Почему азот при обычных условиях почти не вступает в реакции?

Атомы в молекуле связаны прочной тройной связью

Молекула азота одноатомная

Азот — самый электроотрицательный элемент

Азот плохо растворяется в воде

Как в VA-группе сверху вниз меняются неметаллические свойства?

Сначала усиливаются, потом ослабевают

Элементы VA-группы. Азот — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Общая характеристика неметаллов

Коротко о главном

В VA-группе — азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут и московий; у их атомов 5 внешних электронов, степени окисления от −3 до +5. Азот $\mathrm{N_2}$ — главный газ воздуха (78 % по объёму), он малоактивен из-за тройной связи. При нагревании азот окисляет металлы и водород, а с кислородом реагирует как восстановитель.

\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3}

Подробное объяснение

Мы дышим смесью газов, и почти четыре пятых этой смеси — азот. Он проходит через лёгкие и выходит обратно, ни с чем не прореагировав. Почему такой распространённый газ так «ленив»? И почему без него не было бы ни одного белка?

Элементы VA-группы

В группу входят азот N, фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, висмут Bi и искусственно полученный московий Mc. У всех на внешнем уровне 5 электронов, до восьми не хватает трёх. Отсюда две крайние степени окисления:

+5 — атом отдаёт все пять внешних электронов: высшие оксиды $\mathrm{Э_2O_5}$ ( $\mathrm{N_2O_5}$ , $\mathrm{P_2O_5}$ );
−3 — атом принимает три электрона: летучие водородные соединения $\mathrm{ЭH_3}$ ( $\mathrm{NH_3}$ — аммиак, $\mathrm{PH_3}$ — фосфин). У висмута степень −3 не характерна.

Сверху вниз по группе растёт радиус атома, падает электроотрицательность и ослабевают неметаллические свойства. Азот и фосфор — неметаллы, висмут — металл. Азот — самый электроотрицательный в группе: впереди него только фтор и кислород.

Почему азот малоактивен

Электронная формула азота $$1s^2 2s^2 2p^3$$ : три неспаренных p-электрона. Два атома объединяют их в три общие пары, и получается тройная связь:

\mathrm{N \equiv N}

Связь ковалентная неполярная и очень прочная. Пока её не разорвать, реакция не пойдёт, а для этого нужен сильный нагрев, давление или катализатор. Поэтому при обычных условиях азот не реагирует с кислородом, кислотами, щелочами и большинством металлов. Им заполняют упаковки продуктов и создают инертную среду на производстве.

Химические свойства

Азот — окислитель (принимает электроны, степень окисления 0 → −3):

с металлами при нагревании образует нитриды: $\mathrm{6Na + N_2 \rightarrow 2Na_3N}$ , $\mathrm{2Al + N_2 \rightarrow 2AlN}$ ; с литием реакция идёт даже без нагрева;
с водородом при нагревании, высоком давлении и катализаторе образует аммиак — так его получают в промышленности.

Азот — восстановитель (отдаёт электроны) только по отношению к более электроотрицательному кислороду. Реакция идёт при температуре электрической дуги или молнии:

\mathrm{N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO}

Азот в природе и жизни

В воздухе азот — простое вещество $\mathrm{N_2}$ , в земной коре — минералы, прежде всего селитры: чилийская $\mathrm{NaNO_3}$ и индийская $\mathrm{KNO_3}$ . Название «азот» дал Лавуазье: по-гречески это «безжизненный», ведь в чистом азоте гаснет свеча и гибнет мышь. Но азот входит в белки и нуклеиновые кислоты, так что без него жизнь невозможна.

Растения не умеют брать азот прямо из воздуха. Его «связывают» клубеньковые бактерии на корнях бобовых (горох, клевер, люпин), а также молнии и заводы, производящие аммиак. Растения усваивают соли аммония и нитраты, животные получают азот с пищей, а после гибели организмов бактерии возвращают его в почву и снова в атмосферу. Это круговорот азота.

Схема-цикл. Азот воздуха связывают бактерии бобовых, молнии и заводы; соли аммония и нитраты почвы усваивают растения, затем животные; бактерии гниения возвращают азот в почву, денитрификаторы — в атмосферу в виде N₂. — Атмосферный азот становится доступен живым организмам только после связывания в соединения.

Применение

Главное — синтез аммиака, из которого делают удобрения, азотную кислоту, красители, лекарства. Газообразный азот создаёт инертную среду, жидкий (−196 °C) — замораживает продукты и хранит биологические образцы.

Как решать задачи

Объём азота в воздухе: $V(\mathrm{N_2}) = V(\text{возд.}) \cdot \varphi$ , где $\varphi = 0{,}78$ .
Для реакции запишите уравнение и расставьте коэффициенты.
Найдите количество вещества: $$n = m/M$$ или $$n = V/V_m$$ , $V_m = 22{,}4$ л/моль.
По коэффициентам найдите количество искомого вещества; для газов можно сразу сравнивать объёмы.
Учтите выход или потери: умножьте на долю выхода ( $$1 - $$ доля потерь).

