Сравнительная характеристика атомов элементов подгруппы азота


Задача 878.
Дать сравнительную характеристику атомов элементов подгруппы азота, указав: а) электронные конфигурации; б) валентные возможности; в) наиболее характерные степени окисленности.
Решение:
а) Атомы элементов подгруппы азота имеют совпадающие по строению валентные подуровни (ns2np3) различные электронные остовы и вакантные подуровни. Два электрона валентных s-подуровней спарены, три электрона p-подуровней заселяют орбитали этих подуровней по одному. Электронная структура азота выделяется отсутствием вакантных подуровней, энергетически близких к наполовину заполненному 2р-подуровню. У фосфора есть один вакантный 3d-подуровень, а мышьяк, сурьма и висмут  имеют несколько вакантных подуровней, близко расположенных к валентным. 

б) Атом азота имеет два валентных 2s-электрона и три 2р-электрона, поэтому может проявлять степени окисления от -3 до +5 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5). Фосфор, мышьяк, сурьма и висмут имеют одинаковую конфигурацию валентного уровня с атомом азота, но в возбуждённом состоянии их электрон с s-подуровня может занимать вакантную d-орбиталь [ns1hp3(n-1)d1]. Поэтому для этих элементов наиболее характерными степенями окисления являются -3, +3 (атомы находятся в стационарном состоянии) и +5 (атомы находятся в возбуждённом состоянии), исключением является фосфор, который может иметь степень окисления  +1.

в) Имея  три неспаренных р-электрона атомы элементов подгруппы азота в своём основном состоянии проявляют ковалентность равную 3, а в возбуждённом состоянии, кроме атома азота,  ковалентность равную 5.


Задача 879. 
Описать электронное строение NH3, NH4+, N2O, HNO3. Какова степень окисленности азота в каждом из этих соединений?
Решение:
а) Электронная конфигурация валентного слоя атома азота 1s22s22p3. Электронное строение его валентного слоя в стационарном состоянии может быть представлено следующей графической схемой:

азот

Три неспаренных электрона атома могут участвовать в образовании трёх ковалентных связей по обычному механизму с атомами водорода (1s1), имеющими по одному неспаренному электрону, с образованием молекулы NH3. Электронная формула аммиака имеет вид:

азотгидразин

В молекуле аммиака азот имеет свободную электронную пару. Степень окисления азота -3.

б) Связывающая электронная пара атома азота гидразин  способна с ионом водорода, имеющим свободную атомную орбиталь гидразин, образовывать ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. Так образуется катион аммония NH4+ из молекулы аммиака и иона водорода:  

азот

В результате образования донорно-акцепторной связи несвязывающая электронная пара атома азота становится связывающей, образуется четыре связи между одним атомом азота и четырьмя атомами водорода: 

гидразин

Все четыре связи равнозначны и по длине, и по энергии. Степень окисления азота +4.

в) Молекула N2O имеет электронное строение, которое рассматривается как резонансный гибрид двух асимметричных форм, обладающих линейной структурой:

азот

Центральный атом азота имеет две sр-гибридные орбитали. Молекула N2О обладает небольшим дипольным моментом, поэтому оксид диазота умеренно растворим в воде. Степень окисления азота +1.

г) Молекула HNO3 с позиций метода валентных связей имеет следующее строение:

азот

В молекуле HNO3 атом азота с одним атомом кислорода образует двойную связь за счет двух неспаренными электронов азота и кислорода, со вторым атомом кислорода азот образует одну связь за счет третьего неспаренного электрона азота и одного неспаренного электрона атома кислорода, а с третьим атомом кислорода азот образует связь за счет неподеленной электронной пары и свободной р-ячейки атома кислорода, образованной в результате объединения двух неспаренных электронов. Второй атом кислорода образует связь с атомом водорода за счет оставшегося неспаренного электрона и свободного электрона атома водорода. Однако современные методы исследования показали, что строение кислоты таково:

азот

Отсюда видно, что молекула азотной кислоты имеет делокализованные связи. Степень окисления азота +5.