Најважније из лекције
Азот (\(N_2\)): Трострука веза \(N \equiv N\), инертан гас; добија се дестилацијом течног ваздуха или из \(NH_4Cl + NaNO_2\).
Фосфор: Бели (\(P_4\), тетраедар, запаљив, отрован, под водом) и црвени (\(P_n\), стабилан полимер, шибице).
Амонијак (\(NH_3\)): Базни гас, водоничне везе, растварање даје \(NH_4^+\) и \(OH^-\); са киселинама даје амонијум-соли.
Оксиди азота: \(N_2O\) и \(NO\) (неутрални); \(N_2O_3\), \(NO_2\) (мешовити: даје нитрите и нитрате) и \(N_2O_5\) (кисели).
Азотна киселина (\(HNO_3\)): Јака киселина и оксиданс; са металима не даје \(H_2\), већ \(NO/NO_2\); пасивизира \(Al, Fe, Cr\).
Киселине фосфора: Фосфораста (\(H_3PO_3\)) је дипротична (гради \(NaH_2PO_3\) и \(Na_2HPO_3\)), док је ортофосфорна (\(H_3PO_4\)) трипротична киселина средње јачине чије соли улазе у састав пуфера и ђубрива.
Фосфор: Бели (\(P_4\), тетраедар, запаљив, отрован, под водом) и црвени (\(P_n\), стабилан полимер, шибице).
Амонијак (\(NH_3\)): Базни гас, водоничне везе, растварање даје \(NH_4^+\) и \(OH^-\); са киселинама даје амонијум-соли.
Оксиди азота: \(N_2O\) и \(NO\) (неутрални); \(N_2O_3\), \(NO_2\) (мешовити: даје нитрите и нитрате) и \(N_2O_5\) (кисели).
Азотна киселина (\(HNO_3\)): Јака киселина и оксиданс; са металима не даје \(H_2\), већ \(NO/NO_2\); пасивизира \(Al, Fe, Cr\).
Киселине фосфора: Фосфораста (\(H_3PO_3\)) је дипротична (гради \(NaH_2PO_3\) и \(Na_2HPO_3\)), док је ортофосфорна (\(H_3PO_4\)) трипротична киселина средње јачине чије соли улазе у састав пуфера и ђубрива.
Елементи 15. групе Периодног система елемената у валентном нивоу имају електронску конфигурацију \(ns^2 np^3\) (пет валентних електрона: један електронски пар у \(s\) поднивоу и три неспарена електрона у \(p_x, p_y, p_z\) орбиталама).
Азот (\(N_2\)): Двоатомни молекул са веома јаком троструком ковалентном везом (\(N \equiv N\)). То је гас без боје, мириса и укуса, слабо растворан у води, не гори и не подржава горење. Због велике енергије везе слабо је реактиван на собној температури.
Алотропске модификације фосфора: Због већег атомског полупречника фосфор не гради троструке везе већ постоји у више алотропских облика:
- Бели фосфор (\(P_4\)): Четири атома распоређена у угловима тетраедра. Мек као восак, сече се ножем, не раствара се у води (чува се под водом), раствара се у неполарним растварачима попут \(CS_2\). Изузетно је реактиван, токсичан, светлуца у мраку (хемолуминисценција) и спонтано се пали на ваздуху.
- Црвени фосфор (\(P_n\)): Полимерна структура повезаних тетраедара у ланце. Много је стабилнији, има вишу температуру топљења, не раствара се у води ни у \(CS_2\), није токсичан и пали се тек на 260 °C.
- Црни фосфор: Мрежаста слојевита структура, најстабилнија али се тешко добија.
Оксидациони бројеви азота у једињењима су у распону од \(-3\) до \(+5\), док су за фосфор најзначајнији \(-3\), \(+3\) и \(+5\).
Зашто се бели фосфор чува под водом, а не на ваздуху?
Бели фосфор је веома нестабилан и спонтано се самозапаљује на ваздуху већ на собној температури. Пошто је неполаран и не раствара се у води нити реагује са њом, вода служи као физичка баријера која спречава контакт фосфора са атмосферским кисеоником.
