Номер 1, страница 306 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 43. Азот - номер 1, страница 306.

Условие.

1. Объясните такое феноменальное свойство азота: имея всего три неспаренных электрона, он проявляет максимальную валентность, равную четырём, и максимальную степень окисления $+5$.

Решение.

Решение 2.

Это явление объясняется особенностями электронного строения атома азота, а также различием между понятиями «валентность» и «степень окисления».

1. Электронное строение и валентность.

Атом азота ($_{7}N$) имеет электронную конфигурацию $1s^2 2s^2 2p^3$. На его внешнем (втором) энергетическом уровне находятся 5 валентных электронов: два спаренных на 2s-подуровне и три неспаренных на 2p-подуровне.

За счёт трёх неспаренных p-электронов азот образует три ковалентные связи по обменному механизму, проявляя валентность, равную трём. Классический пример — молекула аммиака ($NH_3$).

Однако у азота на 2s-подуровне есть неподелённая электронная пара. Эта пара может участвовать в образовании четвёртой ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Азот выступает в роли донора электронной пары, а другой атом или ион с вакантной орбиталью — в роли акцептора. Например, при взаимодействии аммиака с ионом водорода $H^+$ образуется ион аммония $NH_4^+$:

$NH_3 + H^+ \rightarrow [NH_4]^+$

В ионе аммония атом азота образует уже четыре ковалентные связи, то есть его валентность равна четырём.

Важно отметить, что максимальная валентность азота не может быть равна пяти. Для этого потребовалось бы «распарить» электроны с 2s-подуровня, переместив один из них на свободную орбиталь. Однако на втором энергетическом уровне, который является для азота внешним, нет свободных d-орбиталей, а переход электрона на следующий, третий уровень, энергетически крайне невыгоден. Таким образом, атом азота для образования связей может предоставить только четыре орбитали (одну 2s и три 2p), что и ограничивает его максимальную валентность четырьмя.

2. Степень окисления.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все связи являются ионными (т.е. электроны полностью смещены к более электроотрицательному атому). В отличие от валентности, степень окисления не означает реальное количество образованных связей.

Максимальная положительная степень окисления элемента, как правило, равна номеру группы, в которой он находится, или, что то же самое, числу его валентных электронов. Азот находится в 15-й (VА) группе и имеет 5 валентных электронов ($2s^2 2p^3$).

В соединениях с более электроотрицательными элементами, например, с кислородом, азот формально "отдаёт" все свои пять валентных электронов, приобретая степень окисления +5. Примеры таких соединений: оксид азота(V) $N_2O_5$, азотная кислота $HNO_3$, нитрат-ион $NO_3^-$.

Например, в нитрат-ионе $NO_3^-$ валентность азота равна IV (он образует 4 связи с тремя атомами кислорода), но его степень окисления равна +5.

Ответ: Максимальная валентность азота равна четырём, а не трём, так как помимо трёх неспаренных электронов для образования связей по обменному механизму, он может использовать свою неподелённую электронную пару на 2s-орбитали для образования четвёртой связи по донорно-акцепторному механизму. Валентность V невозможна из-за отсутствия d-подуровня на втором энергетическом уровне. Максимальная степень окисления +5 обусловлена тем, что азот имеет пять валентных электронов, которые он может формально отдать в соединениях с более электроотрицательными элементами (например, с кислородом), при этом количество образуемых связей (валентность) и условный заряд (степень окисления) не обязаны совпадать.