Химические свойства соединений

Урок 74

Лекция

Элементы VА группы

Цель: рассмотреть элементы VА группы, их строение, физические, химические свойства галогенов и применение.

К элементам главной подгруппы V группы относятся: азот N, фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, висмут Bi. Электронная формула внешнего валентного уровня: ns²np³, то есть имеют 5 валентных электронов, из них 3 неспаренных, а 2 спаренных:

N 1s²2s²2p³ (2-й период)

P 1s²2s²2p⁶3s²3p³ (3-й период)

As 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³ (4-й период)

Sb 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²5p³ (5-й период)

Bi 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5p⁶5d¹⁰6s²6p³ (6-й период)

Рассмотрим закономерности изменения свойств элементов по группе. В VА группе (или в V группе главной подгруппы) сверху вниз эффективный заряд ядра увеличивается, орбитальный радиус также увеличивается, восстановительные свойства атомов возрастают, окислительные свойства атомов уменьшаются.

Первые представители подгруппы — азот и фосфор — типичные неметаллы, мышьяк и сурьма проявляют металлические свойства, висмут — типичный металл.

Таким образом, с ростом радиуса элемента, в данной группе резко изменяются свойства составляющих её элементов: от типичного неметалла до типичного металла. Химия этих элементов очень разнообразна и, учитывая различия в свойствах элементов, при изучении её разбивают на две подгруппы — подгруппу азота и подгруппу мышьяка.

Физические свойства

Азот — газ, фосфор и все остальные элементы — твердые вещества. Это объясняется тем, что начиная с третьего периода (фосфор) элементы объединяются в большие полимерные молекулы. Такое изменение молекулярной структуры при переходе от азота к фосфору и вызывает резкое изменение агрегатных состояний веществ.

Фосфор — неметалл, в чистом виде имеет 4 аллотропные модификации:

1. Белый фосфор — самая химически активная модификация фосфора. Имеет молекулярное строение; формула P4, форма молекулы — тетраэдр. По внешнему виду белый фосфор очень похож на очищенный воск или парафин, легко режется ножом и деформируется от небольших усилий. Чрезвычайно химически активен. Например, он медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре и светится (бледно-зелёное свечение), ядовит.

2. Красный фосфор — представляет собой полимер со сложной структурой. Имеет формулу Pn. В зависимости от способа получения и степени дробления красного фосфора, имеет оттенки от пурпурно-красного до фиолетового, а в литом состоянии — тёмно-фиолетовый с медным оттенком. Красный фосфор на воздухе не самовоспламеняется, но самовоспламеняется при трении или ударе. Это свойство используется при изготовлении спичек, ядовитость его в тысячи раз меньше, чем у белого.

3. Чёрный фосфор — это наиболее стабильная термодинамически и химически наименее активная форма элементарного фосфора, чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и похожее на графит, не растворимо в воде и органических растворителях, проводит электрический ток и, аналогично кремнию, имеет свойства полупроводника.

4. Металлический фосфор - имеет плотную и инертную металлическую структуру, очень хорошо проводит электрический ток.

Мышьяк - представляет собой хрупкий полуметалл стального цвета, существует в нескольких аллотропных модификациях. Наиболее устойчив при обычных условиях и при нагревании металлический или серый мышьяк, который обладает металлической электрической проводимостью.

Сурьма - полуметалл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком, грубозернистого строения. Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы и три аморфные модификации (жёлтая, чёрная и взрывчатая сурьма). Сурьму добавляют в некоторые сплавы для придания им твердости (типографский металл). Соединения сурьмы похожи по химическим свойствам на соединения мышьяка, но отличаются более выраженными металлическими свойствами.

Висмут — тяжёлый серебристо-белый металл с розоватым оттенком. Со временем покрывается тёмно-серой оксидной плёнкой. Наряду со свинцом и оловом входит в состав большинства легкоплавких припоев и сплавов.

Химические свойства соединений

С водородом элементы подгруппы азота образуют соединения типа RH₃  (аммиак NH₃, фосфин PH₃, арсин AsH₃), в которых проявляют степень окисления -3

N₂ +  3H₂ → 2NH₃

Аммиак - NH₃ - это бесцветный газ с резким удушающим запахом.В химическом отношении NH₃ довольно активен, вступает во взаимодействие со многими веществами.

Реагируя с кислотами, аммиак нейтрализует их, образуя соли аммония:

NH₃ + HCl = NH₄Cl.

Атомы водорода в аммиаке могут замещаться на металлы, образуя амиды:

2 NH₃ + 2Na = 2NH₂Na + H₂

NH₃ проявляет только восстановительные свойства, так как степень окисления азота равна (-3). При нагревании NH₃ проявляет восстановительные свойства, окисляясь обычно до азота:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O.

Химические свойства фосфора:

P + O₂ = P₂ O₃

P + O₂ = P₂ O₅

P + S = P₂ S₃

P + Cl ₂ = PCl ₃

P + H ₂ не идет

Реагирует с кислотами

P + HNO₃ = H PO₄ + NO + H₂ O

P + H₂ SO₄ = H₃ PO₄ + SO₂ + H₂ O

Реагирует со щелочами

P + KOH + H₂ O = KH ₂ PO₂ + PH₃ ↑

Для фосфора наиболее характерно образование связей с кислородом в неорганических и биоорганических соединениях. Поэтому для медиков и биологов наибольший интерес представляют свойства кислородных соединений фосфора.

Оксид фосфора (III)Р₂О₃ образуется при медленном окислении белого фосфора кислородом:

Р₄ + 3О₂ = 2Р₂О₃

При действии холодной воды на Р₂О₃ образуется фосфористая кислота Н₃РО₃:

Р₂О₃ + 3Н₂О = 2Н₃РО₃

Оксид фосфора (V) Р₂О₅ — наиболее стабильный оксид фосфора. Этот оксид жадно поглощает воду, поэтому его используют в качестве дегидратирующего средства для осушения газов и органических растворителей.

Мышьяк – в разных случаях и видах выступает как яд и как целительное средство. История дает немало случаев использования мышьяка в качестве яда для отравления противников. Симптомы мышьякового отравления –металлический вкус во рту, рвота, боли в животе: при сильном отравлении –судороги, паралич, смерть.

В то же время мышьяк ¾ важнейший компонент многих лекарств. В небольших количествах соли мышьяковой и мышьяковистой кислот улучшают питание животных, усиливают процессы ассимиляции и усвоения азота и фосфора.

На основе мышьяка страны НАТО изготавливают смертоносное оружие.

Ортоарсенаты используются в сельском хозяйстве как инсектициды.

 

Ответьте на вопросы

1. Перечислите элементы, относящиеся к VА группе.

2. Какой из элеменов VА группыявляется газообразным веществом?

3. Назовите аллотропные модификации фосфора.

4. Какая аллотропные модификации фосфора наиболее химически активна и ядовита?

5. Напишите уравнение реакции оксид фосфора (V) с водой.