. Поэтому дозы рассчитывают по нормам, избегают внесения перед дождём и сочетают азотные удобрения с органическими (навоз, компост) и севооборотом с бобовыми, которые сами накапливают азот.