Азот и фосфор

Определение. Азот и фосфор

Азот (N) и фосфор (P) — элементы VA группы (15 группа) периодической таблицы. На внешнем уровне у них 5 электронов (ns²np³). Азот — основной компонент воздуха (78%), фосфор — важный элемент для живых организмов (ДНК, АТФ).

Положение в периодической системе

Элементы VA группы: азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi). Электронная конфигурация: ns²np³.

Элемент	Символ	Z	Электронная конфигурация
Азот	N	7	1s²2s²2p³
Фосфор	P	15	1s²2s²2p⁶3s²3p³

Азот (N₂)

Физические свойства

Свойство	Значение
Состояние	Газ без цвета и запаха
Плотность	1,25 г/л (легче воздуха)
Температура кипения	-196°C
Растворимость в воде	Малорастворим
Содержание в воздухе	78% по объёму

Химические свойства

Азот — малоактивный газ из-за прочной тройной связи N≡N. Реагирует только при высоких температурах.

С водородом:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

Реакция обратима, идёт при 400–500°C, давлении 200–300 атм, катализатор Fe.

С кислородом:

$N_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2NO$

При температуре электрической дуги (2000°C).

Аммиак (NH₃)

Физические свойства

Свойство	Значение
Состояние	Газ с резким запахом
Плотность	0,77 г/л (легче воздуха)
Растворимость в воде	Очень хорошая (700 объёмов NH₃ в 1 объёме H₂O)
Температура кипения	-33°C

Химические свойства

Горение в кислороде:

$4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t} 2N_2 + 6H_2O$

Каталитическое окисление:

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt} 4NO + 6H_2O$

Взаимодействие с кислотами:

$NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl$

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

Цепочка получения азотной кислоты

$N_2 \rightarrow NH_3 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3$

Стадия 1: Синтез аммиака

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

Стадия 2: Окисление аммиака

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt} 4NO + 6H_2O$

Стадия 3: Окисление NO до NO₂

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Стадия 4: Получение азотной кислоты

$4NO_2 + 2H_2O + O_2 \rightarrow 4HNO_3$

Азотная кислота (HNO₃)

Свойства

Свойство	Значение
Формула	HNO₃
Состояние	Бесцветная жидкость
Плотность	1,51 г/см³
Температура кипения	83°C
Разлагается на свету	4HNO₃ → 4NO₂↑ + O₂↑ + 2H₂O

Химические свойства

Как кислота:

$HNO_3 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + H_2O$

$2HNO_3 + CuO \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$

Как окислитель (концентрированная):

$Cu + 4HNO_3(конц.) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$

$C + 4HNO_3(конц.) \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$

Фосфор (P)

Аллотропия фосфора

Модификация	Цвет	Свойства
Белый фосфор	Белый/жёлтый	Мягкий, светится в темноте, очень ядовит, самовоспламеняется на воздухе
Красный фосфор	Красно-коричневый	Не ядовит, не светится, устойчив на воздухе
Чёрный фосфор	Чёрный	Наиболее устойчив, похож на графит

Химические свойства

Горение:

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

С галогенами:

$2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$

$2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5$

Цепочка получения фосфорной кислоты

$P \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4$

Стадия 1: Горение фосфора

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

Стадия 2: Растворение оксида

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Фосфорная кислота (H₃PO₄)

Свойства

Свойство	Значение
Формула	H₃PO₄
Состояние	Бесцветные кристаллы (гигроскопичные)
Растворимость	Хорошая
Сила	Средняя кислота (слабее серной и азотной)
Основность	Трёхосновная (3 ступени диссоциации)

Соли фосфорной кислоты

Фосфаты: Na₃PO₄, Ca₃(PO₄)₂ Гидрофосфаты: Na₂HPO₄, CaHPO₄ Дигидрофосфаты: NaH₂PO₄, Ca(H₂PO₄)₂

Удобрения

Азотные удобрения

• Аммиачная селитра — NH₄NO₃
• Карбамид (мочевина) — (NH₂)₂CO
• Сульфат аммония — (NH₄)₂SO₄

Фосфорные удобрения

• Суперфосфат — Ca(H₂PO₄)₂ + CaSO₄
• Двойной суперфосфат — Ca(H₂PO₄)₂
• Фосфоритная мука — Ca₃(PO₄)₂

Пример 1. Цепочка азота

Осуществите превращения: N₂ → NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

Дано: N₂ → NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

Формула: N₂ + 3H₂ → 2NH₃; 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O; 2NO + O₂ → 2NO₂; 4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃

Подстановка: 1) Синтез аммиака (Fe, 500°C, 300 атм). 2) Каталитическое окисление (Pt). 3) Окисление NO на воздухе. 4) Растворение NO₂ в воде с кислородом.

Ответ: Получена азотная кислота из атмосферного азота.

Пример 2. Различие фосфорных удобрений

Чем отличается простой суперфосфат от двойного?

Дано: Простой суперфосфат и двойной суперфосфат

Формула: Простой: Ca(H₂PO₄)₂ + CaSO₄; Двойной: Ca(H₂PO₄)₂

Подстановка: В простом суперфосфате есть примесь гипса (CaSO₄), в двойном — только дигидрофосфат кальция. Двойной содержит больше фосфора.

Ответ: Двойной суперфосфат содержит больше P₂O₅ (до 50%) по сравнению с простым (до 20%).

Важно!

⚠️ Аммиак (NH₃) — ядовит! Газ с резким запахом. При высоких концентрациях вызывает раздражение глаз и дыхательных путей. Работать только в вытяжном шкафу!

⚠️ Азотная кислота (HNO₃) — опасна! Вызывает химические ожоги. Концентрированная HNO₃ — сильный окислитель. При попадании на кожу — немедленно промыть водой!

⚠️ Белый фосфор — крайне ядовит! Смертельная доза — 0,1 г. Самовоспламеняется на воздухе. Хранят под водой. Работать строго в перчатках!