Zapisz jako PDF

Azotowce
Pierwiastek
Konfiguracja
elektronowa
Potencjał
jonizacji (eV)
Temperatura
topnienia (°C)
Temperatura
wrzenia (°C)
Azot (N)
14,5
-210,0
-195,8
Fosfor (P)
11,0
44,1
280,0
Arsen (As)
10,0
sublimuje
sublimuje
Antymon (Sb)
8,6
631,0
1380,0
Bizmut (Bi)
8,0
271,0
1500,0
Wszystkie pierwiastki grupy 15 przyjmują trzy typowe stopnie utlenienia w związkach chemicznych:
+5, +3, -3. Azot i fosfor przyjmują wszystkie stopnie utlenienia od +5 do -3.
Spis treści
1 Właściwości fizyczne
2 Reaktywność azotu
3 Wodorki azotu
4 Halogenki EX3, EX5
5 Związki tlenowe azotu
6 Kwasy tlenowe
7 Ujemne stopnie utlenienia azotu w związkach
8 Związki z siarką
Właściwości fizyczne
Azot i fosfor są typowymi niemetalami, arsen i antymon – półmetalami, bizmut – typowym
metalem.
Azot jest gazem o wyjątkowo trwałych cząsteczkach dwuatomowych. W temperaturze 4000°C
zaledwie 3% cząsteczek ulega dysocjacji na atomy.
Pozostałe azotowce są ciałami stałymi, występującymi w wielu odmianach alotropowych (w
przypadku fosforu znane są 4 jego odmiany: biały, czerwony, czarny i fioletowy).
W warunkach normalnych trwałą postacią fosforu jest odmiana czerwona (nielotna, słabo
rozpuszczalna w rozpuszczalnikach polarnych, mało aktywna chemicznie).
Fosfor, arsen, antymon i bizmut są odporne na działanie kwasów nieutleniających. Reagują z
kwasem azotowym tworząc odpowiednio H3PO4, H3AsO4, Sb2O3 i Bi(NO)3, co ilustruje wzrost
charakteru metalicznego w miarę przechodzenia w dół grupy.
Reaktywność azotu
Azot występuje w przyrodzie w postaci cząsteczek dwuatomowych N2.
Wysoka wartość entalpii dysocjacji N2 → 2N (ΔH = 944,7 kJ/mol) świadczy o dużej trwałości
wiązania N=N, co warunkuje bierność chemiczną azotu.
W temperaturze pokojowej azot reaguje tylko z metalicznym litem tworząc azotek litu Li3N.
W wyższych temperaturach azot staje się bardziej reaktywny, zwłaszcza w obecności
katalizatorów, które umożliwiają przebieg następujących reakcji:
N2 + 3H2 → 2NH3
N2 + O2 → 2NO
N2 + 3Mg → Mg3N2.
Wodorki azotu
Wszystkie pierwiastki grupy V tworzą gazowe wodorki typu EH3 (symbolem E oznaczono atom
pierwiastka V grupy), których trwałość maleje w szeregu
NH3 > PH3 >AsH3 > SbH3 >BiH3
(odpowiednie energie wiązań wynoszą: N-H, 391 kJ/mol; P-H, 322 kJ/mol; As-H, 247 kJ/mol, SbH, 255 kJ/mol).
Cząsteczki wodorków mają kształt piramidy, trzy wiązania są utworzone przez
zhybrydyzowane orbitale
, a czwarty orbital jest obsadzony przez niewiążącą parę
elektronową. Obecność wolnej pary elektronowej powoduje odchylenia od kątów 109,5°,
typowych dla hybrydyzacji
. Kąt H-E-H maleje w szeregu: H-N-H (107°), H-P-H (94°), H-AsH (92°), H-Sb-H (91°).
Ciekły amoniak (bezbarwna ciecz w przedziale temperatur od -78 do -33°C) przypomina
właściwościami fizycznymi wodę, jego cząsteczki są silnie zasocjowane w wyniku tworzenia
wiązań wodorowych.
Ciekły amoniak ulega autojonizacji:
2NH3 → NH4 + NH2¯.
Ciekły amoniak ma mniejszą stałą dielektryczna niż woda, lepiej rozpuszcza związki
organiczne, gorzej jonowe związki nieorganiczne.
Ciekły amoniak jest mniej reaktywny niż woda w stosunku do metali elektrododatnich, ale
wiele z nich rozpuszcza.
Halogenki EX3, EX5
Trihalogenki (z wyjątkiem PF3) powstają w wyniku bezpośredniej reakcji pierwiastków:
2E + 3X2 → EX3
W przypadku nadmiaru fluorowca powstają pentahalogenki (EX5).
