普通化學/各種元素的化學性質/15族

氮族元素

15族（VA）包含氮、磷、砷、銻和鉍。15族元素具有五個價電子。由於這些元素可以獲得三個電子或失去五個電子以獲得穩定的構型，因此它們更常形成共價化合物，除非與活性金屬鍵合。它們的電子親和力不太大。隨著尺寸和質量的增加，金屬特性從氣態氮到幾乎非金屬的鉍顯著增加。氮和磷是非金屬，砷和銻是準金屬。

該族的元素被稱為氮族元素，它們的化合物被稱為氮化物。這個名稱來源於希臘語pnicomigs，意思是窒息。

這些元素的反應活性遠低於16族的元素，並且它們的化學性質更加複雜。這些元素的大部分化學性質處於+3或+5氧化態，儘管它們與氫形成-3氧化態的氣態化合物：氨NH₃、磷化氫PH₃、砷化氫AsH₃、銻化氫AsH₃和鉍化氫BiH₃；這些在氧氣中燃燒都會生成氧化物或遊離元素（氮的情況）。

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

所有元素都會形成氧化物——氮很難形成，其他元素很容易形成。大多數氧化物是酸性的，例外的是一氧化二氮N₂O、一氧化氮NO和三氧化二鉍Bi₂O₃。除了氮之外，典型的氧化物處於+3或+5（鉍除外）氧化態。所有元素都會形成鹵化物——氮很難形成，但磷、砷和銻的鹵化物在水中完全水解。

氮和磷在+5氧化態下形成重要的酸。氮形成硝酸HNO₃，一種用於製造藥物和炸藥的物質（但這種酸具有腐蝕性且危險，因此不要接觸它，甚至不要將其灑在任何東西上），以及被稱為硝酸鹽的鹽，例如硝酸鉀KNO₃，一種重要的肥料。磷形成磷酸，H₃PO₄；磷酸鹽是磷酸的鹽。一些磷酸鹽對呼吸作用以及生命本身至關重要。氮族元素的一般共價數為3。

氮

氮迴圈顯示了氮如何在生物體和大氣中傳遞。

氮自然以雙原子氣體N₂的形式存在。它約佔我們呼吸的空氣的78%。將兩個氮原子結合在一起的鍵是三鍵共價鍵，因此非常強。正因為如此，氮的反應性非常低。當需要惰性氣體時，它被廣泛使用。但是，氮會與某些物質反應

$6{\hbox{Li}}_{(s)}+{\hbox{N}}_{2(g)}\to 2{\hbox{Li}}_{3}{\hbox{N}}_{(s)}$ $3{\hbox{Mg}}_{(s)}+{\hbox{N}}_{2(g)}\to {\hbox{Mg}}_{3}{\hbox{N}}_{2(s)}$	雖然氮氣通常被認為是惰性的，但它確實會透過燃燒與某些元素髮生反應。
**Li3N(s) + 3H2O → 3LiOH(aq) + NH3(g)** **Mg3N2(s) + 6H2O → 3Mg(OH)2(aq) + 2NH3(g)**	氮化物與水劇烈反應生成氨氣和一種鹼性溶液。

純氮的用途並不廣泛，並且吸入純氮會使任何動物窒息。當氮作為氨、硝酸鹽、氧化物或蛋白質等生物分子的組成部分時，它就變得更加重要。由於氮的惰性性質，使其難以發生反應並形成這些有用的物質。任何將元素氮轉化為氮化合物的過程都稱為固氮作用。固氮作用在生物學上很重要，因為氨基酸、蛋白質和酶都含有氮。它在商業上也很重要，因為它被用於炸藥、火箭燃料和肥料。

有很多固氮反應。

**N2 + 8H+ + 8e- + 能量 → 2NH3 + H2**	這種反應發生在細菌酶中。氨 (NH3) 會迅速轉化為銨 (NH4+)。細菌中的氮進入土壤，植物可以吸收它。食用這些植物的人類和動物可以獲得有用的氮化合物。
**N2 + 3H2 ↔ 2NH3**	哈伯法用於工業生產氨。該反應僅在非常高的壓力和溫度（約 20 MPa 和 500 °C）以及鐵催化劑存在下才能發生。此外，該反應發生在相對複雜的裝置中，該裝置必須輸入純淨的反應物並提取氨。

在木星、土星、天王星和海王星的寒冷、稠密、富含氫的大氣中，氮通常與氫結合形成氨。

請記住，氨在標準狀況下是氣體。“氨水”這種家用產品實際上是氫氧化銨 (NH₄OH) 的水溶液，當氨氣溶解在水中時會形成它。氨與 16 族和 17 族元素的氫化物完全不同，在反應中表現為鹼性，與弱酸和強酸都能形成鹽。氯化銨 (NH₄Cl) 等物質是一種可溶的、強離子鹽。

氮化合物通常極不穩定，因為氮化合物中的氮原子傾向於相互尋找並重新結合成氮氣。許多氮化合物實際上是炸藥，包括 TNT 和硝化甘油。這些炸藥在建築專案中被廣泛用於拆除建築物和其他新建築的障礙物，或在採礦作業中獲取礦物。

磷

白磷的原子結構

磷有兩種常見的同素異形體：紅磷和白磷。白磷 (P₄) 呈蠟狀外觀，暴露在光線下會變成黃色。在黑暗中暴露於氧氣中時，它會發出淡綠色的光。

.

白磷在除最溫和的條件之外的所有條件下都會自燃。白磷的燃燒會產生五氧化二磷。

**P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀**

它最常見的用途之一是用於軍事武器，這些武器會導致被擊中的物體嚴重燒傷。

紅磷是一種無定形固體。它更穩定，在比白磷更高的溫度下爆炸。但是，它仍然具有危險的反應性。兩種形式的磷都不溶於水，並且可以透過各種熱、壓和光照應用相互轉化。

還存在黑磷和紫磷。與氮不同，磷不會輕易與三鍵形成雙原子分子。二磷確實存在，但僅在 1200 °C 到 2000 °C 的溫度範圍內。

五氧化二磷與水強烈反應生成磷酸，磷酸是一種可以去除鐵鏽的物質，尤其是在船舶上；它通常被稱為“海軍凍膠”。但磷酸具有腐蝕性，不能接觸皮膚。

磷以磷酸鹽的形式存在於骨骼中以及稱為ADP和ATP的物質中，這些物質在細胞中將食物轉化為有用的能量，對生命至關重要。

其他

一塊鉍晶體，顯示其色彩斑斕的虹彩光澤。

砷與磷相似。它有三種同素異形體：灰砷、黃砷和黑砷。灰砷是最常見的形式。其結構類似於石墨。

銻不具有金屬的物理性質，但在化學上表現為非金屬。

鉍是一種易碎的銀白色金屬。鉍實際上具有放射性，衰變成鉈-205。由於其半衰期為19 x 10¹⁸年，大約是宇宙年齡的一百萬倍，因此鉍通常被認為是穩定的。

鉍的放射性遠低於生物體中幾乎無害且不可避免的碳和鉀的放射性同位素。與砷和銻不同，它的化合物除非化合物中的其他物質本身有毒，或者該物質具有很強的酸性或鹼性，否則不會有毒。事實上，一種鉍化合物在一種廣泛使用的無需處方即可獲得的胃藥中非常常見。