第 15 组元素——氮族

由 Dimitri Mendeleev 设计的当代元素周期表根据原子序数列出了所有已知元素，原子序数对每个元素都是唯一的。元素周期表是这种安排的结果。具有可比质量的项目被分组在一个列中。

Nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth are all part of Group 15. There is a transition from non-metallic to metallic through metalloidic property as we move down the group. Non-metals are nitrogen and phosphorus, metalloids are arsenic and antimony, while bismuth is a typical metal.

第 15 组元素的出现

• 分子氮占大气体积的 78% 以上。它以硝酸钠、NaNO3（也称为智利硝石）和硝酸钾（印度硝石）的形式存在于地壳中。
• 植物和动物都以蛋白质的形式含有它。磷存在于磷灰石族矿物中，磷灰石是磷矿石的主要成分。
• 磷是一种存在于动植物物质中的矿物质。它可以在活细胞和死细胞中找到。牛奶和鸡蛋都含有磷蛋白。硫化物矿物是砷、锑和铋的最常见形式。

第 15 组元素的周期性趋势

当您继续浏览第 15 组元素时，从最轻的开始到最重的结束，您将在列表中看到一般的属性流。例如，氮是一种非金属气体，但随着我们在该组中的发展，我们会遇到准金属，最后遇到金属，例如铋。这些元素周期表模式有助于理解原子行为以及预测新元素。

• 电子配置

这些元素的价层的电构型为ns ² np ³ 。这些元素具有完全填充的 s 轨道和半填充的 p 轨道，使得它们的电结构非常稳定。

• 原子和Ionic半径

共价和离子（在某种状态下）化合物的半径随着它们在基团中的进展而增大。从 N 到 P，共价半径急剧增加。然而，从 As 到 Bi 的共价半径仅适度增加。较重成员中完全填充的 d 和/或 f 轨道的存在解释了这一点。

• 电离焓

由于原子尺寸的逐渐增加，电离焓下降。 15族元素的电离焓在等效周期内明显大于14族元素的电离焓，这是由于半填充p轨道电构型更加稳定和尺寸更小。正如所料，连续电离焓的顺序是

ΔH ₁ < ΔH ₂ < ΔH ₃

• 电负性

随着原子尺寸的增加，电负性值通常会下降。然而，较重元素之间的差距不太明显。

物理性质

• 该组的元素都是多原子的。所有其他元素都是固体，除了二氮，它是一种双原子气体。
• 该组的金属方面随着它的进步而变得更强。非金属是氮和磷，准金属是砷和锑，铋是金属。这是由于原子尺寸的增加和电离焓的降低。
• 一般来说，沸点在该组中从上到下上升，尽管熔点上升到砷，然后下降到铋。
• 除氮外，所有元素都表现出同素异形体。

化学性质

• 化学反应的氧化态和趋势

这些元素最常见的氧化态是–3、+3 和+5。由于尺寸和金属性质的增加，呈现–3 氧化态的趋势在组内减少。铋是该组的最终成分，很少产生任何处于–3 氧化态的化合物。 +5 氧化态的稳定性随着您在组中的进展而降低。 BiF ₅是唯一被彻底研究过的Bi(V)化合物。 +5 氧化态的稳定性随着基团的进展而降低，而 +3 态的稳定性提高（由于惰性对效应）。当氮与氧结合时，它的氧化态为+1、+2 和+4。在几种含氧酸中，磷的氧化态为+1 和+4。

由于只有四个轨道（一个 s 和三个 p）可用于键合，因此氮的最大共价键只能是四个。较重的元素在其最外壳中包含未占据的 d 轨道，可用于键合（共价）并因此扩大它们的共价，如PF6 ^–所示。

• 氮的异常性质

氮与该组的其他成员的区别在于其体积小、电负性高、电离焓高和缺乏 d 轨道可用性。氮具有独特的能力，可以与自身和其他富含电负性的微小元素（例如 C、O）形成 pp 多重键。该组的较重元素不会形成 pp 键，因为它们的原子轨道太大且扩散而无法有效重叠。因此，氮是在两个原子（一个 s 和两个 p）之间具有三键的双原子分子。因此，它的键焓非常高。

另一方面，磷、砷和锑分别以 P-P、As-As 和 Sb-Sb 形式形成单键，而铋在其元素状态下形成金属键。然而，由于键长小，由于非键合电子的高电子间排斥，单 N-N 键比单 P-P 键弱。结果，氮中的连锁倾向较弱。影响氮化学的另一个因素是其价壳中缺乏 d 轨道。

示例问题

问题 1：当我们在同一周期内从左向右移动时，p-block 元素的原子大小会发生什么变化？

回答：

In the same time span, the size of the atoms of the elements decreases from left to right. The electrons are added to the same shell because the row is the same. The increase in atomic number, on the other hand, represents the increase in protons, i.e. the positive charge. As a result, the total effective nuclear charge rises. As a result, the electron cloud is dragged even closer to the atom’s nucleus. As a result, the size shrinks.

问题2：什么是共价？

回答：

The number of electrons that an atom can share to form chemical bonds is referred to as its covalency. It is usually the number of bonds formed by the atom. 

问题3：氮原子的最大共价键是多少？

回答：

Nitrogen atoms can share up to four electrons, one in the s-subshell and three in the p-subshell. Furthermore, the lack of d-orbitals limits its covalency to four.

问题4：为什么氮的链状倾向很差？

回答：

The N – N single bond is extremely weak and unstable due to the high magnitude of inter-electronic repulsions of non-bonding electrons, which is caused by the short bond length of the single bond. As a result of the aforementioned factors, the catenation tendency weakens, resulting in instability.

问题 5：Haber-Bosch 工艺的主要产品是什么？

回答：

Ammonia is the primary byproduct of the Haber-Bosch process.