Азот и фосфор

Азот и фосфор: положение и строение атомов

Азот и фосфор часто кажутся набором символов и исключений: N₂, NH₃, HNO₃, P₄, H₃PO₄. Но если понять положение элементов в таблице Менделеева и связь строения атома со свойствами, формулы начинают складываться логично. Разберём тему по шагам: сравним азот и фосфор, научимся составлять уравнения реакций и выделять главное для контрольной, ОГЭ или ЕГЭ.

Оба элемента находятся в 15-й группе, или VА группе, и относятся к главной подгруппе. Азот имеет порядковый номер 7, фосфор — 15. На внешнем энергетическом уровне у каждого атома по пять электронов. Поэтому для них характерны степени окисления −3, +3 и +5, хотя конкретное значение зависит от вещества и типа связи.

Азот: N: 1s² 2s² 2p³
Фосфор: P: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³
Общее: ns²np³

Разница между элементами особенно важна при сравнении простых веществ. Азот существует в виде двухатомных молекул N₂, между атомами которых образуется очень прочная тройная связь. Фосфор образует несколько аллотропных модификаций: белый, красный и чёрный фосфор. Самая активная из них — белый фосфор.

Физические и химические свойства

Молекулярный азот N₂ — бесцветный газ без запаха, немного легче воздуха и плохо растворимый в воде. Он составляет основную часть воздуха, но при обычных условиях малоактивен: прочная тройная связь затрудняет реакции. Поэтому азот называют химически относительно инертным газом.

Фосфор — твёрдое вещество. Белый фосфор мягкий, воскообразный и очень ядовитый, светится в темноте и может воспламениться на воздухе. Красный фосфор значительно устойчивее и используется, например, в безопасных спичках. При нагревании фосфор реагирует с металлами и неметаллами.

Азот реагирует с водородом, кислородом и активными металлами. Фосфор также соединяется с водородом, кислородом, галогенами и металлами. В реакциях с металлами оба элемента обычно проявляют степень окисления −3.

\( 3Mg + N_2 \to Mg_3N_2 \)
\( 2P + 3Ca \to Ca_3P_2 \)
\( N_2 + 3H_2 ⇄ 2NH_3 \)

Соединения азота

Важнейшее водородное соединение азота — аммиак NH₃. Это бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде. Водный раствор аммиака проявляет основные свойства, потому что взаимодействует с водой и образует гидроксид-ионы.

\( NH_3 + H_2O ⇄ NH_4OH \)
\( NH_3 + HCl \to NH_4Cl \)
\( 2NH_3 + H_2SO_4 \to (NH_4)_2SO_4 \)

Аммиак получают в промышленности синтезом из азота и водорода. Важное кислородное соединение — оксид азота(IV) NO₂, бурый токсичный газ. Азотная кислота HNO₃ — сильная кислота и сильный окислитель. В отличие от разбавленной, концентрированная азотная кислота может пассивировать железо и алюминий.

Нитраты — соли азотной кислоты. При нагревании они разлагаются по-разному, поэтому способ разложения нужно учитывать. В школьных задачах часто проверяют распознавание ионов NH₄⁺ и NO₃⁻, а также цепочки превращений между аммиаком, оксидами азота и азотной кислотой.

Для самостоятельной проверки после теории можно открыть бесплатную практику в личном кабинете и решить несколько заданий на свойства аммиака и азотной кислоты.

Соединения фосфора и сравнение элементов

При горении фосфора образуется оксид фосфора(V) P₂O₅, который часто записывают также как P₄O₁₀. Это кислотный оксид: при взаимодействии с водой он образует фосфорную кислоту H₃PO₄.

\( 4P + 5O_2 \to 2P_2O_5 \)
\( P_2O_5 + 3H_2O \to 2H_3PO_4 \)
\( H_3PO_4 + NaOH \to NaH_2PO_4 + H_2O \)

Фосфорная кислота — слабая, трёхосновная кислота. Она образует средние и кислые соли: фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты. Фосфаты важны для растений, поскольку фосфор входит в состав клеточных структур и участвует в энергетическом обмене.

Признак	Азот	Фосфор
Простое вещество	N₂, газ	Твёрдое вещество, несколько модификаций
Высший оксид	N₂O₅	P₂O₅
Высшая кислота	HNO₃	H₃PO₄
Степень окисления в высшем соединении	+5	+5

Главное сходство — пять электронов на внешнем уровне. Главное различие — азот образует прочную молекулу N₂, а фосфор значительно активнее в обычных условиях.

Типичные ошибки и разбор примера

Первая ошибка — путать оксиды азота и фосфора с кислотами. N₂O₅ и P₂O₅ — это оксиды, а HNO₃ и H₃PO₄ — кислоты. Вторая — забывать индексы при составлении формул солей. Ион PO₄³⁻ соединяется с ионом Na⁺ в соотношении 1:3, поэтому формула соли — Na₃PO₄.

Разберём задачу: найти массу аммиака, образовавшегося из 5,6 л азота при н. у., если водород взят в избытке. Сначала записываем уравнение реакции, затем находим количество вещества азота по молярному объёму 22,4 л/моль. По уравнению из 1 моль N₂ получается 2 моль NH₃.

\( N_2 + 3H_2 \to 2NH_3 \)
\( n(N_2) = 5,6 \text{л} \div 22,4 \text{\text{л}/\text{моль}} = 0,25 \text{моль} \)
\( n(NH_3) = 0,25 \times 2 = 0,5 \text{моль} \)
\( M(NH_3) = 14 + 3 \times 1 = 17 \text{\text{г}/\text{моль}} \)
\( m(NH_3) = 0,5 \times 17 = 8,5 \text{г} \)
Ответ: 8,5 г аммиака.

Что запомнить

Азот и фосфор находятся в 15-й группе и имеют по пять электронов на внешнем уровне. Азот — относительно инертный двухатомный газ N₂, фосфор — активное твёрдое вещество с аллотропными модификациями. Важнейшие соединения азота: аммиак NH₃, азотная кислота HNO₃ и нитраты. Для фосфора нужно знать оксид P₂O₅, фосфорную кислоту H₃PO₄ и фосфаты.

При решении задач действуй по алгоритму: определи вещество, запиши уравнение, расставь коэффициенты, переведи данные в количество вещества и только потом вычисляй массу или объём. Отдельно повтори степени окисления и признаки реакций. Зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно в личном кабинете, чтобы сразу закрепить тему практикой.