Лабораторијско добијање азота:
\[ NH_4Cl(s) + NaNO_2(s) \xrightarrow{t^{\circ}} N_2(g) + 2H_2O(l) + NaCl(s) \]
Индустријски се азот добија фракционом дестилацијом течног ваздуха.
Индустријско добијање белог фосфора:
\[ 2Ca_3(PO_4)_2(s) + 10C(s) + 6SiO_2(s) \longrightarrow P_4(s) + 10CO(g) + 6CaSiO_3(s) \]
Загревањем белог фосфора на 260 °C без присуства ваздуха добија се црвени фосфор.
- Азот: Стварање инертне атмосфере (паковање хране, сијалице), производња амонијака и ђубрива; течни азот се користи за брзо замрзавање и чување биолошког материјала.
- Фосфор: Производња шибица (црвени фосфор се налази на бочној страни кутије), пиротехника и војне сврхе (димне завесе помоћу \(P_4O_{10}\)).
Која је улога кокса (\(C\)) и кварцног песка (\(SiO_2\)) у процесу добијања фосфора из фосфорита?
Кокс (\(C\)) делује као редукционо средство које везује кисеоник градећи угљен-моноксид (\(CO\)), док кварцни песак (\(SiO_2\)) везује калцијумове јоне у калцијум-силикат (\(CaSiO_3\)), омогућавајући ослобађање елементарног фосфора.
Амонијак (\(NH_3\)) је безбојан гас оштрог, непријатног мириса, лакши од ваздуха. Изузетно се добро раствара у води (преко \(700\,\text{dm}^3\) гаса у \(1\,\text{dm}^3\) воде) услед грађења водоничних веза и базне реакције са водом:
\[ NH_3(g) + H_2O(l) \rightleftharpoons NH_4^+(aq) + OH^-(aq) \]
Синтеза и лабораторијско добијање амонијака:
\[ N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g) \quad (\text{Хабер-Бошов процес}) \]
\[ 2NH_4Cl(s) + Ca(OH)_2(s) \xrightarrow{t^{\circ}} CaCl_2(s) + 2H_2O(l) + 2NH_3(g) \]
Особине и термичко разлагање амонијум-соли:
- Све амонијум-соли су беле јонске супстанце, добро растворне у води и подлежу хидролизи.
- Реакцијом са јаким базама ослобађа се гасовити амонијак: \[ NH_4Cl(s) + NaOH(aq) \longrightarrow NaCl(aq) + H_2O(l) + NH_3(g) \]
- Загревањем се разлажу у зависности од припадајућег анјона: \[ NH_4Cl(s) \xrightarrow{t^{\circ}} NH_3(g) + HCl(g) \] \[ NH_4NO_3(s) \xrightarrow{t^{\circ}} N_2O(g) + 2H_2O(l) \]
Како се хемијским путем доказује присуство амонијум-јона (\(NH_4^+\)) у узорку соли?
Узорку соли дода се раствор јаке базе (нпр. \(NaOH\)) и смеша благо загреје. Ослобађа се гасовити амонијак препознатљивог оштрог мириса, који боји влажну црвену лакмус хартију у плаво.
Азот гради оксиде у свим оксидационим стањима од \(+1\) до \(+5\):
| Оксид | Оксидациони број | Физичка својства | Киселинско-базни карактер |
|---|---|---|---|
| \(N_2O\) (азот(I)-оксид) | \(+1\) | Безбојан гас, слаткастог мириса („гас смејавац”) | Неутралан оксид |
| \(NO\) (азот(II)-оксид) | \(+2\) | Безбојан гас, на ваздуху лако оксидује у \(NO_2\) | Неутралан оксид |
| \(N_2O_3\) (азот(III)-оксид) | \(+3\) | Плава течност/чврста супстанца на ниској температури | Кисели оксид (анхидрид \(HNO_2\)) |
| \(NO_2\) (азот(IV)-оксид) | \(+4\) | Мрко-смеђи отрован гас; у равнотежи са димером \(N_2O_4\) | Кисели оксид (мешовити анхидрид) |
| \(N_2O_5\) (азот(V)-оксид) | \(+5\) | Безбојна кристална чврста супстанца | Кисели оксид (анхидрид \(HNO_3\)) |
Равнотежа димеризације и реакција \(NO_2\) са базама:
\[ 2NO_2(g) \rightleftharpoons N_2O_4(g) \quad (\Delta H < 0) \]
\[ 2NO_2(g) + 2NaOH(aq) \longrightarrow NaNO_2(aq) + NaNO_3(aq) + H_2O(l) \]
Шта настаје растварањем \(NO_2\) у раствору \(KOH\)? Напишите једначину реакције.
