Пниктоген

Пниктогеновые ^[1] ( / р п ɪ к т ə dʒ ə п / или / п ɪ к т ə dʒ ə п / ; от Древнегреческий : πνῑγω "задушить" и -GEN , "генератор") является любой из химических элементов в группе  15 периодической таблицы . Эта группа также известна как семейство азота . В его состав входят азот (N),фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi) и, возможно, химически не охарактеризованный синтетический элемент московий (Mc).

В современной нотации ИЮПАК это называется Группа 15 . В CAS и старых системах IUPAC это называлось Group V A и Group V B соответственно (произносится как «группа пять A» и «группа пять B», «V» вместо римской цифры 5). ^[2] В области полупроводниковой физики, он по - прежнему обычно называется группа V . ^[3] «Пятерка» («V») в исторических названиях происходит от « пентавалентности » азота,отражается стехиометрией таких соединений , как N ₂ O ₅. Их также называли пентелами .

Характеристики [ править ]

Химическая [ править ]

Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют сходные паттерны электронной конфигурации , особенно в самых внешних оболочках, что приводит к тенденциям ^{[ требуется уточнение ]} в химическом поведении.

Эта группа имеет определяющую характеристику, заключающуюся в том, что все составляющие элементы имеют 5 электронов в своей внешней оболочке , то есть 2 электрона в подоболочке s и 3 неспаренных ^{[ релевантных? - обсудить ]} электроны в p подоболочке. Таким образом, им не хватает 3 электронов, чтобы заполнить внешнюю электронную оболочку в неионизированном состоянии. Рассел-Сондерс термин символ основного состояния во всех элементах в группе ⁴ S _{³ / 2} .

Наиболее важными элементами этой группы являются азот (N), который в своей двухатомной форме является основным компонентом воздуха, и фосфор (P), который, как и азот, необходим для всех известных форм жизни.

Соединения [ править ]

Бинарные соединения группы можно вместе называть пниктидами . Соединения пниктидов обычно экзотичны . Некоторые пниктиды обладают различными свойствами, включая диамагнитность и парамагнитность при комнатной температуре, прозрачность и выработку электричества при нагревании. Другие пниктиды включают тройные пниктиды из основной группы редкоземельных элементов. Они имеют форму RE _a M _b Pn _c , где M представляет собой группу углерода или элемент группы бора, а Pn представляет собой любой пниктоген, кроме азота. Эти соединения находятся между ионными и ковалентнымисоединения и, таким образом, обладают необычными связующими свойствами. ^[4]

Эти элементы также известны своей стабильностью в соединениях из-за их тенденции к образованию двойных и тройных ковалентных связей . Это свойство этих элементов обуславливает их потенциальную токсичность , которая наиболее очевидна в отношении фосфора, мышьяка и сурьмы. Когда эти вещества вступают в реакцию с различными химическими веществами организма, они создают сильные свободные радикалы, которые не легко перерабатываются печенью, где они накапливаются. Парадоксально, но именно эта сильная связь вызывает снижение токсичности азота и висмута (когда они находятся в молекулах), поскольку они образуют прочные связи с другими атомами, которые трудно расщепить, создавая очень инертные молекулы. Например, N ₂ , двухатомныйформа азота, используется в качестве инертного газа в ситуациях, когда использование аргона или другого благородного газа было бы слишком дорогим.

Формированию множественных связей способствуют их пять валентных электронов, тогда как правило октетов разрешает пниктогену принимать три электрона при ковалентной связи. Поскольку 5  >  3, он оставляет неиспользованными два электрона в неподеленной паре, если вокруг нет положительного заряда (как в NH+ 4). Когда пниктоген образует только три одинарные связи , эффекты неподеленной пары обычно приводят к треугольной пирамидальной геометрии молекулы .

Состояния окисления [ править ]

Легкие пниктогены (азот, фосфор и мышьяк) при восстановлении имеют тенденцию к образованию -3 заряда, завершая свой октет. При окислении или ионизации пниктогены обычно принимают степень окисления +3 (за счет потери всех трех электронов p-оболочки в валентной оболочке) или +5 (за счет потери всех трех электронов p-оболочки и обоих электронов s-оболочки в валентной оболочке) . Однако более тяжелые пниктогены с большей вероятностью образуют степень окисления +3, чем более легкие из-за того, что электроны s-оболочки становятся более стабилизированными. ^[5]

Степень окисления −3 [ править ]

Пниктогены могут реагировать с водородом с образованием гидридов пниктогенов, таких как аммиак . Спускаясь вниз по группе к фосфану ( фосфину ), арсану (арсину), стибану (стибину) и, наконец, висмутану (висмутину), каждый гидрид пниктогена становится все менее стабильным / более нестабильным, более токсичным и имеет меньший водород-водородный угол. (от 107,8 ° в аммиаке ^[6] до 90,48 ° в висмутане). ^[7] (Кроме того, технически только аммиак и фосфан имеют пниктоген в степени окисления -3, потому что в остальном пниктоген менее электроотрицателен, чем водород.)

Кристаллические твердые частицы, содержащие полностью восстановленные пниктогены, включают нитрид иттрия , фосфид кальция , арсенид натрия , антимонид индия и даже двойные соли, такие как фосфид алюминия, галлия, индия . К ним относятся полупроводники III-V , в том числе арсенид галлия , второй по распространенности полупроводник после кремния.

+3 степень окисления [ править ]

Азот образует ограниченное количество стабильных соединений III. Оксид азота (III) можно выделить только при низких температурах, а азотистая кислота нестабильна. Трифторид азота является единственным стабильным тригалогенидом азота, с трихлоридом азота , азот , трибромид и азот трийодид будет трийодид взрывчатого азотом быть настолько чувствительными к ударам , что прикосновение пера взрывает его. Фосфор образует оксид + III, который стабилен при комнатной температуре, фосфористую кислоту и несколько тригалогенидов , хотя трииодид нестабилен. Мышьяк образует соединения + III с кислородом в виде арсенитов ,мышьяковистая кислота и оксид мышьяка (III) , и он образует все четыре тригалогенида. Сурьма образует оксид сурьмы (III) и антимонит, но не оксикислоты. Его тригалогениды, трифторид сурьмы , трихлорид сурьмы , бромид сурьма , и иодид сурьма , как и все пниктогеновых тригалоидные, каждый из которых имеет тригональный пирамидальную геометрию молекул .

Степень окисления +3 является наиболее распространенной степенью окисления висмута, потому что его способности образовывать степень окисления +5 препятствуют релятивистские свойства более тяжелых элементов , эффекты, которые еще более выражены в отношении московия. Висмут (III) образует оксид , оксихлорид , оксинитрат и сульфид . Согласно прогнозам, московий (III) ведет себя аналогично висмуту (III). Согласно прогнозам, московий образует все четыре тригалогенида, все из которых, кроме трифторида, будут растворимы в воде. Также прогнозируется образование оксихлорида и оксибромида в степени окисления + III.

+5 степень окисления [ править ]

