Страница 145 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Опишите физические свойства азота.

Опишите физические свойства азота.

Азот, химическая формула которого $N_2$, является основным компонентом земной атмосферы (около 78% по объему). При нормальных условиях (температура $0^\circ C$ и давление 1 атм) он представляет собой газ со следующими физическими свойствами:

• Агрегатное состояние: Газ.
• Цвет, вкус и запах: Азот является газом без цвета, вкуса и запаха.
• Плотность: Плотность газообразного азота составляет $1.2506$ кг/м³, что делает его немного легче воздуха. Для сравнения, молярная масса азота $M(N_2) \approx 28$ г/моль, а средняя молярная масса воздуха $M_{возд} \approx 29$ г/моль.
• Растворимость: Очень плохо растворяется в воде и других растворителях.
• Температура сжижения (кипения): Азот переходит в жидкое состояние при очень низкой температуре, равной $-195.8^\circ C$. В жидком виде это бесцветная, подвижная жидкость, по плотности близкая к воде.
• Температура замерзания (плавления): Жидкий азот замерзает при температуре $-210^\circ C$, превращаясь в твердое вещество в виде белой снегоподобной массы или прозрачных кристаллов.

Ответ: При нормальных условиях азот — это газ без цвета, вкуса и запаха, который немного легче воздуха и плохо растворяется в воде. Температура кипения азота составляет $-195.8^\circ C$, а температура плавления — $-210^\circ C$.

2. При взаимодействии азота с кислородом образуется оксид азота(II), при взаимодействии азота с водородом — аммиак $NH_3$, а при взаимодействии азота с литием — нитрид лития $Li_3N$. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания. В каких случаях азот выступает как окислитель, а в каком — как восстановитель?

При взаимодействии азота с кислородом

Уравнение реакции взаимодействия азота с кислородом с образованием оксида азота(II):

$N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$

Условия протекания реакции: данная реакция является сильно эндотермической, поэтому для её осуществления требуется очень высокая температура (около 2000-3000 °C) или электрический разряд (например, во время грозы).

Определение роли азота: в виде простого вещества ($N_2$) азот имеет степень окисления 0. В соединении, оксиде азота(II) ($NO$), кислород имеет степень окисления -2, следовательно, степень окисления азота равна +2. Так как степень окисления азота повышается с 0 до +2, он отдает электроны и выступает в роли восстановителя.

Процесс окисления: $N^0 - 2e^- \rightarrow N^{+2}$.

Ответ: Уравнение: $N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$; условия: t > 2000°C или электрический разряд; азот является восстановителем.

При взаимодействии азота с водородом

Уравнение реакции взаимодействия азота с водородом с образованием аммиака:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

Условия протекания реакции: это обратимая экзотермическая реакция (процесс Габера-Боша), для смещения равновесия в сторону образования продукта используют катализатор (пористое железо с оксидами алюминия и калия), высокое давление (15-35 МПа) и повышенную температуру (400-500 °C).

Определение роли азота: в простом веществе ($N_2$) степень окисления азота равна 0. В аммиаке ($NH_3$) водород имеет степень окисления +1, следовательно, степень окисления азота равна -3. Так как степень окисления азота понижается с 0 до -3, он принимает электроны и выступает в роли окислителя.

Процесс восстановления: $N^0 + 3e^- \rightarrow N^{-3}$.

Ответ: Уравнение: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$; условия: катализатор, высокое давление, повышенная температура; азот является окислителем.

При взаимодействии азота с литием

Уравнение реакции взаимодействия азота с литием с образованием нитрида лития:

$6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$

Условия протекания реакции: литий — очень активный щелочной металл, он способен реагировать с азотом воздуха уже при комнатной температуре. Для ускорения реакции обычно применяют небольшое нагревание.

Определение роли азота: в простом веществе ($N_2$) степень окисления азота равна 0. В нитриде лития ($Li_3N$), как и в других ионных нитридах, степень окисления азота равна -3 (литий имеет постоянную степень окисления +1). Так как степень окисления азота понижается с 0 до -3, он принимает электроны и выступает в роли окислителя.

Процесс восстановления: $N^0 + 3e^- \rightarrow N^{-3}$.

Ответ: Уравнение: $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$; условия: комнатная температура или нагревание; азот является окислителем.

В каких случаях азот выступает как окислитель, а в каком — как восстановитель?

Азот проявляет двойственную окислительно-восстановительную природу. Он выступает как окислитель в реакциях с менее электроотрицательными элементами, такими как металлы (литий) и водород. В этих случаях азот принимает электроны, понижая свою степень окисления. Он выступает как восстановитель в реакциях с более электроотрицательными элементами, такими как кислород (или фтор). В этих случаях азот отдает электроны, повышая свою степень окисления.

Ответ: Азот выступает как окислитель в реакциях с водородом и литием, а как восстановитель — в реакции с кислородом.

