НІТРОГЕН І ФОСФОР § 9. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА НІТРОГЕНУ І ФОСФОРУ
Історичні відомості. Відкриття азоту N2, молекули якого складаються з елемента Нітрогену N, приписують шотландському вченому Даніелю Резерфорду, який у 1772 p., досліджуючи частину повітря, що залишилася під дзвоном, де кілька днів жила миша, встановив, що це «повітря» не підтримує ні дихання, ні горіння. Він вважав, що воно насичене флогістоном, і назвав його «отруйним повітрям».
Майже у цей самий час азот добули К. Шеєле, Дж. Прістлі, Г. Кавендіш. Проте всі ці видатні вчені були переконаними прихильниками теорії флогістону і з ним пов'язували властивості «отруйного повітря». Лише А. Лавуазье, який вів наступ на флогістон, у 1776 р. дослідив цей газ і довів, що він є простою речовиною, а згодом і запропонував для нього назву азот — «безжиттєвий» (від грец. слів «о» —заперечення і «зое» —життя).
Фосфор було відкрито у 1669 р. Хеннінгом Брандом, алхіміком з Гамбурга, який намагався відшукати філософський камінь, за допомогою якого старі люди нібито молодшають, хворі видужують, а неблагородні метали перетворюються на золото. Під час одного з дослідів X. Бранд випарив сечу, залишок змішав з вугіллям та піском і продовжував випарювати. Невдовзі у колбі утворилася речовина, що світилася у темряві (фосфор —від грец.світлоносний).
Нітроген і Фосфор —типові елементи V групи періодичної системи, належать до головної підгрупи.
• Пригадайте будову атомів Нітрогену і Фосфору на основі положення цих елементів у періодичній системі й запишіть схеми будови їх атомів і електронні формули.
Ступінь окиснення Нітрогену в сполуках може бути від -3 (коли атом відтягує 3 електрони від атома менш електронегативного елемента) до +5 (коли 1, 2, 3, 4 або всі 5 валентних електронів відтягуються до атомів більш електронегативних елементів, ніж Нітроген).
• Напишіть формули сполук Нітрогену з Гідрогеном і Оксигеном, де Нітроген виявляє різні ступені окиснення, і в кожному з випадків поясніть, чим зумовлений даігай ступінь окиснення атома Нітрогену.
Атом Фосфору має подібну електронну будову зовнішнього електронного шару:
Відмінність полягає у тому, що в атомі Фосфору на зовнішньому електронному шарі є вільні d-орбіталі, це дає можливість йому переходити у збуджений стан (порівняйте з Сульфуром):
Згідно з кількістю неспарених електронів у основному і збудженому станах атом Фосфору в сполуках може виявляти ступені окиснення -3, +3,+5.
• Напишіть формули сполук Фосфору з Гідрогеном і Оксигсном, де Фосфор виявляє зазначені ступені окиснення, і поясніть, чим вони зумовлені.
Як ви можете пояснити той факт, що для атома Нітрогену збуджений стан неможливий. Чому?
Елемент Нітроген у вільному стані існує у формі простої речовини—азоту. Молекула азоту двохатомна N2. Атоми Нітрогену об'єднуються один з одним за допомогою трьох електронних пар і утворюють міцний потрійний зв'язок (три ковалентні зв'язки):
Фізичні властивості. За стандартних умов азот — газ без кольору і запаху. Молекули його неполярні, тому взаємодія між ними слабка, вона не може перешкодити їхньому хаотичному рухові. Цим пояснюється газуватий стан азоту за стандартних умов і це є причиною того, що азот зріджується (-196 °С) і твердне (-210 °С) за дуже низьких температур. У твердому стані має молекулярні кристалічні #ратки. Не полярністю молекул азоту пояснюється його низька розчинність у воді (в 1 об'ємі води за 20 °С розчиняється 0,0154 об'єми азоту). Він трохи легший за повітря, маса 1 л азоту дорівнює 1,25 г.
Хімічний елемент Фосфор, на відміну від Нітрогену, утворює кілька простих речовин, які помітно різняться за властивостями.
Це — білий, червоний і чорний фосфор.
