Struktura, vlastnosti a chování p3-p1 a jejich sloučenin

p3
 Prvky 15. skupiny, dusík N, fosfor P, arsen As, antimon Sb, bismut Bi, Ununpentium
Uup
 Vytvářejí většinou kovalentní vazby, mají 5 valenčních elektronů – ns2 np3
 V základním stavu mohou tvořit tři, v excitovaném (s výjimkou dusíku) pět
jednoduchých vazeb
 S rostoucím protonovým číslem vzrůstá kovový charakter a klesá stabilita oxidačního
stavu V
Fyzikální a chemické vlastnosti:
DUSÍK – Dusík je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, ve vodě málo rozpustný. Tvoří velmi
stabilní dvouatomovou molekulu (trojnásobná vazba) ve všech skupenstvích. Díky tomu je
chemicky velmi stálý a málo reaktivní. Může vytvořit tři kovalentní a jednu koordinačně
kovalentní vazbu. Ve sloučeninách se mohou vyskytovat i delokalizované π- vazby, což vede
k výskytu sloučenin s různými oxidačními čísly dusíku (od –III do V). Je schopen vytvářet
vodíkové můstky.
FOSFOR – Fosfor se výrazně odlišuje od dusíku fyzikálními vlastnostmi i typem vazeb. Netvoří
běžně násobné vazby, ale má sklon k řetězení. Je to pevná látka, vyskytující se ve 3
alotropických modifikacích (viz níže). Oxidační čísla jsou -III, I, III, (IV) V.
ARSEN – Je to toxický (oblíbený jed ve středověku) polokovový prvek. Po chemické stránce
se podobá fosforu, jeho sloučeniny jsou ale méně stálé. Vyskytuje se v oxidačních stavech –
III, III a V.
ANTIMON – Tvoří podobné sloučeniny jako arsen, projevuje se u něj ale výraznější kovový
charakter. Antimon podobně jako arsen sublimuje, v plynné fázi obsahuje molekuly Sb4.
Oxidační čísla jsou -III, III, IV, V.
BISMUT – Od ostatních prvků 15. skupiny se vlastnostmi značně odlišuje, je už téměř
typickým kovem. Je to narůžovělá, lesklá, křehká tuhá látka. Má nízkou teplotu tání a je
špatným vodičem tepla i elektřiny.
UNUNPENTIUM je uměle připravený prvek o neznámých vlastnostech. Jeho nejstabilnější
izotop je 288Uup s poločasem rozpadu 87 milisekund. Poprvé byl vyroben v roce 2004
v Rusku.
Výskyt:
DUSÍK – V přírodě je dusík obsažen jednak volný ve vzduchu (φ = 78,1 %), jednak vázaný
v anorganických (např. chilský ledek NaNO3, draselný ledek KNO3, amonné soli, dusitany,…)
i organických sloučeninách (např. bílkoviny, chlorofyl). Vzhledem
všech svých anorganických solí se téměř
nevyskytuje v běžných horninách,
s výjimkou zmíněného chilského ledku,
který pravděpodobně vznikl rozkladem
rostlinných a živočišných látek zejména
na chilském pobřeží.
FOSFOR – V přírodě se fosfor vyskytuje
pouze vázaný, zejména jako apatit
Ca3(PO4)2.CaX2, kde X je halogen nebo
skupina OH- . Fosfor je také součástí živé
přírody, je obsažen v zubní sklovině a
kostech jako fosforečnan vápenatý,
fosfát (zbytek kyseliny trihydrogenfosforečné) je součástí DNA/RNA, ATP/GTP, fosfolipidů a
koenzymů NAD/NADP.
ARSEN – Významnými minerály jsou disulfid-diarsenid železnatý – arsenopyrit FeAsS,
auripigment As2S3 a nikelin NiAs, které bývají součástí sulfidických rud.
ANTIMON – V přírodě antimon doprovází zejména sulfidy mědi, olova a stříbra, ryzí se
vyskytuje zřídka. Technický význam mají minerály antimonit Sb2S3 (surma) a pyrargirit
Ag3SbS3.
BISMUT – V přírodě se vyskytuje ryzí i ve sloučeninách, zejména jako oxid bismutitý Bi2O3 a
sulfid – bismuthin Bi2S3.