3. Объясните, почему галогены не встречаются в природе в виде простых веществ, а азот, наоборот, более распространён в форме простого вещества.

Различие в распространенности галогенов и азота в виде простых веществ в природе объясняется их разной химической активностью, которая, в свою очередь, определяется строением их атомов и молекул.

Галогены (фтор, хлор, бром, йод) являются элементами 17-й группы периодической системы. На их внешнем электронном слое находится 7 электронов. Для достижения стабильной электронной конфигурации благородного газа (8 электронов на внешней оболочке) атому галогена не хватает всего одного электрона. Это обуславливает их чрезвычайно высокую электроотрицательность и химическую активность. Галогены — очень сильные окислители, они легко вступают в реакции с большинством металлов и неметаллов, образуя устойчивые соединения — галиды (например, $NaCl$, $CaF_2$). Из-за своей высокой реакционной способности галогены в свободном виде (в форме двухатомных молекул $F_2$, $Cl_2$ и т.д.) в природе не встречаются. Любые образовавшиеся простые вещества немедленно прореагировали бы с окружающей средой, образуя более стабильные соединения. Поэтому галогены существуют в природе исключительно в виде соединений.

Азот, в отличие от галогенов, является элементом 15-й группы. В виде простого вещества он существует в форме двухатомных молекул $N_2$. В этой молекуле атомы азота связаны между собой очень прочной тройной ковалентной связью ($N \equiv N$). Энергия разрыва этой связи чрезвычайно велика (около 945 кДж/моль). Такая высокая прочность связи делает молекулу азота очень стабильной и химически инертной при обычных условиях. Чтобы заставить азот вступить в реакцию, необходимо затратить огромное количество энергии (например, условия высоких температур и давлений, как в процессе Габера-Боша, или энергия электрического разряда молнии). Благодаря своей инертности, молекулярный азот не вступает в реакции с другими веществами в земной коре и атмосфере, что позволяет ему накапливаться в свободном состоянии. Именно поэтому азот является основным компонентом воздуха (около 78% по объему).

Ответ: Галогены химически чрезвычайно активны из-за их стремления принять один электрон для завершения внешней электронной оболочки, поэтому они встречаются в природе только в виде соединений. Азот, наоборот, в виде простого вещества ($N_2$) очень инертен из-за наличия прочной тройной связи между атомами в молекуле, что позволяет ему существовать в свободном виде и составлять основную часть атмосферы.

4. Найдите массовую долю азота в калийной селитре — нитрате калия.

Дано:

Калийная селитра (нитрат калия) - $KNO_3$

Найти:

Массовую долю азота $w(N)$ - ?

Решение:

Массовая доля элемента в химическом соединении определяется как отношение массы всех атомов этого элемента в молекуле к общей молекулярной массе соединения. Формула для расчета:

$w(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(вещества)}$

где $w(Э)$ – массовая доля элемента, $n$ – число атомов данного элемента в одной формульной единице вещества, $Ar(Э)$ – относительная атомная масса элемента, $Mr(вещества)$ – относительная молекулярная масса вещества.

1. Первым шагом определим химическую формулу калийной селитры (нитрата калия). Калий имеет символ $K$, а нитрат-ион - $NO_3$. Таким образом, формула соединения – $KNO_3$.

2. Найдем относительные атомные массы элементов, входящих в состав нитрата калия, по периодической таблице Д.И. Менделеева (с округлением до целых чисел):

• Относительная атомная масса калия: $Ar(K) = 39$
• Относительная атомная масса азота: $Ar(N) = 14$
• Относительная атомная масса кислорода: $Ar(O) = 16$

3. Рассчитаем относительную молекулярную массу нитрата калия ($KNO_3$). Она равна сумме относительных атомных масс всех атомов в молекуле:

$Mr(KNO_3) = Ar(K) + Ar(N) + 3 \cdot Ar(O)$

$Mr(KNO_3) = 39 + 14 + 3 \cdot 16 = 53 + 48 = 101$

4. В одной формульной единице $KNO_3$ содержится один атом азота ($n(N) = 1$). Теперь можем рассчитать массовую долю азота:

$w(N) = \frac{1 \cdot Ar(N)}{Mr(KNO_3)} = \frac{1 \cdot 14}{101} \approx 0.1386$

5. Для выражения результата в процентах, умножим полученное значение на 100%:

$w(N) = 0.1386 \cdot 100\% \approx 13.9\%$

Ответ: массовая доля азота в калийной селитре (нитрате калия) составляет примерно $13.9\%$.

5. Объясните, почему фтор и кислород поддерживают горение, а азот — нет.

Способность вещества поддерживать горение определяется его химической активностью как окислителя. Горение — это быстрая экзотермическая (с выделением тепла и света) окислительно-восстановительная реакция, в которой окислитель отнимает электроны у горючего вещества (восстановителя).

