Страница 89 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте общую характеристику элементов VA-группы на основании их положения в Периодической системе Д. И. Менделеева. Укажите закономерности изменения радиуса атома, электроотрицательности, неметаллических свойств с ростом атомного номера элемента.

Общая характеристика элементов VA-группы на основании их положения в Периодической системе Д. И. Менделеева

Элементы VA-группы (по новой классификации IUPAC – 15-я группа), также известные как пниктогены, включают в себя Азот (N), Фосфор (P), Мышьяк (As), Сурьму (Sb), Висмут (Bi) и радиоактивный Московий (Mc).

Положение в Периодической системе и электронная конфигурация:
Элементы расположены в 15-й группе Периодической системы. На внешнем электронном уровне их атомы содержат 5 электронов. Общая электронная формула валентного слоя – $ns^2np^3$, где $n$ – номер периода. Наличие пяти валентных электронов определяет их химические свойства и принадлежность к p-элементам.

Степени окисления:
Для элементов VA-группы характерны различные степени окисления, от $-3$ до $+5$.

• Высшая степень окисления, равная $+5$, соответствует номеру группы. Она проявляется в соединениях с более электроотрицательными элементами (например, в оксидах $N_2O_5$, $P_4O_{10}$ и кислотах $HNO_3$, $H_3PO_4$). Устойчивость соединений со степенью окисления $+5$ уменьшается от азота к висмуту.
• Степень окисления $+3$ также характерна для всех элементов. Её устойчивость возрастает вниз по группе из-за "эффекта инертной пары" (возрастает энергетическая выгодность сохранения пары $ns^2$-электронов). Для висмута степень окисления $+3$ является наиболее устойчивой.
• Низшая степень окисления, равная $-3$, проявляется в соединениях с металлами (нитриды, фосфиды) и водородом (аммиак $NH_3$, фосфин $PH_3$). Способность образовывать соединения со степенью окисления $-3$ уменьшается вниз по группе.

Простые вещества и их характер:
В группе наблюдается яркий переход от неметаллов к металлам:

• Азот (N) – типичный неметалл, в свободном виде существует как двухатомный газ ($N_2$) с очень прочной тройной связью.
• Фосфор (P) – типичный неметалл, существует в виде нескольких аллотропных модификаций (белый, красный, черный фосфор), твердое вещество.
• Мышьяк (As) и Сурьма (Sb) – металлоиды (полуметаллы), проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Их оксиды амфотерны.
• Висмут (Bi) – типичный металл, обладает металлическим блеском, ковкостью, проводит электрический ток. Его оксиды имеют основный характер.

Ответ: Элементы VA-группы (N, P, As, Sb, Bi) имеют 5 валентных электронов с общей конфигурацией внешнего слоя $ns^2np^3$ и проявляют степени окисления от $-3$ до $+5$. В группе с ростом атомного номера наблюдается закономерный переход от типичных неметаллов (N, P) через металлоиды (As, Sb) к типичному металлу (Bi).

Закономерности изменения радиуса атома, электроотрицательности, неметаллических свойств с ростом атомного номера элемента

Изменение радиуса атома

С ростом атомного номера (при движении сверху вниз по группе) радиус атома увеличивается. Это связано с тем, что с каждым новым периодом добавляется новый электронный слой, что приводит к увеличению расстояния валентных электронов от ядра. Несмотря на рост заряда ядра, эффект увеличения числа электронных оболочек преобладает.
Закономерность: $R(N) < R(P) < R(As) < R(Sb) < R(Bi)$.

Ответ: С ростом атомного номера в VA-группе радиус атома увеличивается из-за добавления новых электронных слоев.

Изменение электроотрицательности

С ростом атомного номера электроотрицательность (ЭО) уменьшается. По мере увеличения радиуса атома валентные электроны находятся дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними электронами. В результате ядро слабее притягивает электроны химической связи, и ЭО падает. Азот является одним из самых электроотрицательных элементов, а у висмута ЭО близка к значениям для типичных металлов.
Закономерность: $ЭО(N) > ЭО(P) > ЭО(As) > ЭО(Sb) > ЭО(Bi)$.

Ответ: С ростом атомного номера в VA-группе электроотрицательность уменьшается из-за увеличения атомного радиуса и эффекта экранирования.

