какие металлы реагируют с азотом

2.3.3. Химические свойства азота и фосфора.

Химические свойства азота

Химический элемент азот образует только одно простое вещество. Данное вещество является газообразным и образовано двухатомными молекулами, т.е. имеет формулу N₂. Не смотря то, что химический элемент азот имеет высокую электроотрицательность, молекулярный азот N₂ является крайне инертным веществом. Обусловлен данный факт тем, что в молекуле азота имеет место крайне прочная тройная связь (N≡N). По этой причине практически все реакции с азотом протекают только при повышенных температурах.

Взаимодействие азота с металлами

Единственное вещество, которое реагирует с азотом в обычных условиях – литий:

Интересным является тот факт, что с остальными активными металлами, т.е. щелочными и щелочноземельными, азот реагирует только при нагревании:

Взаимодействие азота с металлами средней и низкой активности (кроме Pt и Au) также возможно, однако требует несравнимо более высоких температур.

Нитриды активных металлов легко гидролизуются водой:

А также растворами кислот, например:

Взаимодействие азота с неметаллами

Азот реагирует с водородом при нагревании в присутствии катализаторов. Реакция является обратимой, поэтому для повышения выхода аммиака в промышленности процесс ведут при высоком давлении:

Как восстановитель азот реагирует со фтором и кислородом. Со фтором реакция идет при действии электрического разряда:

С кислородом реакция идет под действием электрического разряда или при температуре более 2000 о С и является обратимой:

Из неметаллов азот не реагирует с галогенами и серой.

Взаимодействие азота со сложными веществами

В рамках школьного курса ЕГЭ можно считать, что азот не реагирует ни с какими сложными веществами кроме гидридов активных металлов:

Химические свойства фосфора

Существует несколько аллотропных модификаций фосфора., в частности белый фосфор, красный фосфор и черный фосфор.

Белый фосфор образован четырехатомными молекулами P₄, не является устойчивой модификацией фосфора. Ядовит. При комнатной температуре мягкий и подобно воску легко режется ножом. На воздухе медленно окисляется, и из-за особенностей механизма такого окисления светится в темноте (явление хемилюминесценции). Даже при слабом нагревании возможно самопроизвольное воспламенение белого фосфора.

Из всех аллотропных модификаций белый фосфор наиболее активен.

Красный фосфор состоит из длинных молекул переменного состава P_n. В некоторых источниках указывается то, что он имеет атомное строение, но корректнее все-таки считать его строение молекулярным. Вследствие особенностей строения является менее активным веществом по сравнению с белым фосфором, в частности в отличие от белого фосфора на воздухе окисляется значительно медленнее и для его воспламенения требуется поджиг.

Черный фосфор состоит из непрерывных цепей P_n и имеет слоистую структуру схожую со структурой графита, из-за чего и внешне похож на него. Данная аллотропная модификация имеет атомное строение. Самый устойчивый из всех аллотропных модификаций фосфора, наиболее химически пассивен. По этой причине, рассмотренные ниже химические свойства фосфора следует относить прежде всего к белому и красному фосфору.

Взаимодействие фосфора с неметаллами

Реакционная способность фосфора является более высокой, чем у азота. Так, фосфор способен гореть после поджига при обычных условиях, образуя кислотный оксид Р₂O₅:

а при недостатке кислорода оксид фосфора (III):

Реакция с галогенами также протекает интенсивно. Так, при хлорировании и бромировании фосфора в зависимости от пропорций реагентов образуются тригалогениды или пентагалогениды фосфора:

Ввиду существенно более слабых окислительных свойства йода по сравнению с остальными галогенами, возможно окисление фосфора йодом только до степени окисления +3:

В отличие от азота фосфор с водородом не реагирует.

Взаимодействие фосфора с металлами

Фосфор реагирует при нагревании с активными металлами и металлами средней активности образуя фосфиды:

Фосфиды активных металлов подобно нитридам гидролизуются водой:

А также водными растворами кислот-неокислителей:

Взаимодействие фосфора со сложными веществами

Фосфор окисляется кислотами окислителями, в частности, концентрированными азотной и серной кислотами:

Следует знать, что белый фосфор реагирует с водными растворами щелочей. Однако, ввиду специфичности умение записывать уравнения таких взаимодействий на ЕГЭ по химии пока еще не требовалось.

Тем не менее, тем, кто претендует на 100 баллов, для собственного спокойствия, можно запомнить следующие особенности взаимодействия фосфора с растворами щелочей на холоду и при нагревании.