Почему фтор и кислород поддерживают горение

Фтор ($F_2$) и кислород ($O_2$) являются очень сильными окислителями. Это свойство обусловлено их строением атомов и, как следствие, высокой электроотрицательностью. Электроотрицательность — это мера способности атома притягивать к себе электроны. Фтор — самый электроотрицательный элемент в периодической системе, а кислород — второй по этому показателю.

Из-за своей высокой электроотрицательности атомы фтора и кислорода очень активно взаимодействуют со многими веществами, отнимая у них электроны. Этот процесс окисления сопровождается выделением большого количества энергии в виде тепла и света, что и представляет собой горение. Поэтому вещества, которые горят в воздухе (в кислороде), горят еще интенсивнее и ярче в атмосфере фтора.

Почему азот не поддерживает горение

Азот ($N_2$), в отличие от фтора и кислорода, при нормальных условиях является химически инертным газом. Основная причина его низкой реакционной способности заключается в строении его двухатомной молекулы. Два атома азота в молекуле $N_2$ соединены очень прочной тройной ковалентной связью ($N \equiv N$).

Энергия, необходимая для разрыва этой тройной связи, чрезвычайно высока (около $945$ кДж/моль). Пока эта связь не разорвана, азот не может вступать в химические реакции. Поскольку для инициирования реакции с азотом требуется огромная энергия, он не может выступать в качестве окислителя в реакциях горения, которые, наоборот, должны сами выделять энергию. В составе атмосферного воздуха (где его ~78%) азот, по сути, является инертным разбавителем, который замедляет реакции горения.

Ответ: Фтор и кислород поддерживают горение, так как являются чрезвычайно активными химическими элементами с высокой электроотрицательностью, что делает их сильными окислителями. Азот не поддерживает горение из-за очень прочной тройной связи в его молекуле ($N \equiv N$), которая делает его химически инертным при обычных условиях и не позволяет ему выступать в роли окислителя.

*6. Природный азот состоит из двух изотопов: $^\text{14}\text{N}$ и $^\text{15}\text{N}$. Сколько разных молекул азота $\text{N}_2$ существует в природе? Каковы их относительные молекулярные массы?

Дано:

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: $^{14}\text{N}$ и $^{15}\text{N}$.

Относительная атомная масса изотопа $^{14}\text{N}$, $A_r(^{14}\text{N})$, приблизительно равна 14.

Относительная атомная масса изотопа $^{15}\text{N}$, $A_r(^{15}\text{N})$, приблизительно равна 15.

Найти:

1. Количество различных типов молекул азота $N_2$.

2. Относительные молекулярные массы ($M_r$) этих молекул.

Решение:

Сколько разных молекул азота N₂ существует в природе?

Молекула азота $N_2$ является двухатомной, то есть состоит из двух атомов азота. Поскольку в природе существуют два изотопа азота ($^{14}\text{N}$ и $^{15}\text{N}$), они могут комбинироваться друг с другом для образования молекул. Рассмотрим все возможные комбинации:

1. Молекула, состоящая из двух атомов изотопа $^{14}\text{N}$. Формула такой молекулы: $^{14}\text{N}_2$.

2. Молекула, состоящая из одного атома $^{14}\text{N}$ и одного атома $^{15}\text{N}$. Формула такой молекулы: $^{14}\text{N}^{15}\text{N}$.

3. Молекула, состоящая из двух атомов изотопа $^{15}\text{N}$. Формула такой молекулы: $^{15}\text{N}_2$.

Таким образом, в природе может существовать три различных по составу (и, следовательно, по массе) типа молекул азота.

Ответ: В природе существует 3 разных типа молекул азота $N_2$.

Каковы их относительные молекулярные массы?

Относительная молекулярная масса ($M_r$) молекулы равна сумме относительных атомных масс ($A_r$) атомов, входящих в её состав. Для изотопов относительную атомную массу можно принять равной их массовому числу.

Для молекулы $^{14}\text{N}_2$, состоящей из двух атомов $^{14}\text{N}$, относительная молекулярная масса равна: $M_r(^{14}\text{N}_2) = A_r(^{14}\text{N}) + A_r(^{14}\text{N}) = 14 + 14 = 28$.

Для молекулы $^{14}\text{N}^{15}\text{N}$, состоящей из одного атома $^{14}\text{N}$ и одного атома $^{15}\text{N}$, относительная молекулярная масса равна: $M_r(^{14}\text{N}^{15}\text{N}) = A_r(^{14}\text{N}) + A_r(^{15}\text{N}) = 14 + 15 = 29$.

Для молекулы $^{15}\text{N}_2$, состоящей из двух атомов $^{15}\text{N}$, относительная молекулярная масса равна: $M_r(^{15}\text{N}_2) = A_r(^{15}\text{N}) + A_r(^{15}\text{N}) = 15 + 15 = 30$.

Ответ: Относительные молекулярные массы этих молекул равны 28, 29 и 30.