Білий фосфор—м'яка кристалічна речовина, у чистому вигляді зовсім безбарвна і прозора, але зазвичай жовтуватого кольору (схожа на віск), летка, має запах часнику, легкоплавка (tпл.=44°С) і легкозаймиста. Має молекулярні кристалічні ґратки, у вузлах яких розміщені тетраедричні молекули Р4 (мал. 4). У воді не розчиняється. Розчиняється у сірковуглеці CS2 та бензені. У темряві на повітрі світиться зеленкувато-жовтим світлом (люмінесценція), при цьому виділяється теплота (хімічна енергія перетворюється на світлову). Таке явище спричинюється повільним окисненням. Теплота, що виділяється при цьому, може розплавити фосфор і призвести до його займання. Через це білий фосфор зберігають під водою. Під
час нагрівання або на світлі він перетворюється на червоний фосфор.
Білий фосфор — надзвичайно отруйна речовина, навіть у малих дозах (50 мг) діє смертельно!
Червоний фосфор — порошок від темно-коричневого до червоного і фіолетового кольору, з атомними кристалічними ґратками (структура до кінця не з'ясована), без запаху, не отруйний, на повітрі окиснюється повільно, у темряві не світиться, загоряється лише за 260 °С. Легко вбирає вологу (гігроскопічний), але у воді і в сірковуглеці CS2не розчиняється. Піц час нагрівання без доступу повітря випаровується, а при охолодженні його пара перетворюється на білий фосфор.
Чорний фосфор — речовина, схожа на графіт, має шарувату будову, металічний блиск, виявляє властивості напівпровідника, не отруйний. Це найстійкіша алотропна форма. Утворюється з білого фосфору при тривалому нагріванні (200 "С) під великим тиском (1220 МПа).
Утворення Фосфором кількох алотропних форм пояснюється різним розміщенням атомів один відносно одного у кристалічних ґратках.
У природі Нітроген зустрічається як у вільному стані, так і у зв'язаному. У вільному стані Нітроген у вигляді азоту входить до складу повітря (об'ємна частка N2 становить 78 %, масова—75,6 %). Оскільки азот з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У вигляді неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в ґрунті. Проте у вигляді складних органічних сполук —білків —він увіходить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.
На відміну від Нітрогену Фосфор зустрічається в природі тільки в сполуках (чому?). Найважливіші мінерали, до складу яких уходить фосфат кальцію Са3(Р04)2,—це фосфорити й апатити. Найбільше у світі родовище апатитів на Коль-ському півострові у Хібінських горах.
В Україні родовища фосфоритів зустрічаються у Придністров'ї, на Харківщині, в Чернігівській та Запорізькій областях.
Елемент Фосфор — важливий складовий елемент організму людини, тварин і рослин. З рослин найбагатші на Фосфор бобові, соняшник і горіхи. В організмі людини Фосфор виявлений в усіх тканинах, особливо у нервовій і кістковій. Він входить до складу деяких ферментів, міститься в зубах. Фосфор — життєво важливий елемент для всіх організмів.
Завдання для самоконтролю
53. Яке місце у періодичній системі елементів займають Нітроген і Фосфор? Як це пов'язано з будовою їхніх атомів?
54. Запишіть електронну формулу атома Нітрогену. В чому подібність і відмінність будови атома Нітрогену й атомів Оксигену та Флуору?
55. Покажіть графічно будову зовнішнього електронного шару атома Нітрогену та атома Фосфору. Що ви вбачаєте спільного і чим вони різняться між собою?
56. Які ступені окиснення властиві Нітрогену? Як їх можна пояснити? Визначте валентність і ступінь окиснення Нітрогену в молекулі азоту N2.
57. Якого типу кристалічні ґратки в азоту? На підставі яких фізичних властивостей азоту можна про це робити висновок?
58. Доведіть розрахунком, що азот трохи легший за повітря.
59. Обчисліть густину азоту за воднем.
60. Що таке алотропія? Схарактеризуйте найголовніші алотропні форми Фосфору. Розкрийте причину відмінності їхніх властивостей.
61. Як ви гадаєте, чому азот—газ, а фосфор—тверда речовина?
62. Порівняйте алотропію Оксигену і Фосфору. Що тут спільного і в чому відмінність?
63. Розкрийте фізіологічну роль Нітрогену і Фосфору.
64. У якому вигляді Нітроген і Фосфор зустрічаються в природі і чому?