Пошто је \(NO_2\) мешовити анхидрид (\(N^{+4}\)), настаје смеша две соли: нитрита (\(N^{+3}\)) и нитрата (\(N^{+5}\)):
\[ 2NO_2(g) + 2KOH(aq) \longrightarrow KNO_2(aq) + KNO_3(aq) + H_2O(l) \]
Азотаста киселина (\(HNO_2\)): Слаба и нестабилна киселина, постоји само у воденом раствору. Њене соли су нитрити (нпр. \(NaNO_2\)). Нитрити могу деловати и као оксидациона и као редукциона средства.
Азотна киселина (\(HNO_3\)): Једна од најважнијих неорганских киселина. Јака је киселина и изузетно снажно оксидационо средство. Концентрована киселина (\(>65\%\)) делимично се разлаже на светлости дајући \(NO_2\), због чега пожути („пушљива азотна киселина”):
\[ 4HNO_3(aq) \xrightarrow{h\nu} 4NO_2(g) + 2H_2O(l) + O_2(g) \]
Специфичност реакција \(HNO_3\) са металима:
Азотна киселина при реакцији са металима никада не ослобађа водоник (\(H_2\)), већ се азот редукује до различитих оксидационих стања:
Азотна киселина при реакцији са металима никада не ослобађа водоник (\(H_2\)), већ се азот редукује до различитих оксидационих стања:
- Са полуплеменитим металима (нпр. \(Cu, Ag\)):
- Разблажена \(HNO_3\) даје \(NO\): \( 3Cu + 8HNO_3 \longrightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O \)
- Концентрована \(HNO_3\) даје \(NO_2\): \( Cu + 4HNO_3 \longrightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O \)
- Пасивизација: Концентрована \(HNO_3\) пасивизира \(Fe, Al, Cr\) грађењем танког заштитног оксидног слоја на површини метала.
- Племенити метали (\(Au, Pt\)) не реагују са \(HNO_3\), већ се растварају само у царској води (смеша концентрованих \(HCl\) и \(HNO_3\) у запреминском односу 3:1).
Добијање азотне киселине:
• Лабораторијски: \( KNO_3(s) + H_2SO_4(\text{конц.}) \longrightarrow HNO_3(aq) + KHSO_4(aq) \)
• Индустријски (Оствалдов поступак): \( \overset{-3}{N}H_3 \xrightarrow{O_2, Pt} \overset{+2}{N}O \xrightarrow{O_2} \overset{+4}{N}O_2 \xrightarrow{H_2O, O_2} \overset{+5}{H}NO_3 \)
• Лабораторијски: \( KNO_3(s) + H_2SO_4(\text{конц.}) \longrightarrow HNO_3(aq) + KHSO_4(aq) \)
• Индустријски (Оствалдов поступак): \( \overset{-3}{N}H_3 \xrightarrow{O_2, Pt} \overset{+2}{N}O \xrightarrow{O_2} \overset{+4}{N}O_2 \xrightarrow{H_2O, O_2} \overset{+5}{H}NO_3 \)
Зашто се концентрована азотна киселина може чувати и транспортовати у алуминијумским или гвозденим резервоарима?
Због појаве пасивизације: концентрована \(HNO_3\) на површини алуминијума и гвожђа тренутно формира чврст, компактан оксидни слој који штити метал од даљег напада и растварања.
Оксиди фосфора:
- Фосфор(III)-оксид (\(P_4O_6\)): Бела чврста супстанца, настаје непотпуним сагоревањем фосфора. Кисели оксид (анхидрид фосфорасте киселине): \[ P_4O_6(s) + 6H_2O(l) \longrightarrow 4H_3PO_3(aq) \]
- Фосфор(V)-оксид (\(P_4O_{10}\)): Бели прах, настаје потпуним сагоревањем фосфора. Снажно везује воду (одлично сушило) и анхидрид је ортофосфорне киселине: \[ P_4O_{10}(s) + 6H_2O(l) \longrightarrow 4H_3PO_4(aq) \]
Фосфораста киселина (\(H_2PHO_3\) или \(H_3PO_3\)) је ДИПРОТИЧНА киселина!
