§ 21. Общая характеристика элементов подгруппы азота

Определения и обозначения

Подгруппа азота — главная подгруппа V группы Периодической системы, к которой относятся азот N, фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb и висмут Bi. Положение в одной группе означает сходное строение внешнего электронного слоя. Это помогает предсказывать общие черты их соединений, хотя свойства элементов постепенно меняются сверху вниз.

Электронная конфигурация внешнего уровня — запись распределения электронов по подуровням внешнего слоя; для этих элементов она имеет вид ns²np³. Буква n обозначает номер внешнего энергетического уровня, а цифры показывают число электронов на подуровнях. Пять внешних электронов объясняют, почему атомы могут участвовать в образовании нескольких связей.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, если считать общие электронные пары переданными более электроотрицательному атому. Для элементов подгруппы характерны −3, +3 и +5: значение зависит от того, с какими элементами образовано соединение. Сравнение этих значений помогает устанавливать состав вещества и оценивать устойчивость соединений.

Летучее водородное соединение — соединение элемента с водородом, способное существовать в виде газа или пара; для подгруппы его общая формула EH₃. Буква E обозначает любой элемент подгруппы, а индекс 3 — три атома водорода на один атом элемента. Сравнение таких веществ показывает, как меняются свойства соединений при движении от азота к висмуту.

Как это устроено

В одну группу объединены элементы с одинаковым числом электронов на внешнем уровне, потому что именно эти электроны в первую очередь определяют химическое поведение. У атомов азота, фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута внешняя конфигурация ns²np³. Внутренних электронных слоёв у них разное число, поэтому сходство строения не означает полного совпадения свойств. С увеличением номера периода атомы становятся крупнее, и характер элементов постепенно меняется.

В конфигурации ns²np³ есть три неспаренных электрона на p-подуровне, поэтому атом может образовать три ковалентные связи — связи, в которых атомы используют общие электронные пары. Если учитывать участие всех пяти внешних электронов, у элементов фосфора и ниже возможны соединения, где формально образуются пять связей. Азот особенно отличается: его небольшой атом не может расширить внешний слой сверх восьми электронов. Поэтому возможность образования трёх или пяти связей зависит от конкретного элемента и соединения, а не только от числа электронов.

Значение −3 возникает, когда атом принимает три электрона до завершения внешнего слоя, например в соединениях с водородом. Степени окисления +3 и +5 проявляются, когда элемент связан с более электроотрицательными атомами, например кислородом или фтором. Сверху вниз по группе электронная пара ns² всё прочнее удерживается ядром и реже участвует в связях. Поэтому степень окисления +3 становится устойчивее, а +5 — менее устойчивой; особенно заметно это у висмута.

В каждом следующем периоде появляется новый электронный слой, поэтому радиус атома увеличивается от азота к висмуту. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и слабее им притягиваются. Атомам становится труднее присоединять электроны, что ослабляет неметаллические свойства, и легче отдавать их, что усиливает металлические. Так азот и фосфор являются неметаллами, мышьяк и сурьма занимают промежуточное положение, а висмут проявляет свойства металла.

Высшие оксиды соответствуют степени окисления +5 и имеют общий состав E₂O₅; для фосфора молекулярная формула высшего оксида записывается как P₄O₁₀. Вниз по группе кислотные свойства высших оксидов ослабевают вместе с неметаллическим характером элементов. Водородные соединения сохраняют состав EH₃, но их устойчивость и основные свойства в целом уменьшаются от NH₃ к BiH₃. Простые вещества также закономерно меняются: от неметаллов в верхней части подгруппы к металлу в нижней.

Сравнительная характеристика элементов подгруппы азота

Читайте таблицу по строкам, чтобы проследить изменение одного свойства сверху вниз, или по столбцам, чтобы составить характеристику отдельного элемента. Число электронных слоёв совпадает с номером периода, тогда как число внешних электронов у всех элементов одинаково. Обозначение «полуметалл» указывает на промежуточный характер свойств простого вещества.

Разбор задач

Задача 1. Укажите число электронов на внешнем уровне атома фосфора и запишите электронную конфигурацию этого уровня.

1. Находим фосфор в Периодической системе: он находится в 3-м периоде и главной подгруппе V группы, или 15-й группе.
2. Для элементов этой подгруппы внешняя конфигурация имеет общий вид ns²np³. Индекс n равен номеру периода, поэтому у фосфора n = 3.
3. Подставляем номер уровня и считаем электроны: 3s²3p³, всего 2 + 3 = 5 электронов.

