Урок 14. азот и фосфор

Выбор удобрений

Покупка удобрений может вызывать трудности, потому что растения имеют индивидуальные потребности в питательных веществах.

Считается, что сбалансированные универсальные удобрения (например, с соотношением «10-10-10» или «5-5-5») лучше всего подходят для большинства растений. Однако 10% азота подходит только для нецветущих растений, таких как газонные травы, и это слишком много для таких растений, таких как помидоры, кабачки, бобы, перец, дыни, баклажаны и, конечно, цветы.

Кроме того, удобрения с такими высокими цифрами (10-10-10 и 20-20-20), всегда состоят из концентрированных химических солей, а вызываемый ими сверхбыстрый рост делает растения чрезвычайно привлекательными для вредителей и болезней. Эти соли разрушают почву, убивая почвенную жизнь, которая сохраняет растения естественно здоровыми.

И, наконец, несмотря на свой четкий ритм, соотношения удобрений типа 10-10-10 все же не сбалансированы, ведь ни одно растение не использует эти три питательных вещества в равных количествах.

Если растение зеленое и лиственное, лучше всего использовать более высокое содержание азота. Если ваше растение является цветущим или плодоносящим, лучше всего использовать повышенное содержание фосфора. Если вы выращиваете овощи, лучше выбирать также более высокое содержание калия.

Вечнозеленые растения — рододендроны и другие — нуждаются не только в большом количестве азота, чтобы сохранить их зелеными, но и в некоторых микроэлементах (медь, молибден и железо).

Цветущие однолетники расцветают, когда азота поступает мало, и им нужно удобрение с примерным соотношением 5-10-10.

В заключение хочется подчеркнуть один очень важный момент. Вы не добавляете удобрения к растениям — вы добавляете их в почву, так как растения получают питание из почвы

Поэтому при выборе удобрения также важно учитывать особенности своего грунта. Предположим, что ваша почва изначально очень богата фосфором

Удобрение, которое вы используете для получения большего количества цветов, обычно содержит много фосфора, однако, ваша почва уже содержит его и растения не возьмут больше, чем могут использовать. Таким образом, удобрения, которые вы вносите в сад, должно быть дополнением к тому, чего не хватает именно в вашей почве.

Совместное применение удобрений

Нельзя смешивать минеральные удобрения произвольно. Между ними происходят химические реакции, способные уменьшить растворимость туков или привести к потере питательных веществ.

Лучше не смешивать:

суперфосфат – с аммонийной селитрой, сульфатом аммония, хлористым калием;
двойной суперфосфат – с мочевиной;
все азотные удобрения (кроме мочевины) – с навозом.

Минеральные удобрения можно применять в любой период, кроме зимнего, на любых почвах и под любые культуры. Они обеспечивают значительную прибавку урожая, но не улучшают ее физические свойства. Опытные огородники используют минеральные удобрения совместно с органикой, что приносит пользу и растениям, и почве.

§ 36. Элементы VА-группы. Азот и фосфор

Фосфор как простое вещество

Фосфор, являясь элементом VА-группы, как и азот, способен образовывать молекулу состава P₂. Однако, в отличие от молекулы азота, двухатомная молекула фосфора неустойчива. Поэтому фосфор существует в виде нескольких аллотропных модификаций, в которых реализуются лишь одинарные связи Р—Р: фосфор белый, красный, чёрный и другие (табл. 29).

Таблица 29. Строение и физические свойства аллотропных модификаций фосфора

Аллотропные модификации фосфора	Строение	Температура плавления	Температура кипения
Р4 фосфор белый	Шаростержневая модель молекулы P₄	44 °С	281 °С
Р фосфор красный	Фрагмент структуры красного фосфора	260 °С	‒Возгоняется при температуре около 400 °С
* Р фосфор чёрный	Фрагмент кристаллической решётки чёрного фосфора	При нагревании (атмосферное давление) превращается в красный фосфор	1000 °С (при 1,8 ∙ 106 атм)

Рис. 88. Фрагмент картины английского художника Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор»

Физические свойства. Белый фосфор Р₄ представляет собой воскообразное вещество с чесночным запахом, ядовит. На воздухе в темноте светится зеленовато-жёлтым цветом в результате медленной химической реакции окисления (хемилюминесценция (рис. 88)).

