普通化学/各种元素的化学性质/15族

氮族元素

15族（VA）包含氮、磷、砷、锑和铋。15族元素具有五个价电子。由于这些元素可以获得三个电子或失去五个电子以获得稳定的构型，因此它们更常形成共价化合物，除非与活性金属键合。它们的电子亲和力不太大。随着尺寸和质量的增加，金属特性从气态氮到几乎非金属的铋显着增加。氮和磷是非金属，砷和锑是准金属。

该族的元素被称为氮族元素，它们的化合物被称为氮化物。这个名称来源于希腊语pnicomigs，意思是窒息。

这些元素的反应活性远低于16族的元素，并且它们的化学性质更加复杂。这些元素的大部分化学性质处于+3或+5氧化态，尽管它们与氢形成-3氧化态的气态化合物：氨NH₃、磷化氢PH₃、砷化氢AsH₃、锑化氢AsH₃和铋化氢BiH₃；这些在氧气中燃烧都会生成氧化物或游离元素（氮的情况）。

$4{\hbox{NH}}_{3}+3{\hbox{O}}_{2}\to 6{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+2{\hbox{N}}_{2}$

所有元素都会形成氧化物——氮很难形成，其他元素很容易形成。大多数氧化物是酸性的，例外的是一氧化二氮N₂O、一氧化氮NO和三氧化二铋Bi₂O₃。除了氮之外，典型的氧化物处于+3或+5（铋除外）氧化态。所有元素都会形成卤化物——氮很难形成，但磷、砷和锑的卤化物在水中完全水解。

氮和磷在+5氧化态下形成重要的酸。氮形成硝酸HNO₃，一种用于制造药物和炸药的物质（但这种酸具有腐蚀性且危险，因此不要接触它，甚至不要将其洒在任何东西上），以及被称为硝酸盐的盐，例如硝酸钾KNO₃，一种重要的肥料。磷形成磷酸，H₃PO₄；磷酸盐是磷酸的盐。一些磷酸盐对呼吸作用以及生命本身至关重要。氮族元素的一般共价数为3。

氮

氮循环显示了氮如何在生物体和大气中传递。

氮自然以双原子气体N₂的形式存在。它约占我们呼吸的空气的78%。将两个氮原子结合在一起的键是三键共价键，因此非常强。正因为如此，氮的反应性非常低。当需要惰性气体时，它被广泛使用。但是，氮会与某些物质反应

$6{\hbox{Li}}_{(s)}+{\hbox{N}}_{2(g)}\to 2{\hbox{Li}}_{3}{\hbox{N}}_{(s)}$ $3{\hbox{Mg}}_{(s)}+{\hbox{N}}_{2(g)}\to {\hbox{Mg}}_{3}{\hbox{N}}_{2(s)}$	虽然氮气通常被认为是惰性的，但它确实会通过燃烧与某些元素发生反应。
**Li3N(s) + 3H2O → 3LiOH(aq) + NH3(g)** **Mg3N2(s) + 6H2O → 3Mg(OH)2(aq) + 2NH3(g)**	氮化物与水剧烈反应生成氨气和一种碱性溶液。

纯氮的用途并不广泛，并且吸入纯氮会使任何动物窒息。当氮作为氨、硝酸盐、氧化物或蛋白质等生物分子的组成部分时，它就变得更加重要。由于氮的惰性性质，使其难以发生反应并形成这些有用的物质。任何将元素氮转化为氮化合物的过程都称为固氮作用。固氮作用在生物学上很重要，因为氨基酸、蛋白质和酶都含有氮。它在商业上也很重要，因为它被用于炸药、火箭燃料和肥料。

有很多固氮反应。

**N2 + 8H+ + 8e- + 能量 → 2NH3 + H2**	这种反应发生在细菌酶中。氨 (NH3) 会迅速转化为铵 (NH4+)。细菌中的氮进入土壤，植物可以吸收它。食用这些植物的人类和动物可以获得有用的氮化合物。
**N2 + 3H2 ↔ 2NH3**	哈伯法用于工业生产氨。该反应仅在非常高的压力和温度（约 20 MPa 和 500 °C）以及铁催化剂存在下才能发生。此外，该反应发生在相对复杂的设备中，该设备必须输入纯净的反应物并提取氨。

在木星、土星、天王星和海王星的寒冷、稠密、富含氢的大气中，氮通常与氢结合形成氨。

请记住，氨在标准状况下是气体。“氨水”这种家用产品实际上是氢氧化铵 (NH₄OH) 的水溶液，当氨气溶解在水中时会形成它。氨与 16 族和 17 族元素的氢化物完全不同，在反应中表现为碱性，与弱酸和强酸都能形成盐。氯化铵 (NH₄Cl) 等物质是一种可溶的、强离子盐。

氮化合物通常极不稳定，因为氮化合物中的氮原子倾向于相互寻找并重新结合成氮气。许多氮化合物实际上是炸药，包括 TNT 和硝化甘油。这些炸药在建筑项目中被广泛用于拆除建筑物和其他新建筑的障碍物，或在采矿作业中获取矿物。

磷

白磷的原子结构

磷有两种常见的同素异形体：红磷和白磷。白磷 (P₄) 呈蜡状外观，暴露在光线下会变成黄色。在黑暗中暴露于氧气中时，它会发出淡绿色的光。

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白磷在除最温和的条件之外的所有条件下都会自燃。白磷的燃烧会产生五氧化二磷。

**P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀**

它最常见的用途之一是用于军事武器，这些武器会导致被击中的物体严重烧伤。

红磷是一种无定形固体。它更稳定，在比白磷更高的温度下爆炸。但是，它仍然具有危险的反应性。两种形式的磷都不溶于水，并且可以通过各种热、压和光照应用相互转化。

还存在黑磷和紫磷。与氮不同，磷不会轻易与三键形成双原子分子。二磷确实存在，但仅在 1200 °C 到 2000 °C 的温度范围内。

五氧化二磷与水强烈反应生成磷酸，磷酸是一种可以去除铁锈的物质，尤其是在船舶上；它通常被称为“海军冻胶”。但磷酸具有腐蚀性，不能接触皮肤。

磷以磷酸盐的形式存在于骨骼中以及称为ADP和ATP的物质中，这些物质在细胞中将食物转化为有用的能量，对生命至关重要。

其他

一块铋晶体，显示其色彩斑斓的虹彩光泽。

砷与磷相似。它有三种同素异形体：灰砷、黄砷和黑砷。灰砷是最常见的形式。其结构类似于石墨。

锑不具有金属的物理性质，但在化学上表现为非金属。

铋是一种易碎的银白色金属。铋实际上具有放射性，衰变成铊-205。由于其半衰期为19 x 10¹⁸年，大约是宇宙年龄的一百万倍，因此铋通常被认为是稳定的。

铋的放射性远低于生物体中几乎无害且不可避免的碳和钾的放射性同位素。与砷和锑不同，它的化合物除非化合物中的其他物质本身有毒，或者该物质具有很强的酸性或碱性，否则不会有毒。事实上，一种铋化合物在一种广泛使用的无需处方即可获得的胃药中非常常见。