Potencjał jonizacji (ev)

Transkrypt

1 Azotowce Pierwiastek Konfiguracja elektronowa Potencjał jonizacji (ev) Temperatura topnienia ( 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 Temperatura wrzenia ( C) 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 EX 3, EX 5 5 Związki tlenowe azotu 6 Kwasy tlenowe 7 Ujemne stopnie utlenienia azotu w związkach 8 Związki z siarką

2 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 H 3 PO 4, H 3 AsO 4, Sb 2 O 3 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 N 2. Wysoka wartość entalpii dysocjacji N 2 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 Li 3 N. W wyższych temperaturach azot staje się bardziej reaktywny, zwłaszcza w obecności katalizatorów, które umożliwiają przebieg następujących reakcji: N 2 + 3H 2 2NH 3 N 2 + O 2 2NO N 2 + 3Mg Mg 3 N 2. Wodorki azotu Wszystkie pierwiastki grupy V tworzą gazowe wodorki typu EH 3 (symbolem E oznaczono atom pierwiastka V grupy), których trwałość maleje w szeregu NH 3 > PH 3 >AsH 3 > SbH 3 >BiH 3 (odpowiednie energie wiązań wynoszą: N-H, 391 kj/mol; P-H, 322 kj/mol; As-H, 247 kj/mol, Sb- H, 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-As- H (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.

3 Ciekły amoniak ulega autojonizacji: 2NH 3 NH 4 + NH 2. 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 EX 3, EX 5 Trihalogenki (z wyjątkiem PF 3 ) powstają w wyniku bezpośredniej reakcji pierwiastków: 2E + 3X 2 EX 3 W przypadku nadmiaru fluorowca powstają pentahalogenki (EX 5 ). Gazowe cząsteczki EX 3 (NCl 3, NF 3, PCl 3, PF 3 ) mają struktury piramidalne. Chlorki i bromki tworzą sieci cząsteczkowe. AsJ 3, SbJ 3, BiJ 3 mają struktury warstwowe oparte na gęstym ułożeniu heksagonalnym atomów jodu. Trihalogenki ulegają hydrolizie w środowisku wodnym: EX 3 + H 2 O EOX + 2HX PF 5, AsF 5, SbF 5 są silnymi akceptorami jonu fluorkowego (tworzą jony MF 6 ). PF 5 oraz AsF 5 są stosowane jako katalizatory w procesach polimeryzacji jonowej. Związki tlenowe azotu Azot tworzy tlenki na różnych stopniach utlenienia: N 2 O (tlenek diazotu), NO (tlenek azotu), NO 2 (ditlenek azotu), N 2 O 3 (tritlenek diazotu), N 2 O 5 (pentatlenek diazotu). Pozostałe pierwiastki grupy V tworzą dwa typy tlenków E 2 O 3 oraz E 2 O 5. Trwałość tlenków E 2 O 5 maleje w miarę przechodzenie w dół grupy. Charakter tlenków E 2 O 3 zmienia się od wyraźnie kwasowego (tlenki azotu i fosforu), poprzez amfoteryczny (tlenki arsenu i antymonu) do zasadowego (tlenek bizmutu): N 2 O 3 + H 2 O 2HNO 2 kwas azotowy(iii) As 2 O 3 + 6HCl 2AsCl 3 + 3H 2 O chlorek arsenu(iii) As 2 O 3 + 3NaOH Na 3 AsO 3 + 3H 2 O arsenian(v) sodu Bi 2 O 3 + 3H 2 O 2Bi(OH) 3 wodorotlenek bizmutu

4 Kwasy tlenowe Wszystkie tlenki typu E 2 O 5 wykazują właściwości kwasowe. N 2 O 5 tworzy w reakcji z wodą kwas azotowy(v): N 2 O 5 + H 2 O 2HNO 3 W rekcji P 2 O 5 z wodą można otrzymać 3 kwasy fosforowe: P 2 O 5 + H 2 O 2HPO 3 kwas metafosforowy(v) P 2 O 5 + 2H 2 O H 4 P 2 O 7 kwas pirofosforowy(v) lub difosforowy(v) P 2 O 5 + 3H 2 O 2H 3 PO 4 kwas ortofosforowy(v) lub fosforowy(v) As 2 O 5 oraz Sb 2 O 5 tworzą odpowiedniki kwasu fosforowego: As 2 O 5 + 3H 2 O 2H 3 AsO 4 kwas arsenowy(v) Sb 2 O 5 + 3H 2 O 2H 3 SbO 4 kwas antymonowy(v) Kwas azotowy jest mocnym kwasem. Stężony HNO 3 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 NH 3. Ze względu na polarny charakter łatwo rozpuszcza się w wodzie, a roztwory amoniaku mają charakter zasadowy: NH 3 + H 2 O NH OH Związkiem azotu na stopniu utlenienia (-2), podobnym pod wieloma względami do amoniaku jest hydrazyna N 2 H 4. W roztworach wodnych zachowuje się jak zasada: N 2 H 4 + H 2 O N 2 H OH Przykładem związku azotu na stopniu utlenienia (-1) jest hydroksylamina NH 2 OH, którą można uważać za pochodną NH 3, otrzymana przez zastąpienie jednego atomu wodoru grupą OH. Wodne roztwory hydroksylaminy wykazują właściwości zasadowe, podobnie jak amoniak i hydrazyna: NH 2 OH + H 2 O NH 3 OH + + OH

5 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: P 4 S 3, P 4 S 5, P 4 S 7, P 4 S 10. Arsen tworzy siarczki: As 4 S 3, As 4 S 4, As 2 S 3, As 2 S 5. Dwa ostatnie można wytrącić z roztworów zawierających As(III) i As(V) za pomocą siarkowodoru: 2AsCl 3 + 3H 2 S As 2 S 3 + 6HCl Antymon i bizmut tworzą siarczki Sb 2 S 3 i Bi 2 S 3 w wyniku bezpośredniej reakcji pierwiastków lub wytrącenia siarkowodorem z roztworów zawierających Sb(III).