Красный фосфор — аморфное вещество полимерного строения, не имеет запаха, его токсичность невысокая.

Между аллотропными модификациями фосфора возможны взаимопревращения, протекающие при определённых температурах и давлениях.

Химические свойства. Как окислитель фосфор при нагревании вступает в реакции с металлами, образуя фосфиды:

С водородом фосфор не реагирует.

Как восстановитель фосфор реагирует с кислородом и другими сильными окислителями. В чистом кислороде и на воздухе фосфор ослепительно горит, образуя белый дым (частицы твёрдых оксидов фосфора):

(оксид фосфора(V) в избытке кислорода);

(оксид фосфора(III) при недостатке кислорода).

Белый фосфор может самовоспламеняться на воздухе, а красный загорается лишь при поджигании, что объясняется различной прочностью химических связей между атомами фосфора в аллотропных модификациях.

Фосфор получают прокаливанием смеси фосфата кальция с песком и углём:

Фосфин РH₃ — газ с чесночным запахом.

В природе водородные соединения фосфора встречаются там, где происходит интенсивное разложение белковых веществ.

Применение. Белый фосфор используют для производства фосфорных кислот и их производных, в металлургии как компонент некоторых жаропрочных сплавов. Красный фосфор применяют в производстве спичек, в органическом синтезе (лекарственные препараты, ядохимикаты). Образцы фосфора, содержащие нуклид 32Р («меченый атом») с периодом полураспада 14,22 суток, используют в исследовательских работах.

История

Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для его добычи. Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что, сконденсировавшись, они будут содержать золото. После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный носитель света»). Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового элемента со времён античности.

Картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор» (1771 год), предположительно описывающая открытие фосфора Хеннигом Брандом.

Несколько позже фосфор был получен другим немецким химиком — Иоганном Кункелем.

Независимо от Бранда и Кункеля фосфор был получен Р. Бойлем, описавшим его в статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября 1680 года и опубликованной в 1693 году.

Более усовершенствованный способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом.

Существуют данные, что фосфор умели получать ещё арабские алхимики в XII в.

То, что фосфор — простое вещество, доказал Лавуазье.

Аморфную аллотропную модификацию фосфора — красный фосфор P_n — выделил, нагревая белый фосфор без доступа воздуха, А. Шрёттер в середине XIX в.

Подкормки растений на разных этапах развития

Повышенный фосфор

На начальной стадии растения больше всего нуждаются в фосфоре, но азот и калий им тоже необходимы, поэтому в формуле должны быть все три элемента, но фосфора должно быть больше. Например, в удобрении с формулой 13:40:13 азота и калия по 13 %, а фосфора – 40 %. Первое число – это количество азота (N), второе – фосфора (P), а третье – калия (K).

Итак, на начальном этапе мы проводим подкормки удобрением с повышенным содержанием фосфора и добиваемся этим максимального развития корневой системы. Фосфор – это источник энергии для растений и будущий урожай.

Повышенный азот

Когда сеянцы подрастают, им для наращивания листо-стеблевой массы потребуется удобрение с повышенным содержанием азота. Однако я ни разу не видел в продаже готовые удобрения, в которых азота было бы больше, чем других макроэлементов, поэтому я готовлю такое удобрение самостоятельно на основе сбалансированного комплекса с формулой 18:18:18 или, например, 20:20:20.

Чтобы увеличить азотную составляющую, я добавляю к универсальному удобрению азот, то есть растворяю в 10 л воды 20 г комплексного удобрения и 5 г аммиачной селитры, меняя таким образом формулу с 20:20:20 на 25:20:20. После внесения такой подкормки растения начинают интенсивно наращивать зеленую массу.

Повышенный калий

Затем у растений наступает пора цветения, а в дальнейшем у плодовых культур – период налива и созревания плодов. Продолжительность и качество цветения, а также размер цветков декоративных растений зависят от такого элемента, как калий. Калий способствует оттоку органического вещества из листьев не только в цветы, но и в плоды, увеличивая их в размерах и добавляя им сахаристости, поэтому нужно искать удобрение с повышенным содержанием калия, например, с формулой 3:11:38.

Физические и химические свойства

Фосфор способен образовывать разнообразные простые вещества, то есть аллотропные модификации. В нормальных условиях вещество характеризуется твердым агрегатным состоянием. Основные аллотропные модификации фосфора:

белый;
красный;
черный.

Они отличаются по таким показателям, как:

строение кристаллической решетки;
цвет;
плотность;
физические характеристики;
химическая активность.

В процессе трансформации вещества в более термодинамически устойчивую модификацию показатели химической активности снижаются. В качестве примера можно привести последовательное превращение белого фосфора в красный, затем красного в черный.

Белый фосфор представляет собой вещество состава . Мягкое вещество белого цвета является ядовитым и обладает характерным чесночным запахом. Вещество характеризуется молекулярной кристаллической решеткой, что объясняет невысокую температуру плавления в 44°С и высокую летучесть. Белый фосфор плавится в резервуаре с подогретой водой, реакционно способен и может самовоспламеняться на воздухе.

Красный фосфор представляет собой модификацию с атомной кристаллической решеткой. В химии формула вещества Pn или простоP. Красный фосфор характеризуется полимерным строением со сложной структурой. Материал в твердом агрегатном состоянии не обладает запахом, имеет красно-бурый цвет, не является ядовитым. Данная модификация более устойчива по сравнению с белым фосфором. Вещество образуется из белого фосфора при температуре от 250°С до 300°С в безвоздушной среде.

Черный фосфор является наиболее стабильной термодинамически и наименее активной химически формой элементарного фосфора. Вещество обладает черной окраской и имеет металлический блеск. Материал жирный на ощупь и обладает некоторыми сходствами с графитом. Черный фосфор не растворяется в воде и в растворителях органического происхождения.

Существуют и другие разновидности фосфора, в том числе, желтый и металлический фосфор. В первом случае вещество является неочищенным белым фосфором. В условиях повышенного давления желтый фосфор трансформируется в новую модификацию под названием металлический фосфор, который является хорошим проводником электрического тока.

Фосфор проявляет химическую активность при обычных условиях и при нагревании. В окислительно-восстановительных реакциях может выступать как:

окислитель с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе;
восстановитель с элементами, расположенными выше и правее.

В связи с этим, фосфор вступает в химические реакции с металлами и неметаллами.

Получение фосфора и его применение

Существует разные способы получения фосфора. Белый фосфор синтезируют с помощью прокаливания природных фосфатов совместно с коксом и песком в электрической печи. При выдерживании продукта реакции в печи в течении некоторого времени белый фосфор превращается в красный P.

Фосфор активно применяется в промышленной сфере и сельском хозяйстве. Фосфорсодержащие вещества используют в производстве такой продукции, как:

топливо;
спички;
взрывчатые вещества;
фосфорные удобрения;
защитные составы для металлов, предотвращающие коррозию;
лекарственные препараты, включая антибиотик фосфомицин;
моющие средства.

Получение и применение фосфора

Промышленным способом фосфор получают путем его восстановления коксом из фосфоритов (фторапататиов), в состав которых входит фосфат кальция, прокаливая в электропечах при температуре 1600°C с добавлением кварцевого песка:
Ca₃(PO₄)₂ + 5C + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO.

На первом этапе реакции под действием высокой температуры оксид кремния (IV) вытесняет оксид фосфора (V) из фосфата:
Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + P₂O₅.

Затем оксид фосфора (V) восстанавливается углём до свободного фосфора:
P₂O₅+5C = 2P+5CO.

Применение фосфора:

производство удобрений;
ядохимикатов;
спичек;
моющих средств;
красок;
полупроводников.

Фосфор — урок. Химия, 8–9 класс

Фосфор — химический элемент № (15). Он расположен в VА группе Периодической системы.