Gazowe cząsteczki EX3 (NCl3, NF3, PCl3, PF3) mają struktury piramidalne. Chlorki i bromki
tworzą sieci cząsteczkowe. AsJ3, SbJ3, BiJ3 mają struktury warstwowe oparte na gęstym
ułożeniu heksagonalnym atomów jodu.
Trihalogenki ulegają hydrolizie w środowisku wodnym:
EX3 + H2O → EOX + 2HX
PF5, AsF5, SbF5 są silnymi akceptorami jonu fluorkowego (tworzą jony MF6¯).
PF5 oraz AsF5 są stosowane jako katalizatory w procesach polimeryzacji jonowej.
Związki tlenowe azotu
Azot tworzy tlenki na różnych stopniach utlenienia:
N2O (tlenek diazotu),
NO (tlenek azotu),
NO2(ditlenek azotu),
N2O3(tritlenek diazotu),
N2O5(pentatlenek diazotu).
Pozostałe pierwiastki grupy V tworzą dwa typy tlenków E2O3 oraz E2O5. Trwałość tlenków E2O5
maleje w miarę przechodzenie w dół grupy.
Charakter tlenków E2O3 zmienia się od wyraźnie kwasowego (tlenki azotu i fosforu), poprzez
amfoteryczny (tlenki arsenu i antymonu) do zasadowego (tlenek bizmutu):
N2O3 + H2O → 2HNO2 — kwas azotowy(III)
As2O3 + 6HCl → 2AsCl3 + 3H2O — chlorek arsenu(III)
As2O3 + 3NaOH → Na3AsO3 + 3H2O — arsenian(V) sodu
Bi2O3 + 3H2O → 2Bi(OH)3 — wodorotlenek bizmutu
Kwasy tlenowe
Wszystkie tlenki typu E2O5 wykazują właściwości kwasowe.
N2O5 tworzy w reakcji z wodą kwas azotowy(V):
N2O5 + H2O → 2HNO3
W rekcji P2O5 z wodą można otrzymać 3 kwasy fosforowe:
P2O5 + H2O → 2HPO3 — kwas metafosforowy(V)
P2O5 + 2H2O → H4P2O7 — kwas pirofosforowy(V) lub difosforowy(V)
P2O5 + 3H2O → 2H3PO4 — kwas ortofosforowy(V) lub fosforowy(V)
As2O5 oraz Sb2O5 tworzą odpowiedniki kwasu fosforowego:
As2O5 + 3H2O → 2H3AsO4 — kwas arsenowy(V)
Sb2O5 + 3H2O → 2H3SbO4 — kwas antymonowy(V)
Kwas azotowy jest mocnym kwasem. Stężony HNO3 jest silnym środkiem utleniającym.
Rozpuszcza wszystkie metale z wyjątkiem złota i niektórych platynowców.
Kwas fosforowy, arsenowy i antymonowy są słabymi kwasami. Kwas bizmutowy nie jest znany,
ale istnieją jego sole — bizmutany.
Ujemne stopnie utlenienia azotu w związkach
Najbardziej znanym związkiem azotu (-3) jest amoniak NH3. Ze względu na polarny charakter
łatwo rozpuszcza się w wodzie, a roztwory amoniaku mają charakter zasadowy:
NH3 + H2O → NH4+ + OH¯
Związkiem azotu na stopniu utlenienia (-2), podobnym pod wieloma względami do amoniaku
jest hydrazyna N2H4. W roztworach wodnych zachowuje się jak zasada:
N2H4 + H2O → N2H5+ + OH¯
Przykładem związku azotu na stopniu utlenienia (-1) jest hydroksylamina NH2OH, którą można
uważać za pochodną NH3, otrzymana przez zastąpienie jednego atomu wodoru grupą OH.
Wodne roztwory hydroksylaminy wykazują właściwości zasadowe, podobnie jak amoniak i
hydrazyna:
NH2OH + H2O → NH3OH+ + OH¯
Związki z siarką
Azotowce (z wyjątkiem azotu) tworzą połączenia z siarką w wyniku bezpośredniej reakcji lub
działania siarkowodorem na roztwory zawierające pierwiastek 15 grupy na stopniu utlenienia
+3 lub +5.
Fosfor tworzy 4 rodzaje siarczków w wyniku bezpośredniej reakcji: P4S3, P4S5, P4S7, P4S10.
Arsen tworzy siarczki: As4S3, As4S4, As2S3, As2S5. Dwa ostatnie można wytrącić z roztworów
zawierających As(III) i As(V) za pomocą siarkowodoru:
2AsCl3 + 3H2S → As2S3 + 6HCl
Antymon i bizmut tworzą siarczki Sb2S3 i Bi2S3 w wyniku bezpośredniej reakcji pierwiastków
lub wytrącenia siarkowodorem z roztworów zawierających Sb(III).