На холоду взаимодействие белого фосфора с растворами щелочей протекает медленно. Реакция сопровождается образованием газа с запахом тухлой рыбы — фосфина и соединения с редкой степенью окисления фосфора +1:

При взаимодействии белого фосфора с концентрированным раствором щелочи при кипячении выделяется водород и образуется фосфит:

Источник

Какие металлы реагируют с азотом

Общая характеристика элементов Va группы

От N к Bi (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Основное и возбужденное состояние азота

Сравнивая возможности перемещения электронов у азота и фосфора, разница становится очевидна.

Природные соединения

Селитры являются распространенными азотными удобрениями, которые обеспечивают быстрый рост и развитие растений, повышают урожайность. Однако, следует строго соблюдать правила их применения, чтобы не превысить допустимые концентрации.

В промышленности азот получают путем сжижения воздуха. В дальнейшем путем испарения из сжиженного воздуха получают азот.

Применяют и метод мембранного разделения, при котором через специальный фильтр из сжатого воздуха удаляют кислород.

В лаборатории методы не столь экзотичны. Чаще всего получают азот разложением нитрита аммония

Также азот можно получить путем восстановления азотной кислоты активными металлами.

Молекула азота отличается большой прочностью из-за наличия тройной связи. Вследствие этого многие реакции эндотермичны: даже горение азота в кислороде сопровождается поглощением тепла, а не выделением, как обычно бывает при горении.

Без нагревания азот взаимодействует только с литием. При нагревании реагирует и с другими металлами.

Важное практическое значение имеет синтез аммиака, который применяется в дальнейшим при изготовлении удобрений, красителей, лекарств.

Аммиак

Бесцветный газ с резким едким запахом, раздражающим слизистые оболочки. Раствор концентрацией 10% аммиака применяется в медицинских целях, называется нашатырным спиртом.

В промышленности аммиак получают прямым взаимодействием азота и водорода.

В лабораторных условиях сильными щелочами действуют на соли аммония.

Аммиак проявляет основные свойства, окрашивает лакмусовую бумажку в синий цвет.

Как основание аммиак способен реагировать с кислотами с образованием солей.

NH₃ + HCl → NH₄Cl (хлорид аммония)

Горение аммиака без катализатора приводит к образованию азота в молекулярном виде. Окисление в присутствии катализатора сопровождается выделением NO.

Соли аммония

В воде ион аммония подвергается гидролизу с образованием нестойкого гидроксида аммония.

Получают N₂O разложением нитрата аммония при нагревании:

Оксид азота I разлагается на азот и кислород:

В промышленных масштабах оксид азота II получают при каталитическом окислении аммиака.

При н.у. жидкость синего цвета, в газообразной форме бесцветен. Высокотоксичный, приводит к тяжелым ожогам кожи.

При охлаждении газов образуется оксид азота III.

Бурый газ, имеет острый запах. Ядовит.

В лабораторных условиях данный оксид получают в ходе реакции меди с концентрированной азотной кислотой. Также NO₂ выделяется при разложении нитратов.

Проявляет высокую химическую активность, кислотный оксид.

Как окислитель NO₂ ведет себя в реакциях с фосфором, углеродом и серой, которые сгорают в нем.

Если растворение в воде оксида проводить в избытке кислорода, образуется азотная кислота.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Взаимодействие металлов с азотом.

Нитриды можно получить также реакцией замещения из аммиака пи высоких температурах:

Многие нитриды представляют собой соединения переменного состава, некоторые нитриды проявляют полупроводниковые свойства.

Большинство характеризуется химической инертностью и большой твердостью и стойкостью к воздействию высоких температур. Лишь нитриды наиболее активных металлов с ионной или близкой к ионным соединениям структурой разлагаются водой с образованием аммиака:

Нитриды образуются при азотировании поверхности металлов (т.е. в процессе насыщения азотом поверхностного слоя металлических изделий при высоких температурах). Это повышает поверхностную твердость изделий, износостойкость и коррозионную устойчивость, что широко используется в машиностроении.

Коррозия металлов

Коррозия – это процесс самопроизвольного разрушения под воздействием окружающей среды. От 5 до 30% добываемого количества металлов в год разрушается в процессе коррозии. Выходят из строя машины, механизмы, их детали, что требует ремонта, демонтажа оборудования, приводя к большим экономическим потерям – примерно 4% национального дохода в промышленно развитых странах.