Alotropické modifikace:
FOSFOR se vyskytuje ve třech hlavních modifikacích. Bílý fosfor je voskově měkký, lehce se
krájí, nerozpouští se ve vodě, je jedovatý a značně reaktivní, na vzduchu samozápalný (musí
se uchovávat např. ve vodě). Ve tmě jeho páry fosforeskují, díky oxidaci par vzdušným O2, při
které vzniká světlo. Tvoří ho jednotlivé molekuly P4. Červený fosfor je méně reaktivní, není
jedovatý a nesvětélkuje. Červený fosfor vzniká zahřátím bílého fosforu v inertním prostředí
na 250°C v uzavřené nádobě. Tato přeměna probíhá i za normálních podmínek působením
světla, ale velmi pomalu. Tvoří ho řetězce Pn. Černý fosfor je krystalická látka tmavě šedé
barvy a kovového lesku. Fyzikálně se černý fosfor podobá kovům (např. vede elektrický
proud) a je ze všech modifikací nejméně reaktivní. Má vrstvenou polymerní strukturu.
Existují i další modifikace, jako třeba fialový fosfor nebo difosfor.
ARSEN se vyskytuje ve dvou hlavních alotropických modifikacích. Kovový (šedý) arsen je
ocelově šedá, kovově lesklá, křehká a málo vodivá látka. Při teplotě 633 °C kovový arsen
sublimuje a plynná fáze obsahuje molekuly As4. Páry arsenu páchnou po česneku. Žlutý arsen
je metastabilní fáze, která vzniká prudkým ochlazením par arsenu. Rychle se mění v šedou
modifikaci. Žlutý arsen je obdobou bílého fosforu – je to měkká voskovitá látka. Naprosto
stejná je situace u antimonu.
Příprava, výroba a použití:
DUSÍK se připravuje termickým rozkladem dusitanu amonného: .
Vyrábí se frakční destilací zkapalnělého vzduchu. Dusík se používá pro svou malou reaktivitu
k vytváření inertní atmosféry, k hašení důlních požárů a k plnění žárovek. Je hlavní
surovinou pro výrobu amoniaku. Kapalný dusík je významným chladícím mediem.
FOSFOR se laboratorně většinou nepřipravuje. Základem průmyslové výroby elementárního
(bílého) fosforu je redukce fosforečnanů koksem (uhlíkem) za přítomnosti křemenného
písku v elektrické peci podle rovnic: a
. Červený fosfor se připravuje z bílého za nepřístupu vzduchu
při 350°C. Fosfor se používá k výrobě kyseliny fosforečné (cca 80 %), zbytek k výrobě
dalších sloučenin fosforu, zápalek a pro pyrotechnické účely.
ARSEN – Výroba elementárního arsenu z arsenopyritu spočívá v oxidačním pražení a
následném zachycování těkavého oxidu arsenitého. Arsen se používá jako přísada do
ložiskových kovů, některých bronzů a do olova na výrobu broků. Maximum jeho využití se
však soustřeďuje do oblasti elektroniky. Např. arsenid gallia GaAs se používá pro výrobu LED
diod. Všechny jeho rozpustné sloučeniny jsou jedovaté a používají se např. jako herbicidy.
ANTIMON – Vyrábí se pražením antimonitu a redukcí vzniklého oxidu uhlíkem. Používá se k
výrobě slitin s olovem (tzv. tvrdé olovo se 6 – 22 % Sb) nebo s olovem a cínem (liteřina).
BISMUT – Vyrábí se redukcí oxidických rud uhlíkem. Sulfidické rudy je třeba napřed převést
oxidačním pražením na oxidy. Bismut slouží k výrobě snadno tavitelných slitin, např. pro
výrobu elektrických pojistek. Je to např. Woodův kov (Cd:Sn:Pb:Bi = 1:1:2:4) s teplotou tání
71°C nebo Roseův kov (Sn:Pb:Bi = 1:1:2) s teplotou tání 94°C.
Sloučeniny:
DUSÍK – Mezi nejdůležitější sloučeniny dusíku patří amoniak, oxidy dusíku a kyselina dusičná.