Изменение неметаллических свойств

С ростом атомного номера неметаллические свойства ослабевают, а металлические – усиливаются. Это является прямым следствием уменьшения электроотрицательности и энергии ионизации вниз по группе. Атомам становится легче отдавать валентные электроны, что является характерным свойством металлов. Это изменение наглядно проявляется в свойствах их соединений:

• Оксиды изменяют свой характер от кислотных ($N_2O_5, P_4O_{10}$) к амфотерным ($As_2O_3, Sb_2O_3$) и затем к основным ($Bi_2O_3$).
• Водородные соединения (гидриды) типа $ЭH_3$ изменяют свою устойчивость: она резко падает от очень устойчивого аммиака ($NH_3$) к крайне неустойчивому гидриду висмута ($BiH_3$). Основные свойства гидридов также ослабевают в этом ряду.

Ответ: С ростом атомного номера в VA-группе неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются, что проявляется в изменении характера оксидов от кислотных к основным и в снижении устойчивости водородных соединений.

2. В чём причины малой химической активности простого вещества азота?

Малая химическая активность простого вещества азота ($N_2$) обусловлена высокой прочностью его молекулы.

Молекула азота состоит из двух атомов ($N_2$). Эти атомы соединены между собой очень прочной тройной ковалентной связью ($N \equiv N$), которая состоит из одной сигма-($\sigma$) и двух пи-($\pi$) связей. Энергия, необходимая для разрыва этой связи (энергия диссоциации), чрезвычайно велика и составляет около $945 \text{ кДж/моль}$.

Из-за такой высокой прочности связи, для того чтобы азот вступил в химическое взаимодействие, необходимо затратить огромное количество энергии. Это означает, что реакции с участием азота имеют очень высокую энергию активации. Поэтому при обычных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) азот ведёт себя как инертный газ и не реагирует с подавляющим большинством веществ. Реакции с его участием начинают протекать только при очень жёстких условиях: высокая температура (сотни градусов Цельсия), высокое давление или при использовании катализаторов.

Ответ: Главной причиной малой химической активности азота является наличие в его двухатомной молекуле ($N_2$) очень прочной тройной ковалентной связи ($N \equiv N$), для разрыва которой требуется затратить большое количество энергии.

3. Используя знания по биологии, охарактеризуйте биологическую роль азота. Нарисуйте схему круговорота азота в природе.

Биологическая роль азота

Азот (N) — один из важнейших биогенных элементов, без которого невозможно существование живых организмов. Хотя в атмосфере содержится около 78% азота в виде инертного газа $N_2$, в такой форме он недоступен для большинства живых существ (кроме азотфиксирующих бактерий). Биологическая роль азота заключается в том, что он является незаменимым структурным компонентом важнейших органических соединений:

• Белки и аминокислоты: азот входит в состав аминогрупп ($-NH_2$) всех аминокислот, которые являются мономерами белков. Белки выполняют в организме строительную, каталитическую (ферменты), транспортную, защитную и многие другие функции.
• Нуклеиновые кислоты: азот является ключевым компонентом азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил), которые входят в состав нуклеотидов — строительных блоков ДНК и РНК. Эти молекулы отвечают за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.
• АТФ (аденозинтрифосфорная кислота): эта молекула, являющаяся универсальным источником энергии в клетке, содержит в своем составе азотистое основание аденин.
• Некоторые витамины и гормоны: азот входит в состав многих витаминов (например, группы B) и некоторых гормонов (например, тироксина, адреналина), которые регулируют обмен веществ и физиологические функции.
• Хлорофилл: у растений и цианобактерий азот является частью порфиринового кольца молекулы хлорофилла, пигмента, необходимого для фотосинтеза.

Таким образом, азот необходим для синтеза фундаментальных для жизни молекул, обеспечивая рост, развитие и метаболизм всех организмов.

Ответ: Азот является ключевым элементом в составе белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), АТФ, многих витаминов, гормонов и хлорофилла, выполняя таким образом важнейшую структурную и метаболическую роль во всех живых организмах.