Иако има три водоникова атома, један водоник је директно везан за фосфор (\(P-H\)) и не може дисосовати у облику \(H^+\) јона. Зато гради само два типа соли: хидрогенфосфите (нпр. \(NaHPHO_3\)) и нормалне фосфите (нпр. \(Na_2PHO_3\)).
Иако има три водоникова атома, један водоник је директно везан за фосфор (\(P-H\)) и не може дисосовати у облику \(H^+\) јона. Зато гради само два типа соли: хидрогенфосфите (нпр. \(NaHPHO_3\)) и нормалне фосфите (нпр. \(Na_2PHO_3\)).
Ортофосфорна киселина (\(H_3PO_4\)): Чврста кристална супстанца, сирупаста на собној температури услед влаге. То је трипротична киселина средње јачине.
Индустријско добијање и соли фосфорне киселине:
\[ Ca_3(PO_4)_2(s) + 3H_2SO_4(aq) \longrightarrow 2H_3PO_4(aq) + 3CaSO_4(s) \]
Киселина гради три низа соли:
- Примарни - дихидрогенфосфати (нпр. \(NaH_2PO_4\)) - водени раствори реагују кисело услед превласти дисоцијације.
- Секундарни - хидрогенфосфати (нпр. \(Na_2HPO_4\)) - водени раствори реагују базно услед хидролизе.
- Терцијарни - фосфати (нпр. \(Na_3PO_4\)) - водени раствори реагују изразито базно услед хидролизе.
Напишите формуле свих натријумових соли које може образовати фосфораста киселина (\(H_3PO_3\)).
Како је фосфораста киселина дипротична (\(H_2PHO_3\)), она образује:
1. Натријум-хидрогенфосфит: \(NaHPHO_3\) (или \(NaH_2PO_3\))
2. Натријум-фосфит: \(Na_2PHO_3\) (или \(Na_2HPO_3\))
Со \(Na_3PO_3\) не постоји.
1. Натријум-хидрогенфосфит: \(NaHPHO_3\) (или \(NaH_2PO_3\))
2. Натријум-фосфит: \(Na_2PHO_3\) (или \(Na_2HPO_3\))
Со \(Na_3PO_3\) не постоји.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити оксидациони број азота у следећим једињењима и јонима:
а) \(NH_4^+\)
б) \(NO_2^-\)
в) \(HNO_3\)
г) \(N_2O\)
а) \(NH_4^+\)
б) \(NO_2^-\)
в) \(HNO_3\)
г) \(N_2O\)
Узимајући оксидационе бројеве за водоник (\(+1\)) и кисеоник (\(-2\)):
а) У \(NH_4^+\): \(x + 4(+1) = +1 \implies x = -3\)
б) У \(NO_2^-\): \(x + 2(-2) = -1 \implies x = +3\)
в) У \(HNO_3\): \(+1 + x + 3(-2) = 0 \implies x = +5\)
г) У \(N_2O\): \(2x + (-2) = 0 \implies x = +1\)
а) У \(NH_4^+\): \(x + 4(+1) = +1 \implies x = -3\)
б) У \(NO_2^-\): \(x + 2(-2) = -1 \implies x = +3\)
в) У \(HNO_3\): \(+1 + x + 3(-2) = 0 \implies x = +5\)
г) У \(N_2O\): \(2x + (-2) = 0 \implies x = +1\)
Задатак 2 (средњи): Довршите и изједначите следеће једначине хемијских реакција:
а) Термичко разлагање калијум-нитрата: \(KNO_3(s) \xrightarrow{t^{\circ}} \)
б) Реакција гасовитог амонијака и хлороводоника: \(NH_3(g) + HCl(g) \longrightarrow \)
в) Сагоревање белог фосфора у вишку кисеоника: \(P_4(s) + O_2(g) \longrightarrow \)
а) Термичко разлагање калијум-нитрата: \(KNO_3(s) \xrightarrow{t^{\circ}} \)
б) Реакција гасовитог амонијака и хлороводоника: \(NH_3(g) + HCl(g) \longrightarrow \)
в) Сагоревање белог фосфора у вишку кисеоника: \(P_4(s) + O_2(g) \longrightarrow \)
а) \(2KNO_3(s) \xrightarrow{t^{\circ}} 2KNO_2(s) + O_2(g)\) (нитрати загревањем прелазе у нитрите уз издвајање кисеоника)