Amoniak NH3 se připravuje Haber-Boschovou syntézou
→ . Je
to bezbarvý, jedovatý plyn pronikavého čpavého zápachu (proto se mu také říká čpavek). Je
snadno zkapalnitelný a dobře rozpustný ve vodě. Amonné soli jsou tuhé, většinou bílé
krystalické látky, obsahující kation NH4
+. Připravují se zaváděním amoniaku do roztoku
kyseliny. Jsou dobře rozpustné ve vodě a jsou zcela disociovány. Podobají se draselným
solím. Dusičnan amonný NH4NO3 se používá jako průmyslové hnojivo (ve směsi s
vápenatými solemi) a k výrobě bezpečnostních trhavin. Kyselina dusičná HNO3 se
průmyslově vyrábí nepřímou katalytickou oxidací amoniaku. Má silné oxidační účinky,
rozpouští většinu neušlechtilých a řadu ušlechtilých kovů. Směs koncentrovaných kyselin
chlorovodíkové a dusičné v objemovém poměru 3 : 1 (lučavka královská) rozpouští i zlato a
některé platinové kovy. Kyselina dusičná i dusičnany mají velké využití při výrobě
průmyslových hnojiv, plastů, léčiv, výbušnin, barviv, apod. Oxid dusný N2O (rajský plyn) je
bezbarvý plyn příjemného zápachu. Pro své narkotické účinky se používá v lékařství. Ve vodě
se nerozpouští. Oxid dusnatý NO je bezbarvý, ve vodě málo rozpustný plyn. Vzniká přímou
syntézou z prvků nebo oxidací amoniaku. Je to důležitý meziprodukt při výrobě kyseliny
dusičné. Oxid dusičitý existuje ve formě bezbarvého dimeru N2O4 nebo hnědočerveného
monomeru NO2. Při teplotách pod 150 °C je mezi oběma formami rovnovážný stav, při
vyšších teplotách je plyn ve formě monomeru. NO2 je konečným produktem oxidace NO kyslíkem. Ve vodě se rozpouští za vzniku směsi kyselin dusičné a dusité
. Azoimid HN3 je silně explozivní kapalina se strukturou H–N–N–N. S vodou reaguje za vzniku středně silné kyseliny azidovodíkové. Její soli – azidy, zejména azidy
některých těžkých kovů (Cu, Ag, Pb, Hg), jsou prudce explozivní. Rozkladem uvolňují velký
objem dusíku. Azid sodný se používá v air-bagu.
FOSFOR – Oxid fosforitý P4O6 vzniká hořením fosforu při nedostatku kyslíku. Jde o bílou, krystalickou, prudce jedovatou látku. Snadno se oxiduje na P4O10. Ve vodě se rozpouští na kyselinu trihydrogenfosforitou. Oxid fosforečný P4O10 se připravuje spalováním fosforu v přebytku vzduchu. Je to bílá sněhovitá látka, která po osvětlení silně zeleně fosforeskuje. Při teplotě 360 °C sublimuje. Kyselina trihydrogenfosforečná H3PO4 je bílá krystalická látka s nízkým bodem tání (43,2 °C), snadno rozpustná ve vodě. Je to trojsytná, středně silná kyselina, která tvoří tři řady solí. Kyselina slouží k povrchovým úpravám kovů (fosfátování) a jako odrezovač. Fosfan PH3 je obdobou amoniaku, je ale těkavější a méně stálý. Je to bezbarvý, jedovatý, po česneku páchnoucí plyn. Je jen slabě zásaditý. Na vzduchu je samozápalný.
ARSEN – Arsan AsH3 je bezbarvý, silně páchnoucí, prudce jedovatý plyn. Je nestálý, termicky se rozkládá na prvky, přičemž na skle vytváří tzv. arsenové zrcátko. Dalším zahřátím lze vrstvičku arsenu odsublimovat. Tento důkaz arsenu je tak citlivý, že se používá i v kriminalistice k prokázání otravy arsenikem. Oxid arsenitý As4O6 (arsenik) je prudce jedovatá látka, vznikající hořením arsenu na vzduchu. Se zásaditými oxidy dává arsenitany, které lze zoxidovat na arseničnany. Používá se jako jed na myši a krysy.
ANTIMON – Stiban SbH3 je nestálá, snadno zapalitelná, zapáchající plynná látka, rozkládající se zahřátím na prvky za vytvoření antimonového zrcátka na povrchu skla. Vrstvička kovového antimonu však na rozdíl od arsenového zrcátka netěká, což umožňuje rozlišení sloučenin arsenu a antimonu. Oxid antimonitý Sb4O6 vzniká jako bílý dým při hoření antimonu na vzduchu. Je amfoterní, se silnými kyselinami reaguje za vzniku antimonitých solí, s alkalickými hydroxidy poskytuje antimonitany. Používá se jako bílý pigment do emailů.
BISMUT – Oxid bismutitý Bi2O3 je žlutý prášek výrazně zásaditých vlastností. Používá se ve sklářství na výrobu optických skel s vysokým indexem lomu.