Питання для самоконтролю:

1. Характеристика Оксигену та Сульфуру за періодичною системою.

2. Прості речовини утворені Оксигеном і Сульфуром.

3. Характеристика реакційної здатності сульфідної та сульфатної кислот.

4. Оксиди Сульфуру, їх хімічні властивості, способи добування та застосування.

Тема 8 Азот, фосфор та їх сполуки

( 6 год)

План:

1. Нітроген.

2. Аміак.

3. Оксиди нітрогену.

4. Нітратна кислота.

5. Ортофосфорна кислота.

6. Мінеральні добрива.

Студент повинен знати: характеристику Нітрогену та Фосфору за періодичною системою хімічних елементів Д.І.Менделєєва;

Студент повинен уміти: відрізняти сполуки Нітрогену та Фосфору за їх хімічними властивостями;

Рекомендована література:

Басов В.П., Родіонов В.М. Хімія: Навч. посіб. 5 – е вид. – К. : Каравела, 2005. – с.100

Нітроген – елемент головної підгрупи п’ятої групи. Валентні електрони розміщені на другому енергетичному рівні. До завершення рівня йому не вистачає трьох електронів. Високе значення електронегативності свідчить, що це - активний неметал. Атоми Нітрогену утворюють молекулу азоту з подвійним ковалентним неполярним зв’язком. Довжина зв’язку в молекулі азоту невелика, а енергія велика, що і є причиною високої стійкості та хімічної інертності молекулярного азоту. Тому, незалежно від активності металу чи неметалу, азот взаємодіє з ним тільки за високої температури, коли зв’язки між атомами послаблюються. При цьому утворюються нітриди. Лише з літієм азот реагує за звичайних умов.

Аміак (NH₃) має ряд особливостей, які можна пояснити, виходячи з будови його молекули. Сюди відносять:

1. аномально високу розчинність аміаку у воді (до 700 об’ємів на 1 об’єм води) та аномально високу температуру зрідження; (240 К) Причина: висока полярність зв’язку між Нітрогеном і Гідрогеном та висока полярність самих молекул аміаку, що призводить до утворення водневих зв’язків як між молекулами аміаку при його зрідженні, так і між молекулами аміаку і води при утворенні розчинів;

2. явно виражені основні властивості в реакціях з кислотами і лужну реакцію водного розчину. Причина : наявність неподіленої електронної пари на гібридній орбіталі атома Нітрогену і взаємодія з йонами гідроксонію за донорно – акцепторним механізмом з утворенням продуктів сполучення, які називають солями амонію:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

3. незначну концентрацію ОН – йонів у водному розчині аміаку. Причина: низький ступінь дисоціації молекул води на Йони і практично повна дисоціація нестійких молекул гідроксиду амонію за молекулярним механізмом.

NH₄OH = NH₄⁺ + OH^-

Тобто аміак у водних розчинах знаходиться переважно у складі продуктів приєднання з водою і лише незначна частина його молекул взаємодіє з йонами Гідрогену, що утворюються під час дисоціації води. Спроба виділити гідроксид амонію з його солей при дії лугу призводить до розкладу цього нестійкого продукту на аміак і воду (саме так добувають аміак у лабораторії)

Солі амонію розкладаються не тільки від дії лугу, але й за нагрівання, однак аміак тут виділяється далеко не завжди. Розрізняють два механізми розкладу солей амонію:

• оборотний чи необоротний із відщепленням молекул аміаку

• окисно – відновний з окисненням йонів амонію.

У Нітрогену – п’ять оксидів. Оксиди нітрогену (І) і (ІІ) – несолетворні і для них характерні тільки окисно – відновні реакції. Інші три оксиди – солетворні. Оксиду нітрогену (ІІІ) відповідає азотиста (нітритна) кислота, оксиду нітрогену (V) – азотна (нітратна), а оксид нітрогену (IV) є ангідридом двох кислот – азотної і азотистої.

Внаслідок взаємодії цих оксидів із лугами і основними оксидами утворюються відповідні солі (нітрити і нітрати):

N₂O₃ + Mg O = Mg (NO₂)₂

N₂O₅ + Mg O = Mg (NO₃)₂

У атома нітрогену 4 валентні орбіталі, які можуть утворювати 4 валентні зв’язки, тобто Нітроген максимально може бути чотиривалентним. Саме така валентність реалізується у атома Нітрогену в азотній кислоті. Для цього він як менш електронегативний, ніж Оксиген, має віддати один електрон одному з трьох атомів Оксигену, утворюючи з ним зв'язок за рахунок неспареного електрона, що залишився на орбіталі після розпарювання.

При цьому Нітроген набуває позитивного заряду і реалізує вищий ступінь окислення +5. Крім того, він гібридизує свої валентні орбіта лі. Така молекула нестійка і легко руйнується при освітленні, нагріванні чи дії відновників, наприклад металів, виявляючи сильні окиснювальні властивості за рахунок Нітрогену. При цьому, виділяється не водень, а продукти відновлення Нітрогену, склад яких залежить від концентрації кислоти і активності відновника. Так, з концентрованої азотної кислоти, як правило, виділяється «бурий газ»:

4HNO_{3 (k)} = 4NO₂ + O₂ + 2H₂O

Внаслідок взаємодії розведеної нітратної кислоти з неактивними відновниками виділяється оксид нітрогену (ІІ):

8HNO_{3 (P)} + 3Cu = 3Cu (NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Активні метали відновлюють Нітроген до більш низького ступеня окислення, причому, чим більше розведена кислота, тим краще йде процес відновлення:

10HNO_{3 (P)} + 4Zn = 4Zn (NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

В іншому азотна кислота виявляє звичайні кислотні властивості: як кислота сильна, добре дисоціює на йони, взаємодіє з солями слабкіших кислот, оксидами та гідроксидами металів, утворюючи солі нітрати. Останні добре розчинні у воді і, як і сама кислота, виявляють сильні окиснювальні властивості, але за нагрівання.

Процес добування азотної кислоти в промисловості багатостадійний і громіздкий. Його хімізм можна передати схемою:

Азот – аміак - оксиди нітрогену – нітратна кислота.

Ортофосфорна кислота H₃PO₄ на відміну від азотної, реагує тільки з активними металами, причому з виділенням водню, і хоча ступінь окиснення Фосфору тут найвищий (+5), в реакціях з металами Фосфор не відновлюється. Фосфор може переходити в збуджений стан і утворювати 5 стійких ковалентних зв’язків. Крім того, Фосфор в ортофосфорній кислоті гібридизує свої валентні орбіталі і знаходиться в центрі тетраедра в оточенні чотирьох сильно електронегативних атомів Оксигену .які утруднюють доступ атомів відновника до центрального атома Фосфору +5.

Ортофосфорна кислота набагато слабша, ніж нітратна, бо менш електронегативний атом Фосфору в меншій мірі зміщує електронну густину з трьох зв’язків Н – О, ніж атом Нітрогену в нітратній кислоті – з одного. А чим міцніший зв'язок між атомами Гідрогену і кислотним залишком, тим кислота слабша.

Добрива – це речовини, які застосовують для правильного розвитку і живлення рослин, або для зміни (відновлення) властивостей ґрунту.

При правильному застосуванні добрив збільшується врожайність і якість сільськогосподарських культур і, навпаки, агрохімічно неграмотне й надмірне застосування добрив призводить до шкідливого накопичення в рослинах і продуктах їх переробки деяких хімічних речовин, наприклад нітритів та нітратів, і забруднення водойм. Надмірне застосування добрив не дає, як правило, бажаного збільшення врожаю та якості продуктів, а викликає буйний ріст бур’янів, для боротьби з якими треба застосовувати надлишок не завжди безпечних дефоліантів, які, в свою чергу, забруднюють грунт шкідливими органічними сполуками.

Мінеральні добрива розрізняють прямі і побічні. Прямі добрива вводять для безпосереднього живлення рослин. Вони містять необхідні для цього елементи, головним чином Нітроген, Фосфор, Калій, та мікроелементи (цинк, марганець, мідь, бор та інші). Прямі добрива розділяють на однобічні (містять один поживний елемент) і комплексні (два і більше поживних елементи). Комплексні добрива за способом приготування розрізняють змішані і складні, змішані – це механічні суміші різних однобічних добрив. Складні готують шляхом хімічної взаємодії, спільної кристалізації або сплавлення основних компонентів.

Побічні мінеральні добрива використовують головним чином для поліпшення властивостей ґрунту. До побічних добрив відносять засоби нейтралізації кислих ґрунтів (вапнування), меліорації солончаків (гіпсування), підкислення з метою підвищення розчинності фосфатів тощо.

Більшу частину мінеральних добрив випускають у вигляді порошків або грану. Гранульовані добрива менше злежуються і краще розсіюються. Широко застосовують рідкі добрива: аміачна вода, розчини солей та ін.

Одним із найбільш розповсюджених мінеральних добрив, яке виробляють у великій кількості, є суперфосфат (простий і подвійний). Технологія його виробництва надзвичайно проста: апатитовий концентрат або фосфористе борошно змішують із концентрованою сірчаною або фосфорною кислотами в необхідних співвідношеннях.