Схема круговорота азота в природе

Круговорот азота — это циклический процесс превращения соединений азота в биосфере. Он включает в себя несколько ключевых этапов, обеспечиваемых в основном микроорганизмами.

Общая схема процесса:

1. Азотфиксация: Это процесс превращения атмосферного молекулярного азота ($N_2$), недоступного для большинства организмов, в усвояемые соединения, такие как аммиак ($NH_3$) и ионы аммония ($NH_4^+$).
   • Биологическая фиксация: осуществляется азотфиксирующими бактериями (например, клубеньковыми бактериями рода Rhizobium на корнях бобовых растений, свободноживущими бактериями Azotobacter, цианобактериями).
   • Атмосферная фиксация: происходит во время гроз, когда энергия молний заставляет азот реагировать с кислородом, образуя оксиды азота, которые с водой попадают в почву в виде азотной и азотистой кислот.
   • Промышленная фиксация: производство азотных удобрений (например, аммиака) человеком.
2. Нитрификация: Процесс окисления аммиака и ионов аммония до нитритов ($NO_2^−$), а затем до нитратов ($NO_3^−$). Этот процесс в две стадии осуществляется нитрифицирующими бактериями в аэробных условиях. Нитраты являются основной формой азота, усваиваемой растениями.
   $NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$
3. Ассимиляция: Растения поглощают из почвы ионы аммония ($NH_4^+$) и нитраты ($NO_3^−$) и используют их для синтеза собственных органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот). Животные получают азот, поедая растения или других животных.
4. Аммонификация (минерализация): После гибели организмов или в процессе выделения ими продуктов жизнедеятельности (мочевины) деструкторы (бактерии и грибы) разлагают органические азотсодержащие соединения до неорганических — аммиака ($NH_3$) и ионов аммония ($NH_4^+$), которые вновь могут быть использованы растениями или подвергнуться нитрификации.
5. Денитрификация: Процесс восстановления нитратов до молекулярного азота ($N_2$), который возвращается в атмосферу. Осуществляется денитрифицирующими бактериями в анаэробных условиях (например, в заболоченных почвах). Этот процесс замыкает круговорот.
   $NO_3^- \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$

Упрощенная схема круговорота:

Атмосферный азот ($N_2$) → (Азотфиксация) → Аммоний ($NH_4^+$) в почве → (Нитрификация) → Нитраты ($NO_3^−$) в почве → (Ассимиляция растениями) → Органический азот в растениях → (Потребление) → Органический азот в животных → (Аммонификация при разложении) → Аммоний ($NH_4^+$) в почве.
Параллельно: Нитраты ($NO_3^−$) в почве → (Денитрификация) → Атмосферный азот ($N_2$).

Ответ: Круговорот азота представляет собой совокупность процессов (азотфиксация, нитрификация, ассимиляция, аммонификация и денитрификация), в ходе которых азот переходит из атмосферы в почву и живые организмы, а затем возвращается обратно в атмосферу, обеспечивая непрерывное снабжение экосистем этим жизненно важным элементом.

4. Какой объём газообразного азота может быть получен из $1000 \text{ м}^3$ воздуха (н. у.), если потери в процессе фракционной перегонки сжиженного воздуха составляют 15 %? Объёмная доля азота в воздухе составляет 78 %.

Дано:

$V_{воздуха} = 1000 \text{ м}^3$

$\phi(N_2) = 78 \% = 0.78$

$\eta_{потерь} = 15 \% = 0.15$

Найти:

$V_{практ.}(N_2) - ?$

Решение:

1. Сначала найдём теоретический объём азота, который содержится в данном объёме воздуха. Для этого умножим общий объём воздуха на объёмную долю азота в нём.

$V_{теор.}(N_2) = V_{воздуха} \cdot \phi(N_2)$

$V_{теор.}(N_2) = 1000 \text{ м}^3 \cdot 0.78 = 780 \text{ м}^3$

Таким образом, в 1000 м³ воздуха теоретически содержится 780 м³ азота.

2. Далее учтём потери в процессе фракционной перегонки, которые составляют 15%. Это означает, что получить удастся только $100\% - 15\% = 85\%$ от теоретически возможного объёма азота.

Рассчитаем практический объём получаемого азота, умножив теоретический объём на долю выхода продукта (0.85).

