Шпаргалка по элементам подгруппы азота (пниктогенам): азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi). Основные химические реакции, формулы, уравнения, получение и свойства соединений.
1. Общая характеристика и степень окисления
Электронная конфигурация внешнего слоя: \(ns^2 np^3\).Возможные степени окисления: \(-3, 0, +1, +2, +3, +4, +5\).
- Высший оксид: \(\text{R}_2\text{O}_5\) (кислотные свойства преобладают).
- Водородное соединение: \(\text{RH}_3\) (газы, основные свойства уменьшаются от \(\text{NH}_3\) к \(\text{BiH}_3\)).
2. Азот (\(\text{N}_2\)) и его соединения
Простое вещество и получение
Связь тройная (\(\text{N}\equiv\text{N}\)), энергия диссоциации \(E = 945 \text{ кДж/моль}\).
- Промышленный способ: фракционная перегонка жидкого воздуха.
- Лабораторный способ: разложение нитрита аммония:
$$\text{NH}_4\text{NO}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{N}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$
Свойства азота
Реакция с литием при комнатной температуре:
$$6\text{Li} + \text{N}_2 \rightarrow 2\text{Li}_3\text{N}$$
Синтез аммиака (процесс Габера):
$$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3 + Q \quad (p, T, \text{Fe})$$
Аммиак (\(\text{NH}_3\)) и соли аммония
Горение аммиака (без каталазитора и с катализатором):
$$4\text{NH}_3 + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{N}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$$
$$4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$$
Качественная реакция на ион аммония (\(\text{NH}_4^+\)):
$$\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \xrightarrow{\Delta} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$
Оксиды азота
| Формула | Название | Характер оксида / Реакция |
|---|---|---|
| \(\text{N}_2\text{O}\) | Оксид азота(I) | Несолеобразующий |
| \(\text{NO}\) | Оксид азота(II) | Несолеобразующий; \(2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2\) |
| \(\text{N}_2\text{O}_3\) | Оксид азота(III) | Кислотный (\(\text{HNO}_2\)); \(\text{N}_2\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_2\) |
| \(\text{NO}_2\) | Оксид азота(IV) | Кислотный смешанный; \(2\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{HNO}_3 + \text{HNO}_2\) |
| \(\text{N}_2\text{O}_5\) | Оксид азота(V) | Кислотный (\(\text{HNO}_3\)); \(\text{N}_2\text{O}_5 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3\) |
Азотная кислота (\(\text{HNO}_3\)) и взаимодействие с металлами
При взаимодействии с металлами водород не выделяется!
Общая схема: \(\text{Me} + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{Me}(\text{NO}_3)_n + \text{Продукт восстановленя N} + \text{H}_2\text{O}\)
- Концентрированная \(\text{HNO}_3\) пассивирует \(\text{Fe, Cr, Al}\) на холоду.
- Разбавленная \(\text{HNO}_3\) с неактивными металлами (\(\text{Cu, Ag}\)):
$$3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3 \text{ (разб.)} \rightarrow 3\text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}$$
- Концентрированная \(\text{HNO}_3\) с малоактивными металлами:
$$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3 \text{ (конц.)} \rightarrow \text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$
- Очень разбавленная \(\text{HNO}_3\) с активными металлами (\(\text{Mg, Zn}\)):
$$4\text{Zn} + 10\text{HNO}_3 \text{ (очень разб.)} \rightarrow 4\text{Zn}(\text{NO}_3)_2 + \text{NH}_4\text{NO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
Термическое разложение нитратов:
- Левее \(\text{Mg}\): \(2\text{MeNO}_3 \xrightarrow{\Delta} 2\text{MeNO}_2 + \text{O}_2\uparrow\)
- От \(\text{Mg}\) до \(\text{Cu}\): \(2\text{Me}(\text{NO}_3)_2 \xrightarrow{\Delta} 2\text{MeO} + 4\text{NO}_2\uparrow + \text{O}_2\uparrow\)
- Правее \(\text{Cu}\): \(2\text{MeNO}_3 \xrightarrow{\Delta} 2\text{Me} + 2\text{NO}_2\uparrow + \text{O}_2\uparrow\)
3. Фосфор (\(\text{P}\)) и его соединения
Аллотропные модификации
- Белый фосфор (\(\text{P}_4\)) — молекулярная решетка, ядовит, самовоспламеняется.
- Красный фосфор (\(\text{P}_n\)) — атомная/полимерная структура, неядовит.
- Черный фосфор — слоистая решетка, полупроводник.
Химические свойства фосфора
Взаимодействие со щелочами (диспропорционирование белого фосфора):
$$\text{P}_4 + 3\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{PH}_3\uparrow + 3\text{NaH}_2\text{PO}_2$$
Взаимодействие с металлами (образование фосфидов):
$$3\text{Ca} + 2\text{P} \xrightarrow{\Delta} \text{Ca}_3\text{P}_2$$
Гидролиз фосфидов (получение фосфина \(\text{PH}_3\)):
$$\text{Ca}_3\text{P}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 3\text{Ca}(\text{OH})_2 + 2\text{PH}_3\uparrow$$
Кислоты фосфора
- Фосфорноватистая кислота (\(\text{H}_3\text{PO}_2\)) — одноосновная.
- Фосфористая кислота (\(\text{H}_3\text{PO}_3\)) — двухосновная.
- Ортофосфорная кислота (\(\text{H}_3\text{PO}_4\)) — трех-основная.
Качественная реакция на фосфат-ион (\(\text{PO}_4^{3-}\)):
$$\text{PO}_4^{3-} + 3\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Ag}_3\text{PO}_4\downarrow \quad \text{(желтый осадок)}$$
4. Мышьяк (\(\text{As}\)), Сурьма (\(\text{Sb}\)), Висмут (\(\text{Bi}\))
При движении по подгруппе сверху вниз (\(\text{N} \rightarrow \text{Bi}\)):
- Неметаллические свойства ослабевают, металлические возрастают (\(\text{Bi}\) — типичный металл).
- Основный характер оксидов возрастает: \(\text{As}_2\text{O}_3\) (амфотерный с преобладанием кислотных), \(\text{Sb}_2\text{O}_3\) (амфотерный), \(\text{Bi}_2\text{O}_3\) (основный).
- Проба Марша на мышьяк:
$$\text{As}_2\text{O}_3 + 6\text{Zn} + 12\text{H}^+ \rightarrow 2\text{AsH}_3\uparrow + 6\text{Zn}^{2+} + 3\text{H}_2\text{O}$$
Термический разложение арсина (зеркало мышьяка):
$$2\text{AsH}_3 \xrightarrow{\Delta} 2\text{As} + 3\text{H}_2\uparrow$$