Элементы 15(V) группы и их соединения

Учебниковая опора

• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 30–36
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 38–43
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 45–52
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 36, 180–182, 231–233, 237

Главное

• Азот: $2s^22p^3$, молекула $N_2$ с тройной связью (~945 кДж/моль) — поэтому малоактивен; в воздухе 78,09 % по объёму.
• Аммиак $NH_3$ — треугольная пирамида, хорошо растворим (700 л в 1 л воды), восстановитель; ион $NH_4^+$ образуется по донорно-акцепторному механизму.
• $HNO_3$ — степень окисления N $+5$, валентность IV; с металлами никогда не даёт $H_2$.
• Фосфор: белый (яд, светится, хранят под водой), красный (спички), чёрный (полупроводник).
• $H_3PO_4$ — трёхосновная кислота средней силы; качественная реакция на фосфат — жёлтый $Ag_3PO_4$.

Теория

Азот. Бесцветный газ, $t_{кип} = -196$ °C. При обычных условиях реагирует лишь с литием: $6Li + N_2 = 2Li_3N$. При нагревании — окислитель: $N_2 + 3H_2 = 2NH_3$; $3Mg + N_2 = Mg_3N_2$; с кислородом только при ~3000 °C (разряд): $N_2 + O_2 = 2NO$. Круговорот: азотфиксация (клубеньковые бактерии) → аммонификация → нитрификация → денитрификация.

Аммиак. Три полярные связи N–H и неподелённая пара на азоте.

• Лаборатория: $NH_4Cl + NaOH = NH_3\uparrow + NaCl + H_2O$; $(NH_4)_2SO_4 + Ca(OH)_2 = 2NH_3 + CaSO_4 + 2H_2O$.
• Промышленность (Габер — Бош): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + 92$ кДж — высокое давление (200–300 атм), 400–500 °C (компромисс скорости и выхода), железный катализатор с промоторами, вывод $NH_3$ и рецикл газов.
• Свойства: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4OH$ (щелочная среда); $NH_3 + HCl = NH_4Cl$ (белый дым); горение $4NH_3 + 3O_2 = 2N_2 + 6H_2O$; каталитическое окисление (Pt–Rh) $4NH_3 + 5O_2 = 4NO + 6H_2O$; разложение $2NH_3 = N_2 + 3H_2$.
• В $[NH_4]^+$ все четыре связи N–H одинаковы. Соли аммония щёлочи разлагают с выделением $NH_3$.

Азотная кислота. Бесцветная «дымящая» жидкость, $t_{кип} = 82{,}6$ °C. Лаборатория: $NaNO_3 + H_2SO_4 = NaHSO_4 + HNO_3$. Промышленность (Оствальд): $4NH_3 + 5O_2 \to 4NO + 6H_2O$; $2NO + O_2 = 2NO_2$; $4NO_2 + O_2 + 2H_2O = 4HNO_3$. Окислитель — ион $NO_3^-$; реагирует почти со всеми металлами, кроме Au и Pt:

• конц.: $Cu + 4HNO_3 = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$ (бурый газ);
• разб.: $3Cu + 8HNO_3 = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ (бесцветный). Чем разбавленнее кислота, тем глубже восстанавливается азот. Холодная конц. $HNO_3$ пассивирует Fe, Cr, Al.

Разложение нитратов

Металл	Продукты	Пример
щелочные (K, Na, Li)	нитрит + $O_2$	$2NaNO_3 \to 2NaNO_2 + O_2$
от Mg до Cu	оксид + $NO_2$ + $O_2$	$2Pb(NO_3)_2 \to 2PbO + 4NO_2 + O_2$
после Cu (Ag, Hg)	металл + $NO_2$ + $O_2$	$2AgNO_3 \to 2Ag + 2NO_2 + O_2$
$NH_4NO_3$	$N_2O + 2H_2O$	без остатка
Обнаружение $NO_3^-$: медь + конц. $H_2SO_4$ при нагревании → бурый $NO_2$.

Азотные удобрения: $NH_3 + HNO_3 = NH_4NO_3$ (аммиачная селитра — сильный окислитель); карбамид $2NH_3 + CO_2 = CO(NH_2)_2 + H_2O$.

Фосфор

	Белый	Красный	Чёрный
Вид	кристаллы, чесночный запах	порошок	графитоподобный полупроводник
$t_{пл}$ / ρ	44 °C / 1,8	— / 2,3	— / 2,7
Особенности	светится, яд, растворим в $CS_2$	не ядовит	—
Белый → красный при ~400 °C. Получение: $Ca_3(PO_4)_2 + 5C + 3SiO_2 = 3CaSiO_3 + 2P + 5CO$ (1500 °C).

• восстановитель: $4P + 5O_2 = 2P_2O_5$; окислитель: $3Ca + 2P = Ca_3P_2$; с водородом — фосфин $PH_3$ (ядовит, запах гнилой рыбы).
• $P_2O_5 + 3H_2O = 2H_3PO_4$; соли: фосфаты, гидрофосфаты, дигидрофосфаты: $H_3PO_4 + NaOH = NaH_2PO_4 + H_2O$, с 2 NaOH — $Na_2HPO_4$, с 3 NaOH — $Na_3PO_4$.

Примеры

1. Какой газ выделится: Cu + разб. $HNO_3$? $NO$ (бесцветный, буреет на воздухе до $NO_2$).
2. Продукты разложения $Cu(NO_3)_2$? $CuO$, $NO_2$, $O_2$ (металл в интервале Mg–Cu).
3. Почему синтез аммиака ведут при высоком давлении? Слева 4 объёма газов, справа 2 — давление смещает равновесие вправо.
4. Какая соль образуется при 1 моль $H_3PO_4$ и 2 моль NaOH? $Na_2HPO_4$.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Пишут выделение $H_2$ при реакции металлов с $HNO_3$.
• Путают валентность (IV) и степень окисления (+5) азота в $HNO_3$.
• Приписывают нитрату натрия разложение до оксида.
• Считают азот активным газом: тройная связь делает его инертным.
• Путают безопасный красный и ядовитый белый фосфор.

Самопроверка

1. Какой катализатор окисления аммиака до NO? — Сплав платины с родием.
2. Продукты разложения $AgNO_3$? — Ag, $NO_2$, $O_2$.
3. Форма молекулы аммиака? — Треугольная пирамида.
4. Качественная реакция на фосфат-ион? — $AgNO_3$, жёлтый осадок $Ag_3PO_4$.
5. Какие металлы пассивирует холодная конц. $HNO_3$? — Fe, Cr, Al.