P15+15)2e)8e)5e

На внешнем слое атома фосфора содержатся пять валентных электронов, до его завершения не хватает трёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами и водородом фосфор проявляет степень окисления (–3), а при взаимодействии с более электроотрицательными элементами: кислородом, фтором и другими — положительные степени окисления ( +3) или (+5).

В атоме фосфора больше электронных слоёв по сравнению с атомом азота, поэтому его электроотрицательность, окислительные и неметаллические свойства выражены слабее.

В земной коре фосфор находится в виде фосфатов. Чаще встречается фосфат кальция Ca3(PO4)2.

Фосфор — жизненно важный элемент. Он входит в состав нуклеиновых кислот и АТФ, которые необходимы каждой клетке любого живого организма. Фосфат кальция содержится в костной ткани и придаёт ей твёрдость.

Химическому элементу фосфору характерна аллотропия. Он образует несколько простых веществ, отличающихся строением.

Белый фосфор состоит из четырёхатомных молекул P4.

Он представляет собой белое (с жёлтым оттенком), похожее на воск вещество, которое светится в темноте из-за окисления кислородом воздуха.

Как все молекулярные соединения, белый фосфор летуч. Он имеет чесночный запах. Не растворяется в воде, но растворяется в сероуглероде. Белый фосфор очень ядовит. В порошкообразном состоянии может самовоспламеняться. Хранят его под водой.

Красный фосфор имеет атомную кристаллическую решётку.

Красный фосфор представляет собой порошок и по своим свойствам резко отличается от белого. Он не имеет запаха, не растворяется в воде и в сероуглероде. Неядовит. Активность красного фосфора ниже, чем белого.

Аллотропные модификации фосфора взаимопревращаемы. Белый фосфор превращается в красный на свету или при длительном нагревании без доступа воздуха. Красный фосфор при сильном нагревании и охлаждении паров превращается в белый.

Химические свойства разных аллотропных модификаций фосфора похожи. Белый фосфор более активен и вступает в реакции легче.

Окислительные свойства фосфор проявляет в реакциях с активными металлами:
Полученные соединения называются фосфидами (Na3P — фосфид натрия).
В отличие от азота фосфор не соединяется с водородом.

Восстановительные свойства фосфор проявляет в реакции с кислородом. Белый фосфор самовоспламеняется на воздухе, а красный загорается при нагревании. При этом образуется густой белый дым оксида фосфора(V):

4P0+5O20=t2P2+5O5−2.

Красный фосфор используется при изготовлении спичек.

Аммиак и соли аммония

Аммиак NH₃ — бесцветный газ с резким запахом, ядовит.

Задание 14.5. Составьте электронную и графическую формулы аммиака и определите тип химической связи в этой молекуле.

Поскольку связь N-Н сильно полярна, аммиак очень хорошо растворяется в полярном растворителе (воде) и реагирует с нею:

Вопрос. Какую реакцию среды имеет полученный раствор?

В результате этой реакции в растворе появляется избыток ионов ОН–, поэтому раствор аммиака в воде (аммиачная вода, нашатырный спирт) имеет щелочную среду и проявляет свойства слабого основания. Называется это основание «гидроксид аммония», и ему приписывают формулу NH₄OH. Поскольку это щёлочь (растворимое основание), получаемая из летучего вещества (газа), её называют «летучей щёлочью».

Вопрос. Будет ли аммиак, а также его водный раствор реагировать с кислотами? щелочами?

Проявляя основные свойства, аммиак реагирует только с кислотами и не реагирует со щелочами:

В результате таких реакций образуются соли аммония, в которых вместо катиона металла имеется одновалентный катион аммония NH₄+. Соли аммония имеют ряд особенностей:

1. Соли аммония, как соли слабого основания, реагируют со щелочами:

Задание 14.6. Составьте уравнение этой реакции в ионномолекулярном виде. Не забудьте, что гидроксид аммония — слабое основание.

Если такая реакция идёт при нагревании, то получается аммиак в виде газа. Это лабораторный способ получения аммиака:

Кроме того, появляется характерный запах — качественный признак присутствия солей аммония в смеси. Эту реакцию используют для получения аммиака в лаборатории.

Вопрос. Будут ли соли аммония подвергаться гидролизу?

