15. grupa hemijskih elemenata
15. grupa hemijskih elemenata ili pniktogeni[1] je jedna od 18 grupa u periodnom sistemu elemenata.[2] Ova grupa je takođe poznata i kao porodica azota. Sastoji se od elemenata azot (N), fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb), bizmut (Bi) i možda hemijski nekarakterisani sintetički element moskovijum (Mc). U ovoj grupi se nalaze dva nemetala dva metaloida i dva slaba metala. Svi elementi ove grupe se javljaju u prirodi sem ununpentijuma koji je veštački dobijen. U ovoj grupi svi elementi su u čvrstom agregatnom stanju. Atomske mase ovih elemenata kreću se između 14,01 i 288. Ova grupa nosi nazive: azotova grupa hemijskih elemenata i VA grupa hemijskih elemenata.
| Pniktogeni | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||
| ↓ Perioda | |||||||||||
| 2 |  7 Drugih nemetala | ||||||||||
| 3 |  15 Drugih nemetala | ||||||||||
| 4 |  33 Metaloid | ||||||||||
| 5 |  51 Metaloid | ||||||||||
| 6 |  83 Drugih metala | ||||||||||
| 7 | Moskovijum (Mc) 115 drugi metal | ||||||||||
|
Legenda
| |||||||||||
| Grupa | 15 |
| Perioda | |
| 2 | 7 N |
| 3 | 15 P |
| 4 | 33 As |
| 5 | 51 Sb |
| 6 | 83 Bi |
| 7 | 115 Uup |
U savremenoj IUPAC notaciji naziva se Grupa 15. U CAS i starom IUPAC sistemu to je nazivano Grupa VA, odnosno Grupa VB (izgovara se „grupa pet A“ i „grupa pet B“, „V“ za rimski broj 5).[3] U oblasti fizike poluprovodnika, ona se i dalje obično naziva Grupa V.[4] „Petica“ („V“) u istorijskim imenima potiče od „pentavalencije“ azota, koja se ogleda u stehiometriji jedinjenja kao što je N2O5. Takođe su se zvana penteli.
Svojstva uredi
Hemijska svojstva uredi
Poput ostalih grupa, i članovi ove grupe pokazuju sličnosti u svojstvima, poput broja valentnih elektrona, što znači da se slično ponašaju.
| Z | Element | Elektrona po ljusci |
|---|---|---|
| 7 | azot | 2, 5 |
| 15 | fosfor | 2, 8, 5 |
| 33 | arsenik | 2, 8, 18, 5 |
| 51 | antimon | 2, 8, 18, 18, 5 |
| 83 | bizmut | 2, 8, 18, 32, 18, 5 |
| 115 | moskovijum | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5
(predviđeno)
|
Svi elementi imaju 5 elektrona u valentnim ljuskama: 2 elektrona u s podljusci i 3 nesparena elektrona u p podljusci. Potrebna su im 3 elektrona kako bi dostigli pravilo okteta u valentnoj ljusci, te su stoga pretežno trovalentni. najvažniji elementi ove grupe su azot (N), koji je, kao dvoatomni molekul, glavni sastojak vazduha, i fosfor (P), koji, uz azot, ima ključnu ulogu za sav život na planetu.
Jedinjenja uredi
Jedinjenja elemenata azotove grupe ponekad imaju egzotična svojstva (dijamagnetizam ili čak paramagnetizam na sobnoj temperaturi, prozirnost, i stvaranje električne struje pri zagrejavanju. Jedinjenja oblika REaMbPnc; gde je RE retki zemni metal (svi lantanoidi, skandijum i itrijum); M je element ugljenikove ili borove grupe; a Pn je element azotne grupe osim azota; imaju neobična vezna svojstva između jonskih i kovalentnih.[5]
Elementi azotne grupe izuzetno su stabilni u jedinjenjima, jer zbog svoje elektronske konfiguracije, stvaraju dvostruke i trostruke kovalentne veze. Upravo ovo svojstvo zaslužno je za njihovu potencijalnu toksičnost, najočitiju u jedinjenjima fosfora, arsena ili antimona. Kad njihova jedinjenja reaguju s raznim jedinjenjima unutar ljudskog tela, stvaraju se slobodni radikali koje jetra ne može lako da razgradi, pa se tamo nakupljaju.
