Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекции ОНХ для заочников.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Элементы 5-а группы

Строение электронной оболочки: …ns2np3.

АЗОТ и его соединения

В природе встречается в свободном виде (содержание в воздухе – 78 объемных %), в виде минералов (селитры), в нефти, в растительных и животных белках.

Физические свойства

При обычных условиях N2 – газ без цвета, запаха и вкуса,

toкип.= -195,8оС.

Получение азота:

а) в промышленности – сжижением воздуха,

б) в лаборатории: NH4NO2  N2 + Н2О.

Химические свойства азота и его соединений.

Химическая активность молекулярного азота очень мала, т.к. благодаря тройной ковалентной связи молекула очень прочная (Есвязи = 946 кДж/моль). Однако известно много различных соединений для азота, в которых он проявляет степени окисления -3, -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5.

Соединения азота с отрицательными степенями окисления.

Минимальная степень окисления -3

1)NH3 – аммиак – бесцветный газ с резким запахом, легко сжижается.

Получение аммиака:

а) N2 + 3H2 2NH3 (Kat: Fe, Al2O3, K2O)

б) 2NH4CI + Ca(OH)2 = CaCI2 + 2NH3 + 2H2O

Химические свойства аммиака:

а) NH3 + H2O  NH4OH (максимальная концентрация = 25%)

б) NH3 + HCI  NH4CI (дон.-акц. механизм: NH3 + Н+ = NH4+)

в)горение в зависимости от количества кислорода идет по-разному:

4NH3 + 3О2(нед.) = 2N2 + 6H2O

4NH3 + 5О2(изб.) = 2NО+ 6H2O

г) в ОВР аммиак всегда восстановитель:

3CuO + 2NH3 = 3Cu + N2 + 3H2O

2) NH4OH – гидроксид аммония - слабое основание, неустойчивое, хорошо образует комплексные соединения (аммиакаты):

Cu(OH)2 + 4NH4OH = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O

3) Соли аммония:

а) растворы вследствие гидролиза имеют слабокислую реакцию:

NH4CI + НОН  NH4ОН+ НCI (NH4+ + НОН  NH4ОН + Н+)

б) термическое разложение солей аммония идет по-разному в зависимости от природы аниона: если анион – окислитель, то реакция разложения идет необратимо:

NH4CI  NH3 + HCI

NH4NO3 = N2О+ 2H2O

4) Амиды образуются при замещении атомов Н в аммиаке на металл:

2К + 2NH3 = 2КNH2 + H2

5) Нитриды известны для металлов и неметаллов и в зависимости от природы по-разному разлагаются:

а)Li3N + 3H2O = 3LiOH + NH3

Ca3N2 + 6HCI = 3CaCI2 + 2NH3

б)CI3N + 6HCI = 3HCIO + NH3

Степень окисления – 2

N2Н4 – гидразин (диамид) – бесцветная жидкость, хороший растворитель, менее устойчив, чем аммиак.

Получение гидразина:

2NH3 + NaCIO = N2Н4 + NaCI + H2O

Химические свойства гидразина:

а) Водные растворы – слабые основания:

N2Н4 + H2O  [N2Н5]+ +OH-

[N2Н5]+ + H2O  [N2Н6]2+ +OH-

б) Сгорает до азота: N2Н4 + O2 = N2 + 2H2O

в) Сильный восстановитель: N2Н4 + 2H2O2 = N2 + 4H2O

Степень окисления – 1

NH2OH – гидроксиламин, белое кристаллическое вещество, занимает промежуточное положение между H2O2 и гидразином N2Н4.

Получение гидроксиламина:

HNO3 + 6Н = NН2ОН + 2H2O

Химические свойства гидроксиламина:

а) Водные растворы – слабые основания:

NН2ОН + H2O  [NН3ОН]+ +OH-

б) С кислотами дают соли гидроксиламмония (устойчивые):

NН2ОН + HCI = [NН3ОН]+ + CI-

в) Разлагается (реакция диспропорционирования):

3NН2ОН = NН3 + N2 + 3H2O

г) Как и H2O2 , в зависимости от среды проявляет окислительно - восстановительную двойственность:

ок-ль: 2NН2ОН + 4FeSO4 + 3H2SO4 = 2Fe2(SO4)3 + (NH4)2SO4 + 2H2O

восст-ль: 2NН2ОН + I2 + 2KOH = N2 + 2KI + 4H2O

Наиболее важные соединения азота с положительными с. о.

Степень окисления +3

1) N2О3 - оксид азота (III) или «азотистый ангидрид» - неустойчивая сине-зеленая жидкость:

а) N2О3  NО2(бурый газ с резким запахом) + NО(бесцветный газ);

б) с водой образует неустойчивую кислоту: N2О3 + H2O  2 HNO2

2) HNO2 – азотистая кислота (средней силы):

HNO2  H+ + NO2- (К = 5,1 . 10-4).

3) Нитриты – соли азотистой кислоты, как и другие соединения N+3 в окислительно-восстановительных реакциях, проявляют двойственность:

ок-ль: КNO2 + NH3 = N2 + H2O

восст-ль: КNO2 + H2O2 = КNO3 + H2O

Максимальная степень окисления +5

1) N2О5 - оксид азота (V) или «азотный ангидрид» - бесцветное кристаллическое вещество; при растворении в воде дает кислоту.

2) HNO3 – азотная кислота, сильная: HNO3  H+ + NO3-.

3) Нитраты – соли азотной кислоты:

а) в лаборатории можно получать N2О по реакции термического разложения: NH4NO3  N2О + Н2О;

б) нитраты металлов в зависимости от положения металла в ряду активности разлагаются по-разному:

левее Mg: нитрат  нитрит + O2

Mg – Cu: нитрат  оксид металла + NO2 + O2

правее Cu: нитрат  металл + NO2 + O2 .

4)все соединения N+5 сильные окислители; взаимодействие азотной кислоты с металлами:

а) ни один металл не выделяет из HNO3 водород;

б) при обычной to пассивируются металлы Al, Zn, Cr, Fe, Pb, Au, Pt;

в) при нагревании c большинством металлов взаимодействует, причем чем активнее металл и разбавленнее кислота, тем сильнее восст-ся N+5:

неакт. Ме: Cu + 4HNO3(конц.) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

3Cu + 8HNO3(разб.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

актив. Ме: 4Cа + 10HNO3(конц.) = 4Cа(NO3)2 + N2О + 5H2O

5Cа + 12HNO3(разб.) = 5Cа(NO3)2 + N2 + 6H2O

4Cа + 9HNO3 (оч. разб.) = 4Cа(NO3)2 + NН3(или NH4NO3)+ 3H2O

ФОСФОР и его соединения

В природе встречается: а)в виде минералов (фосфориты и апатиты), б)в растительных и животных белках, в)в тканях мозга и костях.

Физические свойства

Аллотропен:

а) белый фосфор (Р4) – тетраэдрическое строение, ядовит, светится в темноте, растворим в сероуглероде; при хранении постепенно переходит в красный фосфор, поэтому его хранят под водой;

б) красный фосфор (Р2n – полимер) – существует несколько форм строения, не ядовит, нерастворим в сероуглероде, устойчив при хранении, менее реакционоспособен;

в) черный фосфор – пирамидальное строение, слоистый, похож на графит, полупроводник.

Получение фосфора:

Минерал «фосфорит» прокаливают с коксом и песком:

Са3(РО4) + 5С + 3 SiО2 = 3СаSiО3 +2Р +5СО

Химические свойства фосфора и его соединений.

Химическая активность фосфора различна в зависимости от его аллотропной модификации. Основные степени окисления: -3, +1, +3, +5.

1) Реакции фосфора с простыми веществами:

восстановительные свойства: a)Р + О2  Р2О3, Р2О5;

б)Р + СI2  РCI3, РCI5 ; в) 2Р + 3S  Р2S3

окислительные свойства: а)2Р + 3Н2  2РН3, б)2Р + 3Са  Са3Р2

2) Реакции фосфора со сложными веществами:

а) реакция с водой не идет,

б) 2Р + 5H2SO4(конц.) 2H3РO4 + 5SO2 + 2H2O,

в) Р + HNO3(конц.) H3РO4 + NO (или NO2 ).

