第 15 族:氮族(磷族元素)
第 15 族包含氮、磷、砷、銻、鉍和人工合成元素鏌。每個原子都有五個最外層電子,其中三個是未成對的,所以較輕的成員通常形成三個鍵,如在氨(NH₃)中。與第 14 族一樣,這一行從頂端的非金屬一路變化到底部的金屬。
五個最外層電子:ns² np³
每種電子組態都以 ns² np³ 結尾,從氮([He] 2s² 2p³)到鉍([Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³)。距離八隅體還差三個電子,這些原子可以得到三個電子形成氮離子 N³⁻ 這類離子,或以共價鍵共用三個電子,如在氨和磷化氫(PH₃)中。
它們也表現出 +3 和 +5 的正氧化態。氮涵蓋的範圍最廣,從氨中的 −3 到硝酸(HNO₃)中的 +5,而位於底部的鉍主要是 +3。
從氣體到金屬
氮是由 N₂ 分子組成的氣體,在 63.15 K 熔化,而白磷是蠟狀固體,在 317.3 K 熔化。砷和銻是灰色的類金屬,鉍是易碎的金屬。電負度從氮的 3.04 降到磷的 2.19 和鉍的 2.02,第一游離能則減半,從 14.534 eV 降到 7.289 eV。密度從磷的 1.823 g/cm³ 攀升到鉍的 9.78 g/cm³。
你在哪裡會遇到第 15 族
氮約占空氣的 78%,氮和磷就是肥料袋上的 N 和 P。磷連接 DNA 的各個單元,並在 ATP 中儲存能量,紅磷則存在於火柴盒的摩擦面中。砷化合物是惡名昭彰的毒物,但砷化鎵卻用於高速電子產品。銻幫助塑膠耐火,鉍則出現在粉紅色的胃藥和防火灑水系統的合金中。
名稱與緩慢的驚奇
磷族元素(pnictogen)這個名稱來自希臘文中表示「窒息」的字,因為純氮氣會使人窒息。鉍長期以來被認為是最重的穩定元素,但 2003 年科學家發現鉍-209 有極其微弱的放射性,其半衰期超過宇宙年齡的十億倍。鏌(115)每次只製造出幾個原子,所以它的性質是預測的,而非測量得到的。
第 15 族:沿族向下的性質變化
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| 7 | 氮 | N | 5 | −3 | 3.04 | 155 | 63.15 K (-210 °C) | 1.251 g/L |
| 15 | 磷 | P | 5 | −3 | 2.19 | 180 | 317.3 K (44.2 °C) | 1.823 g/cm³ |
| 33 | 砷 | As | 5 | −3 | 2.18 | 185 | 1,090 K (816.8 °C) | 5.727 g/cm³ |
| 51 | 銻 | Sb | 5 | −3 | 2.05 | 206 | 903.78 K (630.6 °C) | 6.697 g/cm³ |
| 83 | 鉍 | Bi | 5 | +3, +5 | 2.02 | 207 | 544.7 K (271.6 °C) | 9.78 g/cm³ |
| 115 | 鏌 | Mc | 5 | — | — | — | — | — |