$V_{практ.}(N_2) = V_{теор.}(N_2) \cdot (1 - \eta_{потерь})$

$V_{практ.}(N_2) = 780 \text{ м}^3 \cdot (1 - 0.15) = 780 \text{ м}^3 \cdot 0.85 = 663 \text{ м}^3$

Ответ: из 1000 м³ воздуха можно получить 663 м³ газообразного азота.

5. Вы уже знаете, что название «азот» предложил Антуан Лоран Лавуазье. Это произошло в 1787 г. Как переводится это слово? Почему некоторые современники учёного считали данное им название неудачным? Отражает ли оно свойства азота? Аргументируйте свою точку зрения.

Как переводится это слово?

Название «азот», предложенное Антуаном Лавуазье в 1787 году, происходит от древнегреческого языка. Оно образовано с помощью отрицательной приставки «а» (греч. α-, «без») и слова «зоэ» (греч. ζωή, «жизнь»). Таким образом, дословно слово «азот» переводится как «безжизненный» или «не поддерживающий жизнь». Лавуазье дал такое название, основываясь на своих экспериментах, которые показали, что этот газ, в отличие от кислорода, не поддерживает ни горение, ни дыхание животных.

Ответ: Слово «азот» переводится с греческого как «безжизненный».

Почему некоторые современники учёного считали данное им название неудачным?

Некоторые современники Лавуазье, в частности известный химик Жан-Антуан Шапталь, считали название «азот» неудачным и вводящим в заблуждение. Их главный аргумент заключался в том, что азот, вопреки своему названию, является важнейшим компонентом многих жизненно необходимых веществ. Уже в то время было известно, что азот входит в состав селитры (нитратов), которая широко применялась как удобрение для повышения урожайности. Позже было окончательно установлено, что азот – это неотъемлемая часть всех белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), то есть структурная основа всех живых организмов. Называть элемент, без которого жизнь в известной нам форме невозможна, «безжизненным» казалось им парадоксальным и неверным. Именно Шапталь предложил альтернативное название «нитроген» (от греч. nitron — «селитра» и gennao — «рождаю, произвожу»), что означает «рождающий селитру». Это название закрепилось во многих языках (например, Nitrogen в английском) и легло в основу химического символа элемента – N.

Ответ: Современники считали название неудачным, потому что азот входит в состав ключевых для жизни соединений (белков, нуклеиновых кислот, а также селитры), а значит, не является «безжизненным», а наоборот, необходим для существования жизни.

Отражает ли оно свойства азота? Аргументируйте свою точку зрения.

Название «азот» отражает свойства этого элемента лишь частично и с очень узкой точки зрения.

С одной стороны, если рассматривать азот в его простом виде – как двухатомный газ $N_2$, который составляет около 78% земной атмосферы, – то название «безжизненный» вполне оправдано. Газообразный азот чрезвычайно инертен из-за очень прочной тройной связи между атомами в молекуле. Он действительно не участвует в процессе дыхания у большинства организмов и не поддерживает горение. В атмосфере чистого азота живое существо погибает от удушья (асфиксии). Именно эти свойства простого вещества и наблюдал в своих опытах Лавуазье.

С другой стороны, это название совершенно игнорирует колоссальную роль азота как химического элемента в биологических системах. В связанном виде, то есть в составе химических соединений, азот является одним из важнейших элементов-органогенов, фундаментом жизни. Он – обязательный компонент аминокислот, из которых строятся все белки, и азотистых оснований, входящих в состав ДНК и РНК, носителей генетической информации. Азотный цикл – один из ключевых биогеохимических процессов на планете, обеспечивающий жизнь экосистем. Поэтому с точки зрения биохимии и биологии называть азот «безжизненным» в корне неверно.

Таким образом, можно заключить, что название «азот» справедливо характеризует лишь одно из свойств простого вещества (его физиологическую и химическую инертность в нормальных условиях), но полностью игнорирует его фундаментальную и незаменимую роль в химии жизни.

Ответ: Название «азот» отражает свойство простого вещества (газа $N_2$) не поддерживать дыхание и горение, но не отражает ключевой роли химического элемента азота в составе жизненно важных органических соединений, поэтому его нельзя считать полностью отражающим свойства элемента.

6. Подготовьте сообщение об азотных удобрениях.

Азотные удобрения — это вещества, содержащие азот в доступной для растений форме, которые вносят в почву для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Азот является одним из важнейших химических элементов для жизни растений, так как он входит в состав белков, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), хлорофилла, ферментов и витаминов. Недостаток азота приводит к замедлению роста, пожелтению листьев (хлорозу), особенно старых, и значительному снижению урожая.

Классификация азотных удобрений

Азотные удобрения классифицируют по форме соединения, в котором находится азот. Выделяют несколько основных групп.

Аммиачные и аммонийные удобрения. В этих удобрениях азот содержится в виде иона аммония $NH_4^+$ или в виде свободного аммиака $NH_3$. Ион аммония хорошо поглощается почвой и слабо вымывается, что обеспечивает длительное действие удобрения. Однако их систематическое применение может подкислять почву. К этой группе относятся:
• Сульфат аммония $(NH_4)_2SO_4$ — содержит около 21% азота. Физиологически кислое удобрение.
• Хлорид аммония $NH_4Cl$ — содержит около 25% азота. Не рекомендуется для культур, чувствительных к хлору (картофель, виноград).
• Жидкий безводный аммиак $NH_3$ — наиболее концентрированное удобрение (82% азота), требует специальной техники для внесения в почву.

Нитратные удобрения. Содержат азот в нитратной форме ($NO_3^-$). Нитрат-ион не связывается почвой и очень подвижен, поэтому такие удобрения действуют быстро, но легко вымываются из корнеобитаемого слоя осадками. Их лучше всего применять в виде подкормок в период активного роста растений.
• Натриевая селитра $NaNO_3$ — содержит 15-16% азота. Физиологически щелочное удобрение.
• Кальциевая селитра $Ca(NO_3)_2$ — содержит около 17% азота. Также является щелочным удобрением, улучшает структуру почвы.

Аммиачно-нитратные удобрения. Содержат азот сразу в двух формах: аммонийной и нитратной, что делает их универсальными.
• Аммиачная селитра $NH_4NO_3$ — самое распространенное азотное удобрение, содержит 34-35% азота. Половина азота находится в быстродействующей нитратной форме, а вторая половина — в медленно действующей аммонийной.

Амидные удобрения. Азот в них находится в амидной форме ($-NH_2$).
• Мочевина (карбамид) $CO(NH_2)_2$ — самое концентрированное из твердых азотных удобрений, содержит 46% азота. В почве под действием уробактерий мочевина превращается сначала в аммонийную, а затем в нитратную форму. Это удобрение подходит как для основного внесения, так и для некорневых подкормок.

Применение и воздействие на окружающую среду

Способы и сроки внесения азотных удобрений зависят от их формы, типа почвы и потребностей культуры. Выделяют основное внесение (осенью или весной до посева), припосевное (в рядки при посеве) и подкормки (в период вегетации). Для основного внесения лучше подходят аммонийные и амидные формы, так как они медленнее вымываются. Для быстрых подкормок — нитратные и аммиачно-нитратные.

Неправильное использование азотных удобрений может нанести вред окружающей среде. Избыток нитратов, не усвоенный растениями, вымывается в грунтовые воды и водоемы, вызывая их эвтрофикацию — бурное размножение водорослей, что приводит к гибели рыбы и других водных организмов. Кроме того, в процессе превращения азотных соединений в почве может образовываться закись азота $N_2O$ — сильный парниковый газ. Чрезмерное внесение удобрений, особенно на поздних стадиях развития, может привести к накоплению нитратов в овощах и фруктах выше допустимых норм, что опасно для здоровья человека.

Ответ: Азотные удобрения играют ключевую роль в современном сельском хозяйстве, обеспечивая растения необходимым для роста элементом — азотом. Они делятся на аммиачные, нитратные, аммиачно-нитратные и амидные в зависимости от химической формы азота. Выбор удобрения, дозы и сроков внесения зависит от культуры, типа почвы и климатических условий. Рациональное и сбалансированное применение азотных удобрений позволяет не только получать высокие урожаи, но и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду, такое как загрязнение водоемов нитратами и выбросы парниковых газов.