3) Минимальная степень окисления -3

а) РН3 – фосфин, ядовитый газ с чесночным запахом,

горит: 2РH3 + 4О2 = Р2О5 + 3H2O,

с некоторыми кислотами дает соли фосфония: РH3 + HI = РH4I

б) фосфиды металлов – ионоковалентные соединения

Mg3P2 + 6 H2O = Mg(ОН)2 + 2РН3,

Са3P2 + 6HСI = CaCI2 + 2РН3.

4) Степень окисления +1

H3РO2 или Н[РO2H2] – фосфорноватистая кислота, сильная; соли – гипофосфиты, хорошо растворимы, хорошие восстановители.

5) Степень окисления +3

а) Р2О3 – фосфористый ангидрид, имеет несколько модификаций (Р2О3)n, бесцветные ядовитые кристаллы;

б) H3РO3 или H2 [РO3Н] – фосфористая кислота, средней силы;

в) соли фосфиты, растворимы только у щелочных металлов (К2 [РO3Н]),

г) галогениды довольно активны:

РСI3 + CI2 = PCI5 ,

РСI3 + О2 = PОCI3 ,

РСI3 + НCI  Н[PCI4].

6) Максимальная степень окисления +5

а) Р2О5 – фосфорный ангидрид, белый порошок, имеет модификацию (Р2О5)2, сильное водоотнимающее средство: Р2О5 + 2H2O = 2HРO3;

б) HРO3 - мета, H4Р2O7 –пиро, H3РO4 –ортофосфорная кислота, средней силы;

в) соли мета-, пиро-, орто-фосфаты;

г) галогениды довольно активны:

РСI5 + 4H2O = H3РO4 +5НСI ,

РF5 + HF = Н[PF6].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДГРУППЫ

7N, 15P, 33As, 51Sb, 83Bi. По подгруппе сверху вниз металлические свойства закономерно увеличиваются и это согласуется со значениями степеней окисления, проявляемыми элементами в соединениях, а также с некоторыми физическими свойствами. Хотя аллотропия P, As и Sb создают определённые трудности при сведении физических свойств в единую таблицу:

Таблица 11

Свойства элементов пятой группы, главной подгруппы

Элемент 

N

P

As

Sb

Bi

Свойство 

R атома, нм

0,07

0,13

0,15

0,16

0,18

J, эв

14,5

10,5

9,8

8,6

7,3

Молекула, модификации

N2 (газ)

неметалл

P2, P4, P200

неметалл:

1.белый

2.красный;

3. чёрный.

As

1. жёлтый

(неустойчив);

2. серый

(металлич.)

Sb

1. жёлтая

(неуст.);

2.металли-

ческая

Bi

металл

Плотность, г/см3

0,81 (жидкий)

2,69 (чёрный)

5,7 (серый)

6,68 (серый)

9,80

Tкип. , С

-195,8

453

615

1635

1552

Степени окисления

-3, -2, -1,

+1, +2, +3, +4, +5

-3

+1, +3, +5

-3, +3, +5

-3, +3, +5

+3, +5

Химические свойства

  1. С простыми веществами дают самые разные соединения, проявляя различную окислительно-восстановительную природу:

а) восстановительные свойства

;

2P + 3Cl2 = 2PCl3 (или PCl5);

4As + 5O2 = 2As2O5;

2Bi + 3Cl2 = 2BiCl3.

б) Окислительные свойства

;

2P + 3Ca = Ca3P2;

2As + 3Mg = Mg3As2.

  1. С кислотами реагируют по-разному в зависимости от природы элемента подгруппы:

2P + 5H2SO4 = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O;

3As + 5HNO3 + 2H2O = 3H3AsO4 + 5NO;

3Sb + 5HNO3 = 3HSbO3 + 5NO + H2O;

2Sb + 6Н2SO4 конц. = Sb2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O;

Bi + 4HNO3 = Bi(NO3)3 + NO + 2H2O.