б) \(NH_3(g) + HCl(g) \longrightarrow NH_4Cl(s)\) (настаје бели дим амонијум-хлорида)
в) \(P_4(s) + 5O_2(g) \longrightarrow P_4O_{10}(s)\) (при вишку \(O_2\) настаје фосфор(V)-оксид)
б) \(NH_3(g) + HCl(g) \longrightarrow NH_4Cl(s)\) (настаје бели дим амонијум-хлорида)
в) \(P_4(s) + 5O_2(g) \longrightarrow P_4O_{10}(s)\) (при вишку \(O_2\) настаје фосфор(V)-оксид)
Задатак 3 (средњи/тежак): У две епрувете налази се концентрована азотна киселина. У прву епрувету убачен је опиљак бакра (\(Cu\)), а у другу опиљак гвожђа (\(Fe\)).
Опишите шта ће се десити у свакој од епрувета на собној температури и објасните разлику.
Опишите шта ће се десити у свакој од епрувета на собној температури и објасните разлику.
Прва епрувета (\(Cu\)): Долази до бурне реакције уз растварање бакра, раствор постаје плаво-зелен (јони \(Cu^{2+}\)), и развија се густ, токсичан, мрко-смеђи гас азот(IV)-оксид (\(NO_2\)):
\[ Cu(s) + 4HNO_3(\text{конц.}) \longrightarrow Cu(NO_3)_2(aq) + 2NO_2(g) + 2H_2O(l) \]
Друга епрувета (\(Fe\)): Не долази до видљиве реакције јер концентрована \(HNO_3\) тренутно пасивизира гвожђе стварањем танког, непропусног слоја оксида који га штити од даљег растварања.
Задатак 4 (тежак): Објасните зашто водени раствор натријум-дихидрогенфосфата (\(NaH_2PO_4\)) реагује кисело, док водени раствор динатријум-хидрогенфосфата (\(Na_2HPO_4\)) реагује базно.
Код ањона фосфорне киселине истовремено се могу одвијати процеси дисоцијације (давање протона) и хидролизе (примање протона):
1. За \(H_2PO_4^-\) јон:
• Дисоцијација: \(H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + H_3O^+\)
• Хидролиза: \(H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons H_3PO_4 + OH^-\)
Константа дисоцијације је већа од константе хидролизе (\(K_a > K_h\)), па у раствору преовлађују \(H_3O^+\) јони (кисела средина, \(pH < 7\)).
2. За \(HPO_4^{2-}\) јон:
• Дисоцијација: \(HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons PO_4^{3-} + H_3O^+\)
• Хидролиза: \(HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons H_2PO_4^- + OH^-\)
Константа хидролизе је већа од константе дисоцијације (\(K_h > K_a\)), па настаје вишак \(OH^-\) јона (базна средина, \(pH > 7\)).
1. За \(H_2PO_4^-\) јон:
• Дисоцијација: \(H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + H_3O^+\)
• Хидролиза: \(H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons H_3PO_4 + OH^-\)
Константа дисоцијације је већа од константе хидролизе (\(K_a > K_h\)), па у раствору преовлађују \(H_3O^+\) јони (кисела средина, \(pH < 7\)).
2. За \(HPO_4^{2-}\) јон:
• Дисоцијација: \(HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons PO_4^{3-} + H_3O^+\)
• Хидролиза: \(HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons H_2PO_4^- + OH^-\)
Константа хидролизе је већа од константе дисоцијације (\(K_h > K_a\)), па настаје вишак \(OH^-\) јона (базна средина, \(pH > 7\)).