Для азота состояние +5 обычно служит только формальным объяснением таких молекул, как N 2 O 5 , поскольку высокая электроотрицательность азота приводит к тому, что электроны распределяются почти равномерно. ^{[ требуется пояснение ]} Соединения пниктогена с координационным числом  5 являются гипервалентными . Фторид азота (V) является теоретическим и не синтезируется. «Истинное» состояние +5 более характерно для по существу нерелятивистских типичных пниктогенов фосфора , мышьяка и сурьмы , как показано в их оксидах, оксиде фосфора (V) ,мышьяк (V) , оксид и оксид сурьмы (V) , и их фториды, фосфора (V) , фторид , мышьяк (V) , фторид , сурьмы (V) , фторид . По крайней мере, два из них также образуют родственные фторид-анионы, гексафторфосфат и гексафторантимонат , которые действуют как некоординирующие анионы . Фосфор даже образует смешанные оксидно-галогениды, известные как оксигалогениды , такие как оксихлорид фосфора , и смешанные пентагалогениды, такие как трифтордихлорид фосфора . Соединения пентаметилпниктогена (V) существуют для мышьяка , сурьмы и висмута.. Однако для висмута степень окисления +5 становится редкой из-за релятивистской стабилизации 6s-орбиталей, известной как эффект инертной пары , так что 6s-электроны не хотят связываться химически. Это приводит к тому, что оксид висмута (V) является нестабильным ^[8], а фторид висмута (V) становится более активным, чем другие пентафториды пниктогена, что делает его чрезвычайно мощным фторирующим агентом . ^[9] Этот эффект еще более выражен для московия, не позволяя ему достичь степени окисления +5.

Другие степени окисления [ править ]

• Азот образует множество соединений с кислородом, в которых азот может принимать различные степени окисления, включая + II, + IV и даже некоторые соединения со смешанной валентностью и очень нестабильную степень окисления + VI .
• В гидразине , дифосфане и их органических производных атомы азота / фосфора имеют степень окисления -2. Точно так же диимид , который имеет два атома азота, связанных двойной связью друг с другом, и его органические производные имеют азот в степени окисления -1.
  • Точно так же реальгар имеет связи мышьяк-мышьяк, поэтому степень окисления мышьяка составляет + II.
  • Соответствующим соединением для сурьмы является Sb ₂ (C ₆ H ₅ ) ₄ , где степень окисления сурьмы равна + II.
• Фосфор имеет степень окисления +1 в гипофосфорной кислоте и степень окисления +4 в гипофосфорной кислоте .
• Тетроксид сурьмы представляет собой соединение со смешанной валентностью , где половина атомов сурьмы находится в степени окисления +3, а другая половина - в степени окисления +5.
• Ожидается, что московий будет обладать инертным парным эффектом как для 7s, так и для 7p _1/2 электронов, поскольку энергия связи одиночного 7p _3/2 электрона заметно ниже, чем у 7p _1/2 электронов. Предполагается, что это приведет к тому, что + I будет обычным состоянием окисления для московия, хотя это также происходит в меньшей степени для висмута и азота. ^[10]

Физический [ править ]

Пниктогены состоят из двух неметаллов (один газ, одно твердое тело), ​​двух металлоидов , одного металла и одного элемента с неизвестными химическими свойствами. Все элементы в группе являются твердыми при комнатной температуре , за исключением азота, который является газообразным при комнатной температуре. Азот и висмут, несмотря на то, что оба являются пниктогенами, очень разные по своим физическим свойствам. Например, на НТП азот - это прозрачный неметаллический газ, а висмут - серебристо-белый металл. ^[11]

В плотности этой подгруппы азота увеличивает в стороне более тяжелой подгруппы азота. Плотность азота 0,001251 г / см ³ на СТП . ^[11] Плотность фосфора составляет 1,82 г / см ³ на STP, мышьяка - 5,72 г / см ³ , сурьмы - 6,68 г / см ³ , а висмута - 9,79 г / см ³ . ^[12]

Температура плавления азота составляет -210 ° C, а температура кипения -196 ° C. Фосфор имеет температуру плавления 44 ° C и температуру кипения 280 ° C. Мышьяк - один из двух элементов, которые сублимируются при стандартном давлении; это происходит при 603 ° C. Температура плавления сурьмы составляет 631 ° C, а температура кипения - 1587 ° C. Температура плавления висмута составляет 271 ° C, а температура кипения - 1564 ° C. ^[12]

Nitrogen в кристаллическая структура является шестиугольной . Кристаллическая структура фосфора кубическая . Мышьяк, сурьма и висмут имеют ромбоэдрическую кристаллическую структуру. ^[12]

История [ править ]

Соединение азота нашатырь (хлорид аммония), как известно , со времен древних египтян. В 1760-х годах два ученых, Генри Кавендиш и Джозеф Пристли , выделили азот из воздуха, но ни один из них не осознал присутствие неоткрытого элемента. Лишь несколько лет спустя, в 1772 году, Дэниел Резерфорд понял, что газ действительно является азотом. ^[13]

Алхимик Хенниг Бранд впервые обнаружен фосфор в Гамбурге в 1669 году Брандт производства элемента путем нагрева испарившейся мочи и конденсации полученного пара фосфора в воде. Сначала Брандт думал, что он открыл Философский камень , но в конце концов понял, что это не так. ^[13]

Соединения мышьяка известны не менее 5000 лет, и древнегреческий Теофраст признал минералы мышьяка, называемые реальгаром и арипиментом . Элементарный мышьяк был открыт в 13 веке Альбертом Магнусом . ^[13]

Сурьма была хорошо известна еще в древности. В Лувре есть ваза возрастом 5000 лет, сделанная из почти чистой сурьмы . Соединения сурьмы использовались в красителях еще в вавилонские времена. Минерал сурьмы стибнит, возможно, был компонентом греческого огня . ^[13]

Висмут был впервые обнаружен алхимиком в 1400 году. Через 80 лет после открытия висмута он нашел применение в печати и украшении шкатулок . К 1500 году инки также использовали висмут в ножах. Первоначально считалось, что висмут - это то же самое, что и свинец, но в 1753 году Клод Франсуа Жоффруа доказал, что висмут отличается от свинца. ^[13]

Московий был успешно произведен в 2003 году путем бомбардировки атомов америция-243 атомами кальция-48 . ^[13]

Имена и этимология [ править ]

Термин «пниктоген» (или «пнигоген») происходит от древнегреческого слова πνίγειν ( pnígein ), означающего «задыхаться», имея в виду удушающие или задушающие свойства газообразного азота. ^[14] Он также может использоваться как мнемоника для двух наиболее распространенных членов, P и N. Термин «пниктоген» был предложен голландским химиком Антоном Эдуардом ван Аркелем в начале 1950-х годов. Его также пишут «пникоген» или «пнигоген». Термин «пникоген» встречается реже, чем термин «пниктоген», и соотношение академических исследовательских работ, использующих «пниктоген», к тем, которые используют «пникоген», составляет 2,5: 1.^[4] Оно происходит от греческого корня πνιγ-(задушить, задушить), и, таким образом, слово «пниктоген» также является ссылкой на голландские и немецкие названия азота ( stikstof и Stickstoff , соответственно, «удушающее вещество»: то есть вещество в воздухе, не поддерживающее дыхание). Следовательно, «пниктоген» можно перевести как «создатель удушья». Слово «пниктид» также происходит от того же корня. ^[14]code: deu повышен до code: de

Имя pentels (от греческого πέντε , Pente , пять) , также в свое время выступал за эту группу. ^[15]

Возникновение [ править ]

Азот составляет 25 частей на миллион земной коры , в среднем 5 частей на миллион почвы, от 100 до 500 частей на триллион морской воды и 78% сухого воздуха. Большая часть азота на Земле находится в форме газообразного азота, но некоторые нитратные минералы все же существуют. Азот составляет 2,5% от веса обычного человека. ^[13]

Фосфор составляет 0,1% земной коры, что делает его 11-м наиболее распространенным элементом . Фосфор составляет 0,65 частей на миллион почвы и от 15 до 60 частей на миллиард морской воды. Доступных фосфатов на Земле 200 Мт . Фосфор составляет 1,1% от веса обычного человека. ^[13] Фосфор встречается в минералах семейства апатита, которые являются основными компонентами фосфатных пород.