Разобранные примеры

База

Азот из воздуха

Условие

Какой объём азота (н. у.) можно получить из 400 м³ воздуха, если 10 % азота теряется при разделении? Объёмная доля азота — 78 %.

Дано

$V(\text{возд.}) = 400$ м³
$\varphi(\mathrm{N_2}) = 0{,}78$
потери 10 %

Найти

$V(\mathrm{N_2})$

Решение

В воздухе азота $400 \cdot 0{,}78 = 312$ м³. Получают 90 % от этого: $312 \cdot 0{,}9 = 280{,}8$ м³.

Ответ: 280,8 м³

Средний

Масса нитрида алюминия

Условие

Сколько граммов нитрида алюминия образуется при нагревании 5,4 г алюминия в избытке азота?

Дано

$m(\mathrm{Al}) = 5{,}4$ г

Найти

$m(\mathrm{AlN})$

Решение

\mathrm{2Al + N_2 \xrightarrow{t} 2AlN}

$n(\mathrm{Al}) = 5{,}4 / 27 = 0{,}2$ моль; по уравнению $n(\mathrm{AlN}) = n(\mathrm{Al}) = 0{,}2$ моль.

$M(\mathrm{AlN}) = 27 + 14 = 41$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 41 = 8{,}2$ г.

Ответ: 8,2 г

Сложный

Окислитель или восстановитель

Условие

Определите роль азота в реакциях с водородом и с кислородом. Составьте электронный баланс.

Решение

\mathrm{\overset{0}{N_2} + 3\overset{0}{H_2} \rightleftarrows 2\overset{-3}{N}\overset{+1}{H_3}}

$\mathrm{N_2 + 6e^- \rightarrow 2\overset{-3}{N}}$ — азот принимает электроны, он окислитель; $\mathrm{H_2 - 2e^- \rightarrow 2\overset{+1}{H}}$ , множитель 3 — водород восстановитель.

\mathrm{\overset{0}{N_2} + \overset{0}{O_2} \rightleftarrows 2\overset{+2}{N}\overset{-2}{O}}

$\mathrm{N_2 - 4e^- \rightarrow 2\overset{+2}{N}}$ — азот отдаёт электроны, он восстановитель; $\mathrm{O_2 + 4e^- \rightarrow 2\overset{-2}{O}}$ — кислород окислитель.

Ответ: С водородом азот — окислитель (N⁰ → N⁻³), с кислородом — восстановитель (N⁰ → N⁺²)

Типичные ошибки

Пишут молекулу азота с одинарной связью

Почему неверно

У атома азота три неспаренных электрона, и все три идут на связь. Одинарная связь оставила бы у каждого атома по два неспаренных электрона — такая частица была бы очень активной.

Как правильно

В молекуле $\mathrm{N_2}$ три общие электронные пары: $\mathrm{N \equiv N}$ . Именно прочность тройной связи объясняет инертность азота.

Считают азот только окислителем

Почему неверно

Степень окисления 0 — промежуточная между −3 и +5, значит, азот может и принимать, и отдавать электроны.

Как правильно

С металлами и водородом азот — окислитель (становится −3). С кислородом, который электроотрицательнее, — восстановитель: в $\mathrm{NO}$ у азота +2.

Путают нитриды с нитратами

Почему неверно

Нитрид — бинарное соединение азота с металлом ( $\mathrm{Li_3N}$ , $\mathrm{AlN}$ ), азот в нём −3. Нитрат — соль азотной кислоты ( $\mathrm{NaNO_3}$ ), там азот +5 в составе иона $\mathrm{NO_3^-}$ .

Как правильно

Смотрите на окончание: «-ид» — бинарное соединение, «-ат» — соль кислородсодержащей кислоты с высшей степенью окисления.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Какой объём азота содержится в 250 л воздуха? Объёмная доля азота в воздухе — 78 %.

Подсказка

Объём компонента равен объёму смеси, умноженному на его объёмную долю.

Решение

Дано

$V(\text{возд.}) = 250$ л
$\varphi(\mathrm{N_2}) = 0{,}78$

Найти

$V(\mathrm{N_2})$

$V(\mathrm{N_2}) = V(\text{возд.}) \cdot \varphi(\mathrm{N_2}) = 250 \cdot 0{,}78 = 195$ л.

Ответ

195 л

База Задача 2

Определите массу 5,6 л азота $\mathrm{N_2}$ (н. у.).

Подсказка

Сначала найдите количество вещества через молярный объём.

Решение

Дано

$V(\mathrm{N_2}) = 5{,}6$ л (н. у.)