Prva tri elementa azotne grupe: azot, fosfor, i arsen imaju oksidacijski broj −3. Antimon i bizmut mogu imati oksidacijski broj +3 (čime gube elektrone p-podljuske) ili +5 (čime gube elektrone p- i s-podljuske).[6]
Elementi azotne grupe mogu reagovati s vodonikom, pri čemu stvaraju hidride (poput azotnih hidrida odn. amonijaka).
Oksidaciona stanja uredi
Laki pniktogeni (azot, fosfor i arsen) imaju tendenciju da formiraju -3 naelektrisanja kada se redukuju, dovršavajući svoj oktet. Kada su oksidovani ili jonizovani, pniktogeni obično poprimaju oksidaciono stanje od +3 (gubeći sva tri elektrona p-ljuske u valentnoj ljusci) ili +5 (gubivši sva tri p-ljuske i oba elektrona s-ljuske u valentnoj ljusci). Međutim, teži pniktogeni imaju veću verovatnoću da formiraju oksidaciono stanje +3 nego lakši zbog toga što elektroni s-ljuske postaju sve više stabilizovani.[6]
−3 oksidaciono stanje uredi
Pniktogeni mogu da reaguju sa vodonikom da bi formirali pniktogen hidride kao što je amonijak. Idući niz grupu, do fosfana (fosfina), arsana (arsina), stibana (stibina) i konačno bizmutana (bizmutina), svaki pniktogen hidrid postaje progresivno manje stabilan (nestabilniji), toksičniji i ima manji vodonik-vodonik ugao (od 107,8° u amonijaku[7] do 90,48° u bizmutanu).[8] (Takođe, tehnički, samo amonijak i fosfan imaju pniktogen u -3 oksidacionom stanju, jer je za ostatak, pniktogen manje elektronegativan od vodonika.)
Kristalne čvrste materije koje sadrže u potpunosti redukovane pniktogene uključuju itrijum nitrid, kalcijum fosfid, natrijum arsenid, indijum antimonid, pa čak i dvostruke soli kao što je aluminijum galijum indijum fosfid. Ovo uključuje III-V poluprovodnike, uključujući galijum-arsenid, drugi najrasprostranjeniji poluprovodnik posle silicijuma.
+3 oksidaciono stanje uredi
Azot formira ograničen broj stabilnih III jedinjenja. Azot(III) oksid se može izolovati samo na niskim temperaturama, a azotasta kiselina je nestabilna. Azot trifluorid je jedini stabilan azot trihalid, pri čemu su azot trihlorid, azot tribromid i azot trijodid eksplozivni - azot trijodid je toliko osetljiv na udar da ga dodir pera detonira (poslednja tri zapravo sadrže azot u -3 oksidacionom stanju). Fosfor formira +III oksid koji je stabilan na sobnoj temperaturi, fosfornu kiselinu i nekoliko trihalida, iako je trijodid nestabilan. Arsen formira +III jedinjenja sa kiseonikom kao arseniti, arsenitna kiselina i arsenik(III) oksid, i formira sva četiri trihalida. Antimon formira antimon(III) oksid i antimonit, ali ne i oksikiseline. Njegovi trihalidi, antimon trifluorid, antimon trihlorid, antimon tribromid i antimon trijodid, kao i svi pniktogen trihalidi, imaju trigonalnu piramidalnu molekularnu geometriju.
Oksidaciono stanje +3 je najčešće oksidaciono stanje bizmuta jer je njegova sposobnost da formira oksidaciono stanje +5 ometana relativističkim svojstvima na težim elementima, efekti koji su još izraženiji kod moskovijuma. Bizmut(III) formira oksid, oksihlorid, oksinitrat i sulfid. Predviđa se da se moskovijum(III) ponaša slično kao bizmut(III). Takođe se predviđa se da moskovijum formira sva četiri trihalida, od kojih su svi osim trifluorida rastvorljivi u vodi. Takođe je predviđeno da formira oksihlorid i oksibromid u +III oksidacionom stanju.
+5 oksidaciono stanje uredi
Za azot, +5 stanje obično služi samo kao formalno objašnjenje molekula kao što je N2O5, pošto visoka elektronegativnost azota uzrokuje da se elektroni dele skoro ravnomerno. Pniktogena jedinjenja sa koordinacionim brojem 5 su hipervalentna. Azot(V) fluorid je samo teoretski koncept i nije sintetisan. „Pravo“ +5 stanje je češće za suštinski nerelativističke tipične pniktogene fosfora, arsena i antimona, kao što je prikazano u njihovim oksidima, fosfor(V) oksid, arsenik(V) oksid i antimon(V) oksid, i njihovi fluoridi, fosfor(V) fluorid, arsen(V) fluorid, antimon(V) fluorid. Oni takođe formiraju srodne fluorid-anjone, heksafluorofosfat, heksafluoroarsenat, heksafluorantimonat, koji funkcionišu kao nekoordinacioni anjoni. Fosfor čak formira mešovite oksid-halide, poznate kao oksihalidi, kao što je fosfor oksihlorid, i mešane pentahalide, kao što je fosfor trifluorodihlorid. Pentametilpniktogen(V) jedinjenja postoje za arsen, antimon i bizmut. Međutim, za bizmut, +5 oksidaciono stanje to postaje retko zbog relativističke stabilizacije 6s orbitala poznate kao efekat inertnog para, tako da se 6s elektroni nerado hemijski vezuju. Ovo uzrokuje da bizmut(V) oksid bude nestabilan[9] i bizmut(V) fluorid da bude reaktivniji od ostalih pniktogen pentafluorida, što ga čini izuzetno moćnim sredstvom za fluorisanje.[10] Ovaj efekat je još izraženiji za moskovijum, sprečavajući ga da postigne +5 oksidaciono stanje.
Druga oksidaciona stanja uredi
- Azot formira različita jedinjenja sa kiseonikom u kojima azot može poprimiti različita oksidaciona stanja, uključujući +II, +IV, pa čak i neka jedinjenja mešane valentnosti i veoma nestabilno +VI oksidaciono stanje.
- U hidrazinu, difosfanu i organskim derivatima njih dvoje, atomi azota ili fosfora imaju -2 oksidaciono stanje. Slično, diimid, koji ima dva atoma azota dvostruko vezana jedan za drugi, i njegovi organski derivati imaju azot u oksidacionom stanju od -1.
- Slično, realgar ima veze arsen-arsen, tako da je oksidaciono stanje arsena +II.
- Korespondirajuće jedinjenje za antimon je Sb2(C6H5)4, gde je oksidaciono stanje antimona +II.
- Fosfor ima +1 oksidaciono stanje u hipofosforastoj kiselini i +4 oksidaciono stanje u hipofosfornoj kiselini.
- Antimon tetroksid je jedinjenje mešovite valencije, gde je polovina atoma antimona u +3 oksidacionom stanju, a druga polovina u +5 oksidacionom stanju.
- Očekuje se da će moskovijum imati efekat inertnog para i za 7s i za 7p1/2 elektrone, pošto je energija vezivanja usamljenog 7p3/2 elektrona primetno niža od one kod 7p1/2 elektrona. Predviđa se da će ovo dovesti do toga da +I bude uobičajeno oksidaciono stanje za moskovijum, iako se takođe javlja u manjoj meri za bizmut i azot.[11]
Fizička svojstva uredi
Azotna grupa sastoji se od dva nemetala (jedan gasoviti, drugi čvrst), dva polumetala, i jednog metala. Svi su elementi čvrstog agregatnog stanja pri sobnoj temperaturi osim gasovitog azota. Azot i bizmut, iako su u istoj grupi, imaju izraženo različita fizička svojstva. Na sobnoj temperaturi, na primer, azot je proziran nemetalni plin, dok je bizmut srebrna čvrsta materija izraženih metalnih svojstava.[12]
Gustine elemenata povećavaju se povećanjem periode[12], prema tabeli[13]:
| Element | Gustina pri STP | Topljenje/°C | Vrenje/°C | Kristalna struktura |
|---|---|---|---|---|
| Azot | 0,001251 g/cm3 | -210 | -196 | šestougaona |
| Fosfor | 1,82 g/cm3 | 44 | 280 | kubna |
| Arsen | 5,72 g/cm3 | 603 (sublimira) | Romboidni paralelopiped | |
| Antimon | 6,68 g/cm3 | 631 | 1587 | |
| Bizmut | 9.79 g/cm3 | 271 | 1564 | |
Nuklearna svojstva uredi
Svi pniktogeni do antimona imaju najmanje jedan stabilan izotop; bizmut nema stabilne izotope, ali ima primordijalni radioizotop sa vremenom poluraspada mnogo dužim od starosti univerzuma (209Bi); i svi poznati izotopi moskovijuma su sintetički i visoko radioaktivni. Pored ovih izotopa, u prirodi se javljaju tragovi 13N, 32P, i 33P, zajedno sa različitim izotopima bizmuta (osim 209Bi) u lancima raspada torijuma i uranijuma.
Dobijanje uredi
Azot uredi
Azot[14] se dobija frakcijskom destilacijom vazduha.[14]
Fosfor uredi
Fosfor se dobija redukcijom fosfata uz prisustvo ugljenika u elektrolučnoj peći.[15]
Arsen uredi
Arsen se dobija zagrevanjem minerala arsenopirita uz prisustvo kiseonika. Ovo stvara As4O6, iz kojeg se ugljeničnom redukcijom dobija arsen. Metalni arsen je moguće dobiti i zagrejavanjem arsenopirita na 650 do 700 °C bez kiseonika.[16]
Antimon uredi
Kod sulfidnih ruda, način na koji se proizvodi antimon zavisi od količine antimona u sirovoj rudi. Ako ruda sadrži 25% do 45% antimona po masi, tada se sirovi antimon proizvodi topljenjem rude u visokoj peći. Ako ruda sadrži 45% do 60% težinski antimona, antimon se dobija zagrevanjem rude, što je takođe poznato kao likvidacija. Rude sa više od 60 % mas. antimona hemijski se premeštaju gvozdenim strugotinama iz rastopljene rude, što rezultira nečistim metalom.
Ako oksidna ruda antimona sadrži manje od 30 % mas. antimona, ruda se redukuje u visokoj peći. Ako ruda sadrži približno 50 % mas. antimona, ruda se umesto toga redukuje u reverberatornoj peći.
Rude antimona sa mešanim sulfidima i oksidima se tope u visokoj peći.[17]
Bizmut uredi
Minerali bizmuta se javljaju u prirodi, posebno u obliku sulfida i oksida, ali je ekonomičnije proizvesti bizmut kao nusprodukt topljenja ruda olova ili, kao u Kini, ruda volframa i cinka.[18]
Moskovijum uredi
Može se proizvesti nekoliko atoma moskovijuma pojedinačnom primenom akceleratora čestica ispaljivanjem snopa jona kalcijuma-48 na americium dok se jezgra ne stope.[19]
Primena uredi
- Tečni azot koristi se kao kriogena tečnost.[12]
- Azot, glavni sastojak amonijaka, ključan je za život biljaka.[12]
- Fosfor se koristi za izradu šibica i eksploziva.[12]
- Fosfatna đubriva su ključan deo uzgoja biljaka.[12]
- Arsen se u prošlosti koristio za izradu zelene boje, ali otkrićem njegove toksičnosti, prestao se koristiti za izradu boje.[12]
- Arsen se u organskim jedinjenjima ponekad koristi u hrani za kokoške.[12]
- Legure antimona i olova koriste se u izradi nekih metaka.[12]
- Prosečni čovek (70 kg) u telu sadrži 1,8 kg azota, 480 grama fosfora, 7 mg arsena, 2 mg antimona i manje od 500 mikrograma bizmuta.[20]
Otrovnost uredi
Azot nije otrovan, ali udisanje čistog azota uzrokuje gušenje.[21] Mehurići azota u krvi uzrokuju dekompresijsku bolest. Mnoga jedinjenja azota, poput azotnog cijanida ili raznih eksploziva veoma su opasna.[20]
Beli fosfor, alotropska modifikacija fosfora, veoma je otrovan, smrtna doza je 1 miligram po kilogramu telesne težine.[12] Beli je fosfor veoma zapaljiv. Neka organska jedinjenja fosfora mogu blokirati određene enzime ljudskog tela, što može dovesti do smrti.[20]
Elementarni arsen je otrovan, kao i mnoga njegova neorganska jedinjenja; međutim, neka organska jedinjenja arsena mogu ubrzati rast kokošaka.[12] Smrtna doza arsena za odraslog čoveka je 200 miligrama.[20]
Antimon je blago toksičan.[21] U većim dozama, antimon uzrokuje povraćanje,[12] nakon čega se žrtva prividno oporavi, ali umre nakon par dana. Antimon se veže na enzime, i teško ga je ukloniti iz tela. Stibin, SbH3 je znatno toksičniji od čistog antimona.[20]
Bizmut nije toksičan, ali prevelika konzumacija može oštetiti jetru.[20] Konzumacija topljivih bizmutovih soli može zacrniti zubno meso.[12]
Reference uredi
- ^ Međunarodna unija za čistu i primenjenu hemiju (2005). Nomenclature of Inorganic Chemistry (IUPAC Recommendations 2005). Cambridge (UK): Royal Society of Chemistry – International Union of Pure and Applied Chemistry. ISBN 0-85404-438-8. p. 51. Electronic version.
- ^ Connelly, NG; Damhus, T, ur. (2005). „section IR-3.5: Elements in the periodic table” (PDF). Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005. Cambridge, United Kingdom: RSC Publishing. str. 51. ISBN 978-0-85404-438-2. Arhivirano iz originala (PDF) 19. 04. 2018. g. Pristupljeno 05. 06. 2021.
- ^ Fluck, E (1988). „New notations in the periodic table” (PDF). Pure and Applied Chemistry. 60 (3): 431—6. S2CID 96704008. doi:10.1351/pac198860030431.
- ^ Adachi, S., ur. (2005). Properties of Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors. Wiley Series in Materials for Electronic & Optoelectronic Applications. 15. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. Bibcode:2005pgii.book.....A. ISBN 978-0470090329.
- ^ "Pnicogen – Molecule of the Month". University of Bristol
- ^ a b Boudreaux, Kevin A. "Group 5A — The Pnictogens" Arhivirano na sajtu Wayback Machine (8. avgust 2016). Department of Chemistry, Angelo State University, Texas
- ^ Greenwood, N.N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. str. 423. ISBN 0-7506-3365-4.
- ^ Jerzembeck W, Bürger H, Constantin L, Margulès L, Demaison J, Breidung J, Thiel W (2002). „Bismuthine BiH3: Fact or Fiction? High-Resolution Infrared, Millimeter-Wave, and Ab Initio Studies”. Angew. Chem. Int. Ed. 41 (14): 2550—2552. PMID 12203530. doi:10.1002/1521-3773(20020715)41:14<2550::AID-ANIE2550>3.0.CO;2-B.
- ^ Scott, Thomas; Eagleson, Mary (1994). Concise encyclopedia chemistry
. Walter de Gruyter. str. 136. ISBN 978-3-11-011451-5.
- ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. str. 561—563. ISBN 0080379419.
- ^ Keller, O. L. Jr.; C. W. Nestor, Jr. (1974). „Predicted properties of the superheavy elements. III. Element 115, Eka-bismuth” (PDF). Journal of Physical Chemistry. 78 (19): 1945. doi:10.1021/j100612a015.
- ^ a b v g d đ e ž z i j k l Gray, Theodore (2010). The Elements.
- ^ Jackson, Mark (2001), Periodic Table Advanced, ISBN 1572225424
- ^ a b Sanderson, R. Thomas (1. 2. 2019). „Nitrogen: chemical element”. Encyclopædia Britannica.
- ^ „Phosphorus: chemical element”. Encyclopædia Britannica. 11. 10. 2019.
- ^ "arsenic (As) | chemical element". Encyclopædia Britannica.
- ^ Butterman, C.; Carlin, Jr., J.F. (2003). Mineral Commodity Profiles: Antimony. United States Geological Survey.
- ^ Bell, Terence. „Metal Profile: Bismuth”. About.com. Arhivirano iz originala 5. 7. 2012. g.
- ^ Oganessian, Yu Ts; Utyonkov, V K (9. 3. 2015). „Superheavy Element Research”. Reports on Progress in Physics. 78 (3): 3. PMID 25746203. doi:10.1088/0034-4885/78/3/036301.
- ^ a b v g d đ Emsley, John (2011), Nature's Building Blocks, ISBN 978-0-19-960563-7
- ^ a b Kean, Sam (2011), The Disappearing Spoon