Мышьяк составляет 1,5 части на миллион земной коры, что делает его 53-м по численности элементом в ней. Почвы содержат от 1 до 10 частей на миллион мышьяка, а морская вода - 1,6 частей на миллиард мышьяка. Мышьяк составляет 100 частей на миллиард веса обычного человека. Некоторое количество мышьяка существует в элементарной форме, но большая часть мышьяка содержится в минералах мышьяка , а также в реальгаре , арсенопирите и энаргите . ^[13]

Сурьма составляет 0,2 части на миллион земной коры, что делает ее 63-м по численности элементом в ней. Почвы содержат в среднем 1 часть на миллион сурьмы, а морская вода - в среднем 300 частей на триллион. Типичный человек содержит 28 частей на миллиард сурьмы по весу. Некоторое количество элементарной сурьмы встречается в месторождениях серебра. ^[13]

Висмут составляет 48 частей на миллиард земной коры, что делает его 70-м наиболее распространенным элементом. Почвы содержат примерно 0,25 частей на миллион висмута, а морская вода - 400 частей на триллион висмута. Висмут чаще всего встречается в виде минерала висмутинита , но висмут также встречается в элементарной форме или в сульфидных рудах. ^[13]

В ускорителях частиц московий производят сразу несколько атомов. ^[13]

Производство [ править ]

Азот [ править ]

Азот можно получить путем фракционной перегонки воздуха. ^[16]

Фосфор [ править ]

Основной метод получения фосфора - восстановление фосфатов углеродом в электродуговой печи . ^[17]

Мышьяк [ править ]

Большая часть мышьяка получается путем нагревания минерального арсенопирита в присутствии воздуха. При этом образуется As 4 O 6 , из которого мышьяк может быть извлечен путем восстановления углерода. Однако также можно получить металлический мышьяк путем нагревания арсенопирита при температуре от 650 до 700 ° C без кислорода. ^[18]

Сурьма [ править ]

В случае сульфидных руд способ производства сурьмы зависит от количества сурьмы в сырой руде. Если руда содержит от 25% до 45% сурьмы по весу, то сырую сурьму получают путем плавки руды в доменной печи . Если руда содержит от 45% до 60% сурьмы по весу, сурьму получают путем нагревания руды, также известного как ликвидация. Руды с содержанием сурьмы более 60% по весу химически замещаются железной стружкой из расплавленной руды, что приводит к образованию нечистого металла.

Если оксидная руда сурьмы содержит менее 30% сурьмы по весу, руда восстанавливается в доменной печи. Если руда содержит около 50% сурьмы по весу, руда вместо этого восстанавливается в отражательной печи .

Сурьмянистые руды со смешанными сульфидами и оксидами выплавляются в доменной печи. ^[19]

Висмут [ править ]

Минералы висмута действительно встречаются, в частности, в форме сульфидов и оксидов, но более экономично производить висмут в качестве побочного продукта при плавке свинцовых руд или, как в Китае, вольфрамовых и цинковых руд. ^[20]

Московиум [ править ]

Московий производится по несколько атомов за раз в ускорителях частиц , направляя пучок ионов кальция-48 в америций до тех пор, пока ядра не сливаются. ^[21]

Приложения [ править ]

• Жидкий азот - обычно используемая криогенная жидкость. ^[11]
• Азот в форме аммиака является важным питательным веществом для выживания большинства растений. ^{[11] На} синтез аммиака приходится около 1-2% мирового потребления энергии и большая часть восстановленного азота в пищевых продуктах.
• Фосфор используется в спичках и зажигательных бомбах . ^[11]
• Фосфорные удобрения помогают накормить большую часть мира. ^[11]
• Мышьяк исторически использовался как зеленый пигмент Парижа , но больше не используется из-за его чрезвычайной токсичности. ^[11]
• Мышьяк в виде мышьяковоорганических соединений иногда используется в кормах для кур. ^[11]
• Сурьма сплавлена ​​со свинцом, чтобы произвести некоторые пули. ^[11]
• Валюта сурьмы недолго использовалась в 1930-х годах в некоторых частях Китая, но это использование было прекращено, поскольку сурьма является одновременно мягкой и токсичной. ^[22]
• Субсалицилат висмута является активным ингредиентом пепто-бисмола . ^[11]

Биологическая роль [ править ]

Азот - это компонент молекул, жизненно важных для жизни на Земле, таких как ДНК и аминокислоты . Нитраты появляются в некоторых растениях из-за бактерий, присутствующих в узлах растения. Это наблюдается у зернобобовых растений, таких как горох ^{[ требуется разъяснение ]} или шпинат и салат. ^{[ необходима цитата ]} Типичный человек весом 70 кг содержит 1,8 кг азота. ^[13]

Фосфор в форме фосфатов входит в состав важных для жизни соединений, таких как ДНК и АТФ . Люди потребляют примерно 1 г фосфора в день. ^[23] Фосфор содержится в таких продуктах, как рыба, печень, индейка, курица и яйца. Дефицит фосфата - это проблема, известная как гипофосфатемия . Типичный человек весом 70 кг содержит 480 г фосфора. ^[13]

Мышьяк способствует росту цыплят и крыс и в небольших количествах может быть необходим для человека . Было доказано, что мышьяк способствует метаболизму аминокислоты аргинина . Типичный человек весом 70 кг содержит 7 мг мышьяка. ^[13]

Неизвестно, что сурьма играет биологическую роль. Растения потребляют лишь следовые количества сурьмы. Типичный человек весом 70 кг содержит примерно 2 мг сурьмы. ^[13]

Биологическая роль висмута неизвестна. Люди потребляют в среднем менее 20 мкг висмута в день. В типичном человеке весом 70 кг содержится менее 500 мкг висмута. ^[13]

Токсичность [ править ]

Газообразный азот совершенно нетоксичен , но вдыхание чистого азота смертельно опасно, поскольку вызывает удушье азотом . ^[22] Накопление пузырьков азота в крови, например пузырьков, которые могут возникнуть во время подводного плавания с аквалангом , может вызвать состояние, известное как «изгибы» ( декомпрессионная болезнь ). Многие соединения азота, такие как цианистый водород и взрывчатые вещества на основе азота , также очень опасны. ^[13]

Белый фосфор , аллотроп фосфора, токсичен, его смертельная доза составляет 1 мг на кг массы тела. ^[11] Белый фосфор обычно убивает людей в течение недели после приема внутрь, поражая печень . Вдыхание фосфора в газообразной форме может вызвать промышленное заболевание, называемое « фосфорная челюсть », которое разъедает челюстную кость. Белый фосфор также легко воспламеняется. Некоторые фосфорорганические соединения могут смертельно блокировать определенные ферменты в организме человека. ^[13]

Элементарный мышьяк токсичен, как и многие его неорганические соединения ; однако некоторые из его органических соединений могут способствовать росту цыплят. ^[11] Смертельная доза мышьяка для типичного взрослого человека составляет 200 мг и может вызвать диарею, рвоту, колики, обезвоживание и кому. Смерть от отравления мышьяком обычно наступает в течение суток. ^[13]

Сурьма умеренно токсична. ^[22] Кроме того, вино в контейнерах с сурьмой может вызвать рвоту . ^[11] При приеме в больших дозах сурьма вызывает рвоту у жертвы, которая затем выздоравливает и умирает через несколько дней. Сурьма присоединяется к определенным ферментам, и ее трудно удалить. Стибин , или SbH ₃ , гораздо более токсичен, чем чистая сурьма. ^[13]

Сам по себе висмут в значительной степени нетоксичен , хотя его чрезмерное употребление может повредить печень. Сообщалось, что только один человек умер от отравления висмутом. ^[13] Однако употребление растворимых солей висмута может сделать десны человека черными. ^[11]

Московий слишком нестабилен, чтобы проводить какие-либо химические исследования токсичности.

См. Также [ править ]

• Оксипниктид , в том числе сверхпроводники, открытые в 2008 году.
• Ферропниктид , в том числе оксипниктидные сверхпроводники.

Ссылки [ править ]