Причина коррозии – термодинамическая неустойчивость металлов в окружающей среде, т.е. процесс окисления металлов с участием кислорода – самопроизвольный процесс ∆G 2 ·год), мг/(м 2 ·ч). Для определения скорости коррозии используют массовые, объемные и физические методы. Массовые методы затруднены процессом удаления продуктов коррозии, поэтому чаще всего определяют общий привес образца и качественный состав продуктов окисления, а затем перерасчетом устанавливают количество потерянного металла. Объемный метод основан на измерении объема поглощенного кислорода или выделившегося водорода (применяется для электрохимической коррозии). Физические методы применяются для оптического измерения толщины пленок, образовавшихся на поверхности металла. В случае электрохимической коррозии измеряют величины коррозионного тока (или плотности тока) и рассчитывают массу прореагировавшего металла в соответствии с законом Фарадея. На скорость коррозии влияют различные факторы: температура, состав электролита, кислотность среды (рН), присутствие анионов хлора, брома, йода, ускоряющих коррозионные процессы. Температурная зависимость скорости электрохимической коррозии неоднозначна, т.к. с ростом температуры растворимость кислорода снижается, что существенно тормозит процесс коррозии при, температурах, близких к 100 о С. Влияние рН сильно сказывается на коррозионном процессе: для алюминия минимальная скорость коррозии при рН = 7; изменение рН как в большую, так и в меньшую сторону приводят к резкому увеличению скорости коррозии. Иначе ведет себя железо: с ростом рН скорость коррозии уменьшается, а в щелочной среде наступает пассивация.

Существует 10-тибальная шкала коррозионной стойкости металлов:

Коэф. стойкости v(мг/(м 2 ·год)

— малостойкие 8-9 1-10

В практике используются металлы с коэффициентом стойкости 3-4.

Коррозионная стойкость металлов в периодической таблице:

1гр. – устойчивость увеличивается Cu, Ag, Au;

3гр. – Al (покрыт прочной оксидной пленкой);

4гр. – химически стойкие Sn, Pb (оксидная пленка).

Металлы 5,6, 7,8 групп в четных рядах обладают высокой способностью к пассивации, и следовательно устойчивы к коррозии: Тi, V, Cr, Co, Mo. Наиболее коррозионно стойкие – это металлы 8 группы, особенно более тяжелые: Оs, Ir, Pt.

Газовая коррозия

Газовая коррозия – химический процесс окисления металлов при высоких температурах в отсутствии жидкой воды, когда конденсация влаги на поверхности нвозможна. Газы, которые могут вызывать коррозию: водяной пар (Н₂О), кислород, диоксиды серы, углерода монооксид углерода, оксиды азота, галогены, водород и сероводород. Газовой коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин, металлы в процессе термической обработки и пр. В результате газовой коррозии на поверхности металла могут образоваться оксиды, сульфиды и др. соли. Газовая коррозия зависит от многих факторов: свойств окислителей и скорости движения газа, их концентрации, температуры (или перепадов температур). В случае коррозии сплавов имеет значение тип сплава (твердый раствор, интерметаллическое соединение или сплав эвтектического состава).

В основе коррозионных процессов как при любом окислении лежит хемосорбция кислорода (если среда – воздух). Если на металле образуется тончайший слой оксида, имеющий толщины порядка десятков ангстрем, оксидная пленка начинает защищать металл от дальнейшего окисления. Способность металлов сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах называется жаростойкостью, а сохранять в этих условиях механические свойства – жаропрочностью. Металл может быть жаропрочен, но не жаростоек и наоборот. Например: алюминиевые сплавы жаростойки, но не жаропрочны уже при 400-450°С; вольфрамовая сталь – при 600-700°С жаропрочна, ноне жаростойка. Эффективное сочетание жаростойкости и жаропрочности достигается в сплавах никель-хром-алюминий.

Образование оксидной пленки на металлах

Первой стадией взаимодействия является хемосорбция атомов кислорода на поверхности металла. Приставка «хемо» показывает, что протекает процесс сопровождается химическим взаимодействием атомов металла и кислорода. Связь – ионная, но отличается от химической связи кислорода с металлом в оксиде, она значительно прочнее, т.к. атом кислорода испытывает действие поля, создаваемого нижележащими атомами металла. Насыщение поверхности металла хемосорбированным кислородом происходит практически мгновенно. Затем при низких температурах может иметь место физический процесс адсорбции кислорода за счет ван-дер-ваальсовых сил поверх хемосорбированного слоя. В случае термодинамической стабильности оксида хемосорбированный слой быстро переходит в состояние оксидной пленки, перестройки атомов металла и кислорода, соответствующей их пространственному распределению в оксиде.

Образующиеся оксидная пленка может обладать защитными свойствами, т.е. затрудняет проникновение реагентов – металла и кислорода – к друг другу. Защитные свойства пленки оцениваются по скорости окисления металла и характеру изменения этой скорости во времени. Кроме того, защитными свойствами обладают пленки, покрывающие поверхность металла сплошным слоем. Возможность образования такой пленки определяется следующим условием: молекулярный объем оксида на поверхности металла V_окс должен быть больше объема металла V_ме, израсходованного на образование молекулы оксида. В противном случае образующегося соединения не хватает. Чтобы покрыть сплошным слоем поверхность металла, в результате чего пленка получается пористой, рыхлой. Таким образом, если V_окс/ V_ме 1, то может образоваться сплошная пленка. Пористая оксидная пленка, с низкой адгезией по отношению к металлу, защитными свойствами не обладает (щелочные, щелочно-земельные металлы и железо).