Ответ: на внешнем уровне атома фосфора пять электронов; конфигурация — 3s²3p³. Такая запись показывает распределение электронов именно на внешнем уровне, а не полную конфигурацию атома.

Задача 2. Составьте формулы высшего оксида и летучего водородного соединения мышьяка, используя его положение в подгруппе.

1. Мышьяк входит в подгруппу азота, поэтому его высшая характерная степень окисления — +5, а для летучего водородного соединения характерна степень −3.
2. Кислород имеет степень окисления −2. Чтобы сумма степеней окисления в оксиде была равна нулю, берём два атома As (+10) и пять атомов O (−10): получаем As₂O₅.
3. В соединении с водородом мышьяк имеет степень окисления −3, а водород обычно +1. Три атома водорода уравновешивают один атом мышьяка, поэтому формула — AsH₃.

Ответ: высший оксид мышьяка — As₂O₅, летучее водородное соединение — AsH₃. Проверка: сумма степеней окисления в каждой формуле равна нулю.

Задача 3. Сравните фосфор и висмут по характеру простых веществ, металлическим свойствам и устойчивости степеней окисления +3 и +5.

1. Фосфор находится выше висмута в одной группе. У висмута больше электронных слоёв и крупнее радиус атома, поэтому его внешние электроны слабее удерживаются ядром.
2. Из-за этого перехода фосфор сохраняет характер неметалла, а висмут является металлом. Металлические свойства усиливаются вниз по группе, неметаллические ослабевают.
3. У фосфора степени окисления +3 и +5 обе характерны, а у висмута устойчивее +3. Пара внешних электронов 6s² у висмута мало склонна участвовать в образовании связей, поэтому степень +5 становится менее устойчивой.

Ответ: фосфор — неметалл, висмут — металл; у висмута металлические свойства сильнее, а степень окисления +3 устойчивее, чем +5. Различия объясняются увеличением радиуса и меньшим участием внешней пары электронов у тяжёлого элемента.

Типичные ошибки

Ошибка — ожидать от всех элементов подгруппы одинаковых физических и химических свойств. Её допускают, потому что элементы объединены в одной группе и имеют похожее строение внешнего уровня. Но внутренние слои и радиусы атомов различаются, поэтому свойства закономерно меняются сверху вниз. Проверьте себя: сравните простые вещества азота, фосфора и висмута — это газообразный неметалл, твёрдый неметалл и металл.

Ошибка — считать, что номер группы показывает число электронных слоёв. Номер группы связан с числом внешних электронов у элементов главной подгруппы, а число слоёв определяется номером периода. Путаница возникает из-за попытки вывести все сведения об атоме из одного обозначения. Для проверки укажите период: у фосфора три слоя, хотя внешних электронов пять.

Ошибка — считать степени окисления +3 и +5 одинаково устойчивыми у каждого элемента. Эти значения действительно характерны для подгруппы, но устойчивость зависит от положения элемента: вниз по группе +3 становится устойчивее, а +5 — менее устойчивой. Причина в том, что внешняя пара ns² у тяжёлых атомов всё реже участвует в связях. Сравните соединения висмута и фосфора и не смешивайте возможность степени окисления с её относительной устойчивостью.

Ошибка — выводить формулу оксида по формуле водородного соединения или не проверять индексы. В соединении EH₃ водород связан с элементом, а формула высшего оксида отражает степень окисления +5 и общий состав E₂O₅. Путаница возникает, если не учитывать степени окисления атомов в бинарном соединении. Проверяйте, чтобы сумма степеней окисления в нейтральной формуле равнялась нулю.

Связь с другими темами

Для понимания подгруппы азота нужны знания о строении атома, электронных слоях и конфигурациях: по ним можно определить число внешних электронов и возможное число связей. При составлении формул пригодится умение находить степени окисления и учитывать состав бинарных соединений. Эти знания помогают изучать свойства азота, фосфора и их соединений. Они также позволяют объяснять закономерные изменения свойств элементов в Периодической системе, а не просто заучивать отдельные характеристики.

Что запомнить

• К подгруппе азота относятся азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут.
• Внешний электронный слой атомов элементов подгруппы имеет конфигурацию ns²np³.
• Характерные степени окисления элементов подгруппы — −3, +3 и +5.
• Сверху вниз в подгруппе увеличивается радиус атома.
• Сверху вниз неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.
• Летучие водородные соединения элементов имеют общую формулу EH₃.
• Устойчивость степени окисления +3 возрастает при движении от азота к висмуту.