Необходимо помнить, что элементы подгруппы мышьяка в ряду активности стоят после водорода.

  1. Гидролиз соединений идёт по-разному:

а) PCl3 + 3H2O = H3PO3 + 3HCl;

BiCl3 + H2O  BiOCl + 2HCl.

(SbCl3) (SbOCl)

б) NaNO2 + H2O  HNO2 + NaOH;

K3PO4 + H2O  K2HPO4 + KOH;

K3AsO4 + H2O  K2HAsO4 + KOH.

  1. Изменение кислотно-основных свойств у элементов проявляется по-разному

Таблица 12

Наиболее важные соединения элементов пятой подгруппы

Азот

Фосфор

Мышьяк

Сурьма

Висмут

N+3, N+5 –

кислотные

HNO2– средняя

HNO3 – сильная

P+1, P+3, P+5 –

кислотные

H3PO2

H3PO3

HPO3, H4P2O7, H3PO4

As+3, As+5 –

Кислотные

H3AsO3

H[AsCl4]

H3AsO4

Sb+3 –

амфотерные

Sb(OH)3, SbCl5

NaSbO2

Sb+5 –

кислотные

KSbO3, K3SbO4

Bi+3 –

основные

Bi(OH)3,

BiCl3

Bi+5 –

Кислотные

KBiO3

  1. Окислительно-восстановительная способность соединений зависит от степени окисления элемента:

а) Э-3 – восстановители

2NH3 + 6KМnO4 + 6KOH = 6K2MnO4 + N2 + 6H2O;

2PH3 + 4O2 = P2O5 + 3H2O.

б)

о кислители:

2KNO2 + 4H2S = 3S + N2 + K2S + 4H2O

Э +3 2BiCl3 + 3SnCl2 + 18KOH = 2Bi + 3K2SnO3 + 12KCl + 9H2O.

восстановители:

10KNO2+4KМnO4+11H2SO4=10HNO3+4MnSO4+7K2SO4+6H2O

в) Э+5 – окислители

;

Na3SbO4 + 2NaJ + H2SO4 = Na3SbO3 + J2 + Na2SO4 + H2O.

Элементы 6-а группы. (Халькогены)

Строение электронной оболочки: …ns2np4.

8O, 16S, 34Se, 52Te, 84Po(радиоактивен).

КИСЛОРОД и его соединения

Самый распространённый элемент на Земле: 21% (объемных) в воздухе, входит в состав Н2О, минералов, органических веществ.

Физические свойства

Существует в виде веществ:

а) «кислород» О2 – газ без цвета, вкуса, запаха, не ядовит, ; tкип. = -183С; ;

б) «озон» О3 – голубой газ с резким запахом, ядовит, очень сильный окислитель; tкип. = -111,8С.

Химические свойства

1. Только в одной реакции кислород является восстановителем:

О2 + 2F2 = 2OF2 ( ).

2. Во всех остальных случаях кислород – окислитель, особенно если он находится в атомарном состоянии:

а) Окисление простых веществ

2Н2 + О2 = 2Н2О;

S + O2 = SO2;

2Ca + O2 = 2CaO.

б)Окисление сложных веществ

Р2О3 + О2 = Р2О5;

2SO2 + O2 = 2SO3;

2PCl3 + O2 = 2POCl3.

в) Горение сложных неорганических веществ

2H2S + O2 недост. = 2S + 2H2O;

2H2S + 3O2 изб. = 2SO2 + 2H2O.

г) Горение органических веществ

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О;

С2Н5ОН + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О.

СЕРА и её соединения

В природе встречается в самородном виде; в виде минералов (сульфиды, сульфаты); в нефти; в белках.

Физические свойства

Твёрдая, хрупкая, жёлтого цвета, не растворима в Н2О, но растворима в сероуглероде, анилине. Аллотропна: ромбическая сера (- форма); моноклинная ( - сера); пластическая и др. Наиболее устойчива модификация  (tпл.  113С), ей приписывают состав S8.

Химические свойства

Cоединения, проявляя разные степени окисления, имеют разную окислительно-восстановительную способность.

Таблица 13

Наиболее важные соединения серы

-2

0

+2

+4

+6

а) Н2S, слабая сероводородная кислота;

б) образует сульфиды:

металлов (K2S), неметаллов (CS2)

а) взаимодействует с простыми веществами

S + O2 = SO2

S + H2 = H2S

б) со сложными

SCl2 соединения встречают-ся редко

SO2, H2SO3, Me2SO3,

H2SO3 – сернистая к-та, средняя по силе, неустойчива

SO3, H2SO4, MeSO4

H2SO4 – сильная, устойчива

Восстановители

восстановитель,

окислитель

восстановители и окислители

окислитель

  1. Сера, взаимодействуя со сложными соединениями, по-разному меняет свою степень окисления:

а) S + 2H2SO4конц. = 3SO2 + 2H2O ( );

б) S + 6HNO3конц. = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O ( );

в) 3S + 6NaOH = 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O

реакция диспропорционирования

  1. Соединения S-2

а) H2S – сероводород, ядовитый газ с запахом тухлых яиц, сильный восстановитель: 2H2S + O2 = 2S + 2H2O;

H2S + Cl2 = 2HCl + S.

б) Раствор Н2S – слабая кислота

Н2S  Н+ + HS- (К1 = 6  10-8).

в) Соли – сульфиды; соли щелочных и щелочно-земельных металлов хорошо растворимы, гидролизуются; сульфиды р-, d-металлов практически не растворимы.

г) Сульфиды металлов проявляют основную природу:

K2S + H2O  KHS + KOH;

Сульфиды неметаллов проявляют кислотную природу:

SiS2 + 3H2O = H2SiO3 + 2H2S.

д) Тиосоли: похожи на обычные соли, в которых атомы О заменены на S:

Na2S + CS2 = Na2CS3 – тиокарбонат натрия;

Na2CS3 + 2HCl = 2NaCl + H2CS3

неустойчива

Н 2S CS2

е) Полисульфиды: сера, подобно кислороду в перекисях, может образовывать соли: Na2Sраствор + S = Na2Sn – полисульфид натрия (содержат сульфидные мостики – S - S - S - S -).

  1. Соединения S+4

а) SO2 – сернистый газ с резким запахом, ядовит;

б) Раствор SO2 – сернистая кислота H2SO3, средней силы

H2SO3  Н+ + HSO3- (К1 = 1,3  10-2);

в) Соли – сульфиты, хорошо гидролизуются

Na2SO3 + H2O  NaHSO3 + NaOH.

г) В окислительно-восстановительных реакциях все эти соединения проявляют двойственность:

SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O;

о-ль

2SO2 + O2 = 2SO3.

в-ль

д) хлористый тионил: SOCl2

SOCl2 + 2H2O = H2SO3 + 2HCl.

  1. Соединения S+6

а) SO3 – серный ангидрид; аллотропен, сильный окислитель. Очень энергично реагирует с водой

SO3 + H2O  H2SO4 + 89,1 кДж/моль;

б) H2SO4 – серная кислота, бесцветная маслянистая жидкость; сильная.

H2SO4 конц. – очень сильный окислитель; обугливает бумагу, сахар, дерево:

С + 2H2SO4 конц. = СО2 +2SО2 + 2H2O.

Индивидуально её поведение с металлами:

при обыкновенной температуре со многими металлами не взаимодействует («пассивирует» Cr, Fe, Al, Zn, …);

при повышенной реагирует почти со всеми металлами, кроме Au и Pt.

Является очень хорошим водоотнимающим средством, т.к. с водой образует гидраты H2SO4  nH2O:

.

в) Соли: средние – K2SO4 (сульфаты);

кислые – KHSO4 (гидросульфаты);

купоросы – CuSO4  5H2O; ZnSO4  7H2O;

квасцы – двойные соли, кристаллогидраты

KAl(SO4)2  12H2O; NH4Fe(SO4)2  12H2O.

г) Олеум – раствор SO3 в H2SO4, при этом частично идёт реакция

2SO3 + H2O = H2S2O7 пиросерная кислота.

д) Хлористый сульфурил SO2Cl2

SO2Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl.

е) Пероксосерные кислоты – содержат перекисные мостики

H2SO5 – пероксомоносерная,

H2S2O8 – пероксодисерная;

сильные окислители.

ж) Тиосульфаты – содержат серу в разных степенях окисления: S+6 и S-2; благодаря наличию S-2 соединения являются сильными восстановителями.

Na2S2O3 + Br2 + H2O = 2HBr + S + Na2SO4.

Соответствующая кислота Н2S2O3 (тиосерная) неустойчива:

Na2S2O3 +H2SO4 = Na2SO4 + Н2S2O3.

H2O S SO2

Элементы 7-а группы. (Галогены)

Строение электронной оболочки: …ns2np5.

9F, 17Cl, 35Br, 53J, 85At (радиоактивен). В свободном состоянии существуют в виде двухатомных молекул.

Физические свойства

Ядовиты, с резким запахом F2 – бледно-желтый газ, tкип. = -188,2С;

Cl2 – зелёно-жёлтый газ; tкип. = -34,1С;

Br2 – красная жидкость; tкип. = 59,2С;

J2 – фиолетовые кристаллы; tкип. = +185,5С.

Химические свойства

  1. Самый активный – F2, в его атмосфере горят даже стекло и вода:

2F2 + SiO2 = SiF4 + O2;

2F2 + 2H2O = 4HF + O2.

  1. Вышестоящие галогены (как более сильные окислители) вытесняют нижестоящие из различных соединений:

F2 + 2KCl (KBr, KJ) = 2KF + Cl2 (Br2, J2).

  1. При растворении галогенов воде и растворах щелочей идут реакции диспропорционирования; в зависимости от температуры получают разные продукты реакции:

Cl2 + H2O = HCl + HClO;

Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO;

;

.

  1. Галогеноводороды – все они бесцветные газы (HF благодаря водородным связям образует ассоциаты HxFx).

По ряду: HF – HCl – HBr – HJ прочность связи падает и восстановительные свойства растут:

MnO2 + 4HCl = Cl2 + MnCl2 + 2H2O ( ).

  1. При растворении в воде получают сильные кислоты; HJ – самая сильная (исключение составляет слабая фтороводородная кислота:

H2F2  H+ + HF2-)

  1. Галогениды элементов имеют различный кислотно-основной характер, который проявляется:

а) в реакциях гидролиза

AlCl3 + H2O  AlOHCl2 + HCl;

PBr3 + 3H2O = H3PO3 + 3HBr.

б) в реакциях комплексообразования

2NaF + SiF4  Na2[SiF6];

по ряду лигандов F-; Cl-; Br-; J- устойчивость комплексов уменьшается.

  1. Галогены в высших степенях окисления

а) оксиды: Cl2O; (ClO2)2; (ClO3)2; Cl2O7;

б) кислоты: HClO; HClO2; HClO3; HClO4;

по ряду кислот  сила возрастает, для кислот и их солей по этому же ряду окислительные свойства уменьшаются.

в) кислоты и их соли при нагревании разлагаются:

;

;

.

г) соединения между галогенами: их известно очень много; состав соответствует положению элементов в Периодической системе (более электроотрицательные элементы стоят в конце формул):

ClF, BrF, JF; ClF3, JF3; ClF5, ClOF3; BrF7, JO3F и др.;

имеют кислотный характер: JF7 + 4H2O = 7HF + HJO4;

ClO3F + 2NaOH = NaClO4 + NaF + H2O.

Вопросы для закрепления материала:

1.Какое вещество образуется при взаимодействии мышьяка с концентрированной азотной кислотой – а)Аs(NО3)3 ? б)H3AsO4 ? в)As2О 3?

2.Какое вещество реагирует с концентрированной кислотой с выделением свободного хлора – а)СаС12? б)МпО2? в)СrС13?