2. Соли аммония, как соли слабого основания, подвергаются гидролизу:

Вопрос. Какая реакция среды получается в результате данного процесса?

Задание 14.7. Составьте уравнение реакции гидролиза нитрата аммония. Какой цвет имеет лакмус в этом растворе?

3. Соли аммония, как соли летучего основания, разлагаются при нагревании. При этом может выделяться аммиак:

Но если соль образована кислотой, анион которой является сильным окислителем, аммиак не выделяется:

Почему в этом случае не выделяется аммиак? Возможно, что сначала процесс идёт как обычно:

Но поскольку азотная кислота — окислитель, а аммиак — восстановитель, они тут же реагируют друг с другом. При разложении нитрата аммония возможны и другие продукты реакции:

Задание 14.8. Составьте электронный баланс для реакций (1) и (2), укажите окислитель и восстановитель.

Вопрос. Почему атом азота в аммиаке проявляет восстановительные свойства? Может ли этот атом принимать электроны?

Атом азота в молекуле аммиака имеет низшую степень окисления –3 и поэтому способен только отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства. Поэтому аммиак легко реагирует с окислителями, например с кислородом, и горит:

Реакция (3) практического смысла не имеет: зачем возвращать в атмосферу азот, который только что с таким трудом был превращён в аммиак? Зато реакция (4) каталитического окисления аммиака используется при получении азотной кислоты. Кроме того, аммиак и его соли применяются как азотные удобрения, а нитрат аммония входит в состав взрывчатых смесей.

Применение азота и фосфора и их соединений

1) Азот используют для получения аммиака, азотной кислоты, нитратов, лекарственных препаратов, красителей и др. Его применяют в качестве инертной среды при производстве витаминов, полупроводников, в реакции с участием натрия и других очень активных металлов. Им наполняют лампочки накаливания. Используют и жидкий азот, например, при тушении пожаров особых категорий.

Окисление аммиака в присутствии катализатора является начальной реакцией в процессе получения азотной кислоты. Соли аммония применяются в качестве азотных удобрений. В качестве жидкого удобрения также применяют раствор аммиака. Из других солей широко употребляют хлорид аммония для изготовления батареек, а также для снятия оксидной плёнки при пайке и лужении металлических изделий. Он входит в состав некоторых лекарств. В производстве хлорид аммония называют нашатырём.

Большая часть производимой азотной кислоты используется для получения нитратов. Нитраты аммония, калия, кальция применяют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Азотные удобрения очень важны для растений, так как азот – необходимый элемент для синтеза белков. Азотная кислота используется для получения лекарств, красителей, растворителей, синтетических волокон, пластмасс, взрывчатых веществ, а также для производства ракетного топлива.

2) Природные фосфаты служат источником получения фосфора в промышленности. Белый и красный фосфор используют для получения различных соединений фосфора. Красный фосфор применяется для производства спичек, чистой фосфорной кислоты, а также в металлургии для восстановления оксидов, в качестве добавки к сплавам. Белый фосфор используют при производстве боеприпасов. Фосфор применяют для получения различных органических соединений: лекарственных веществ, средств, применяемых для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. Поэтому потребность в фосфоре большая.

Растворимость фосфатов оказывает влияние на реакции металлов с фосфорной кислотой. В избытке кислоты образуется растворимый дигидрофосфат кальция и реакция с гидроксидом кальция идёт достаточно быстро. Если кислоты взять столько, чтобы получился гидрофосфат или фосфат, то образующаяся нерастворимая соль оседает на поверхности металла. Это способствует замедлении. Или прекращению реакции. В целях защиты металлов от агрессивной среды их фосфатируют – покрывают защитным слоем фосфатов.

Кислые и нормальные ортофосфаты кальция, аммония, калия применяют в качестве удобрений. Используют ортофосфаты и для других целей. Ортофосфат натрия добавляют в моющие средства. Гидрофосфат аммония используют в качестве удобрений, в спичечной промышленности. В растворе гидрофосфата и сульфата аммония выдерживают древесину и другие горючие материалы для придания им огнестойкости.

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: