Властивості азоту
RO33- + 3H+ R(OH)3 R3+ + 3OH- (R – елемент)
4. As, Sb, і Bi погано розчиняються у воді.
5. Відновлювальні властивості водневих сполук RH3 посилюються, а стійкість зменшується зі збільшенням порядку номера.
Ці елементи мають 5 валентних електронів на зовнішньому шарі атома. Проте здатність до приєднання електронів вони виражена значно слабкіше, ніж в елементів 7 і 6 групи [12,14].
Властивості азоту. Ізотопи, атом, молекула
Будова ядра та електронних оболонок. У природі існують два стабільні ізотопи азоту: з масовим числом 14 (містить 7 протонів і 7 нейтронів) і з масовим числом 15 (містить 7 протонів і 8 нейтронів). Їхнє співвідношення становить 99,635:0,365, тому атомна маса азоту дорівнює 14,008. Нестабільні ізотопи азоту 12N, 13N, 16N, 17N отримані штучно. Схематично електронна будова атома азоту така: 1s²2s²2p¹x2p¹y2p¹z. Отже, на зовнішній (другій) електронній оболонці знаходиться 5 електронів, які можуть брати участь у освіті хімічних зв'язків; орбіталі азоту можуть приймати електрони, тобто. можливе утворення сполук зі ступенем окиснення від (-III) до (V), і вони відомі. Особливо великий інтерес становили дані про вміст ізотопу азоту-15, оскільки саме цей ізотоп у 1997 р. виявили в кометі Хейла-Боппа, яка тоді пролітала повз Сонце і була добре видно на небі неозброєним оком. Як виявилося, співвідношення ізотопів азоту-15 і азоту-14 цих комет майже однакове: один атом азоту-15 припадає на 140 атомів азоту-14 (похибка вимірювань становить +/-30 атомів). Це майже вдвічі більше, ніж Землі (272 атома азоту-14 однією атом азоту-15). Крім того, це сильно відрізняється від того ж співвідношення ізотопів у кометі Хейла-Боппа,отриманого за допомогою вимірювань радіоспектрів молекул CN та HCN. Астрономи пояснюють це тим, що ізотоп азоту-15 входить у молекули HCN і CN, а й у молекули якихось інших речовин, що у частинках пилу, вмерзших в ядро комети.
Структура атома азоту близька формою до структури ядра атома вуглецю. Оскільки більшість ядер атомів азоту мають сім протонів та сім нейтронів, то ця більшість має плоскі ядра, показані на рис. 1, а. Схема атома азоту, що має таке ядро, показано на рис. 1, б. Атом азоту має лише один активний (валентний) електрон. Саме ця особливість створює умови для формування молекули з двох атомів з настільки великою енергією зв'язку, що хіміки вигадали для неї назву потрійного зв'язку [2]. Ні, зв'язок у молекули азоту один, але з великою енергією зв'язку. Шкода, що спектр атома азоту змішаний із спектром його молекули. Наведена в довідниках спектроскопії енергія іонізації атома азоту, що дорівнює 14,534 eV, швидше за все, є енергією дисоціації молекули азоту, а не енергією іонізації його атома. Це досить велика енергія зв'язку. Уявімо процес переходу шести кільцевих електронів атома азоту на нижні енергетичні рівні. Його особливість полягає в тому, що ці електрони переходять на нижні енергетичні рівні одночасно, випромінюючи при цьому фотони, розміри яких на кілька порядків більше розміру атома азоту. Коли в цей процес залучається вся сукупність атомів азоту речовини, в яку він входить, і коли до нього залучаються атоми вуглецю та кисню, які також мають кільцеву сукупність електронів, то сумарна кількість випромінюваних фотонів одразу збільшує об'єм, який він займає у просторі, що й формує явище вибуху. Звичайно, існуюче уявлення про те, щоВибух – розширення газів – глибоко помилково. Тиск формують одночасно випромінювані фотони завдяки тому, що їх розміри на 5-7 порядків більші за розміри атомів. З цього одразу випливають невідомі фахівцям вимоги до вибухових речовин та ракетного палива та методи їх реалізації, але ми не розвиватимемо цю тему з відомих причин.
З визначень густини газу встановлено, що молекула азоту двоатомна, тобто. молекулярна формула азоту має вигляд N≡N (або N2). У двох атомів азоту три зовнішні 2p-електрони кожного атома утворюють потрійний зв'язок:N. N: формуючи електронні пари. Виміряна міжатомна відстань N-N дорівнює 1,095 Å. Як і у випадку з воднем, існують молекули азоту з різним спином ядра – симетричні та антисиметричні. При звичайній температурі співвідношення симетричної та антисиметричної форм дорівнює 2:1. У твердому стані відомі дві модифікації азоту: - кубічна і - гексагональна з температурою переходу - в -237,39 ° С. Модифікація - плавиться при -209,96 ° С і кипить при -195,78 ° C при 1 атм .
Енергія дисоціації моля (28,016 г або 6,023 · 10? молекул) молекулярного азоту на атоми (N2 2N) дорівнює приблизно -225 ккал. Тому атомарний азот може утворюватися за тихого електричного розряду і хімічно активніший, ніж молекулярний азот.
Енергетична схема заповнення молекулярних орбіталей у молекулі N2 показує, що електронами в ній заповнені тільки зв'язуючі s- та p-орбіталі. Молекула азоту немагнітна (діамагнітна). Молекула N2 є найбільш міцною серед гомоатомних молекул типу A2. Енергія дисоціації N2 на два атоми азоту (Eд) становить 941,6 кДж/моль. Валентна оболонка двоатомних молекул (N2, CO, O2, NO, F2) складається з трьох сполучних і трьох розпушувальних молекулярних орбіталей (МО). натрьох сполучних МО молекули N2 знаходяться шість 2p-електронів двох атомів азоту, причому 4p-електрона розміщуються на двох p-орбіталях (1pu) і 2p-електрона - на верхній s-орбіталі (3sg):
На цій діаграмі молекулярних орбіталей цифри позначають номер орбіталі даного типу, pu і sg - зв'язуючі p-і s-, а і розпушують МО. Таким чином, вища зайнята МО з трьох утворюють потрійний зв'язок, за рахунок якого молекула N2 виявляє донорні властивості, є s-МО на відміну від молекули С2Н2, в якій вищі зайняті МО - орбіталі p-типу.
Енергія відриву електрона (потенціал іонізації I ) з 3sg-орбіталі N2 дуже висока, близька до потенціалу іонізації інертного газу аргону і набагато вище за потенціал іонізації ксенону і кисню: = 15,6 еВ, IAr = 15,76 еВ, IXe = 12, еВ, = 12,1 еВ. Пари 2s-електронів, які зазвичай зображують у вигляді точок на атомах азоту (:N?N:), взагалі не беруть участь у взаємодії з акцепторами електронів, оскільки знаходяться на 2sg- і -МО, що лежать істотно нижче 1pu-МО, потенціал іонізації якої 17 ,1 еВ. Саме через слабкі електронодонорні властивості N2 тільки дуже сильні акцептори в газовій фазі (H+, BF3) взаємодіють з цією молекулою: , F3B(N2).
Молекула азоту є ще й поганим акцептором електронів. Спорідненість до електрона N2 сильно негативно (еВ) і набагато нижче, ніж у атома K (FK = - 0,9 еВ). Тому тільки дуже сильні відновники (наприклад, Li0) беруть участь у одноелектронному відновленні N2 з подальшим утворенням нітриду: