Номер 3, страница 49, часть 2 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Почему фосфор распространен в природе только в виде соединений, тогда как находящийся с ним в одной группе азот существует главным образом в свободном виде?

Решение

Различие в распространенности азота и фосфора в природе объясняется фундаментальными различиями в строении и прочности связей в их простых веществах.

1. Азот ($\text{N}$). Атомы азота, элемента 7-го номера, имеют небольшой радиус. Это позволяет двум атомам азота образовывать очень прочную молекулу $N_2$, в которой они связаны тройной связью ($N \equiv N$). Энергия разрыва этой связи чрезвычайно высока (около 945 кДж/моль). Из-за этой прочности молекулярный азот $N_2$ является очень инертным веществом и с трудом вступает в химические реакции. Именно поэтому он накопился в атмосфере Земли в свободном виде, составляя около 78% ее объема. Большинство соединений азота менее стабильны, чем молекула $N_2$, и со временем разлагаются с ее образованием.

2. Фосфор ($\text{P}$). Фосфор находится в той же 15-й группе периодической таблицы, но в третьем периоде. Его атомы значительно крупнее атомов азота. Из-за большого атомного радиуса эффективное перекрывание p-орбиталей для образования кратных (двойных или тройных) связей, как у азота, затруднено. Поэтому фосфор не образует стабильных молекул $P_2$ с тройной связью. Вместо этого его атомы соединяются друг с другом одинарными связями, образуя полимерные или молекулярные структуры. Например, наиболее известная аллотропная модификация — белый фосфор — существует в виде молекул $P_4$, имеющих форму тетраэдра. Углы между связями в такой молекуле составляют всего 60o , что создает огромное напряжение в структуре (так называемое "угловое напряжение"). Это напряжение делает молекулу $P_4$ крайне неустойчивой и химически активной. Белый фосфор, например, самовоспламеняется на воздухе.

Таким образом, высокая химическая активность фосфора, обусловленная слабостью и напряженностью связей в его аллотропных модификациях, приводит к тому, что он не может существовать в природе в свободном состоянии. Он мгновенно (в геологическом масштабе) реагирует с другими элементами, прежде всего с кислородом, образуя очень устойчивые соединения, главным образом фосфаты (например, в составе минерала апатита $Ca_5(PO_4)_3(F,Cl,OH)$). В отличие от него, химическая инертность молекулярного азота $N_2$ обеспечивает его существование в свободном виде.

Ответ: Основная причина заключается в различии прочности химических связей в простых веществах. Азот образует очень прочную и химически инертную двухатомную молекулу $N_2$ с тройной связью, что позволяет ему существовать в свободном виде. Фосфор, из-за большего размера атома, не может образовывать прочные кратные связи и формирует аллотропные модификации (например, $P_4$) с непрочными, напряженными одинарными связями, что обусловливает его высокую химическую активность и нахождение в природе исключительно в виде соединений.