Найти

$m(\mathrm{N_2})$

$n = \dfrac{V}{V_m} = \dfrac{5{,}6}{22{,}4} = 0{,}25$ моль.

$M(\mathrm{N_2}) = 2 \cdot 14 = 28$ г/моль, $m = n \cdot M = 0{,}25 \cdot 28 = 7$ г.

Ответ

7 г

Средний Задача 3

Магний нагрели в азоте, прореагировало 4,48 л азота (н. у.). Запишите уравнение реакции и найдите массу образовавшегося нитрида магния.

Подсказка

Магний двухвалентен, азот в нитриде имеет степень окисления −3.

Решение

Дано

$V(\mathrm{N_2}) = 4{,}48$ л

Найти

$m(\mathrm{Mg_3N_2})$

\mathrm{3Mg + N_2 \xrightarrow{t} Mg_3N_2}

$n(\mathrm{N_2}) = \dfrac{4{,}48}{22{,}4} = 0{,}2$ моль. По уравнению $n(\mathrm{Mg_3N_2}) = n(\mathrm{N_2}) = 0{,}2$ моль.

$M(\mathrm{Mg_3N_2}) = 3 \cdot 24 + 2 \cdot 14 = 100$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 100 = 20$ г.

Ответ

3Mg + N₂ → Mg₃N₂; 20 г

Средний Задача 4

В реактор подали 11,2 л азота (н. у.) и избыток водорода. Выход аммиака — 20 % от теоретического. Какой объём аммиака получен?

Подсказка

По уравнению из 1 объёма азота получается 2 объёма аммиака.

Решение

Дано

$V(\mathrm{N_2}) = 11{,}2$ л
$\eta = 0{,}2$

Найти

$V_{\text{практ}}(\mathrm{NH_3})$

\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3}

Для газов отношение объёмов равно отношению коэффициентов: $V_{\text{теор}}(\mathrm{NH_3}) = 2 \cdot 11{,}2 = 22{,}4$ л.

$V_{\text{практ}} = 22{,}4 \cdot 0{,}2 = 4{,}48$ л.

Ответ

4,48 л

Сложный Задача 5

Литий — единственный щелочной металл, который реагирует с азотом уже при комнатной температуре. Составьте уравнение реакции, электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

Подсказка

Степень окисления лития в соединениях +1, азота в нитриде −3.

Решение

\mathrm{6\overset{0}{Li} + \overset{0}{N_2} \rightarrow 2\overset{+1}{Li_3}\overset{-3}{N}}

$\mathrm{\overset{0}{Li} - 1e^- \rightarrow \overset{+1}{Li}}$ | 6 — окисление, литий — восстановитель.

$\mathrm{\overset{0}{N_2} + 6e^- \rightarrow 2\overset{-3}{N}}$ | 1 — восстановление, азот — окислитель.

Шесть атомов лития отдают 6 электронов, одна молекула азота их принимает.

Ответ

6Li + N₂ → 2Li₃N; окислитель — азот N₂, восстановитель — литий

Сложный Задача 6

Какая селитра богаче азотом — чилийская $\mathrm{NaNO_3}$ или индийская $\mathrm{KNO_3}$ ? Вычислите массовую долю азота в каждой.

Подсказка

$w(\mathrm{N}) = \dfrac{A_r(\mathrm{N})}{M_r}$ .

Решение

$M_r(\mathrm{NaNO_3}) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85$ , $w(\mathrm{N}) = \dfrac{14}{85} \approx 0{,}165$ , или 16,5 %.

$M_r(\mathrm{KNO_3}) = 39 + 14 + 3 \cdot 16 = 101$ , $w(\mathrm{N}) = \dfrac{14}{101} \approx 0{,}139$ , или 13,9 %.

В обеих солях по одному атому азота, но калий тяжелее натрия, поэтому доля азота больше в чилийской селитре.

Ответ

Чилийская NaNO₃ — 16,5 %; в KNO₃ — 13,9 %

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Спросите: если вокруг 78 % азота, почему мы не «горим» и не «окисляемся» им? Ответ — молекула азота сцеплена тройной связью, как три карабина сразу, и разорвать её очень трудно. Поэтому азотом заполняют пакеты с чипсами: он ничего не портит. А чтобы азот «работал» в природе, его связывают бактерии на корнях гороха и клевера — отсюда старый приём сажать бобовые для улучшения почвы.

Вопросы для проверки понимания: 1) Сколько электронов на внешнем уровне у атома азота и какие у него крайние степени окисления? 2) Почему азот малоактивен? 3) С каким веществом азот — восстановитель?

На что обратить внимание. Ребёнок должен уметь расставить степени окисления в $\mathrm{Li_3N}$ , $\mathrm{NH_3}$ , $\mathrm{NO}$ , различать нитриды и нитраты и решать задачи на объёмную долю азота в воздухе.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 16	1, 2, 3, 4, 5, 6