Рассмотрим примеры уравнений реакций газовой коррозии при высоких температурах, например в кислородной атмосфере:

При повышенных температурах металлы более активны по отношению к кислороду, чем при низких. При нагревании оксида металла до некоторой критической температуры происходит его термическое разложение, т.е. указанные процессы идут справа налево. Мерой устойчивости оксида следует считать давление газообразного кислорода над этим оксидом (в закрытом сосуде) – это называется давлением диссоциации. Оксид начинает образовываться на поверхности металла только при такой температуре, при которой давление диссоциации меньше, чем давление кислорода в газовой смеси (в воздухе, дыме), с которой контактирует металл. Для серебра давление диссоциации уже при 400 о С превосходит давление кислорода в воздухе, поэтому при температурах, превышающих это значение, коррозии серебра не происходит. Некоторые металлы образуют летучие оксиды, которые обнажают поверхность металла (молибден, вольфрам, ниобий, рений). В случае оксида железа, давление диссоциации которого очень мало, окисление железа происходит как при низких, так и при высоких температурах – порядка 2000 о С. Также ведут себя никель, медь, алюминий. Таким образом, стабильность оксида является необходимым условием начала процесса коррозии.

Дальнейшее окисление также зависит от свойств оксида. Если на поверхности образуется сплошная хорошо пристающая к поверхности металла пленка (обладает высокой адгезией), то доступ кислорода к ней затрудняется, коррозия замедляется, а затем и прекращается (цинк, никель, алюминий). Такие металлы достаточно коррозионно стойкие, толщина их оксидных пленок может быть от 5-10 до нескольких тысяч ангстрем. Однако в реальных условиях температура нагрева постоянно изменяется. Металл нагревается и охлаждается, что приводит к возникновению механических напряжений в слое металл-оксид. Оксидная пленка, обычно не обладая достаточной упругостью и пластичностью, отслаивается от металла; участки поверхности оказываются не защищенными, и вновь окисляются даже у металлов прочной оксидной пленкой.

Процессы газовой коррозии существенно ускоряются, если в составе газовой атмосферы присутствуют диоксид углерода, соединения серы. Образующиеся карбонаты, сульфиды и сульфаты термически разлагаются, обнажая поверхность металла, а вновь образовавшаяся оксидная пленка более пористая, чем та, которая образуется в чисто кислородной атмосфере.

Действие водорода под высоким давлением на сталь сводится к тому, что он растворяется в железе, что приводит с одной стороны к увеличению его жесткости и хрупкости, с другой – водород взаимодействует с карбидом железа (цементитом) с образованием метана. Все это приводит к потере прочности и упругости стальных изделий: Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH₄

В качестве примера газовой химической коррозии, которая идет в жидких неэлектролитах (органических средах), можно привести коррозионную активность нефти и нефтепродуктов, которые содержат сероводород, серу и меркаптаны (органические производные серы типа R-SH, R-S-SH) и вызывают коррозию железа, меди, свинца, олова, кобальта, никеля, кадмия, серебра с образованием сульфидов.

Атмосферная коррозия

Атмосферная коррозия протекает в среде практически тех же газов, что и газовая коррозия (кроме водорода и монооксида углерода): Н₂О, кислород, диоксиды серы, оксиды азота, галогены,хлороводород, сероводород и др. Во влажной воздушной атмосфере вода служит растворителем для газов, изменяется кислотность дождевой влаги, и идут процессы химического взаимодействия с разбавленными кислотами, а в почвенной влаге, где присутствуют ионы металлов, реакции с растворами солей. Иногда процессы протекают при невысоких температурах точно также, как при высоких:

При окислении металлов в присутствии воды образуются не только оксиды, гидроксиды, соли:

Одновременно с химической может протекать электрохимическая коррозия, т.к. поверхность металлов имеет механические неоднородности и дефекты, а также в разной степени покрыты оксидными пленками.

Электрохимическая коррозия

При электрохимической коррозии электролитом могут быть любые водосодержащие системы: вода морей, рек, озер и т.д., почва, влажный воздух с растворенными в нем газами (см выше).

Коррозия при контакте двух металлов различной активности: Контакт двух металов: железо-медь (нейтральная и кислая среда).

В дальнейшем происходят следующие реакции:

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник