氮族元素

引入

为什么氮气如此稳定而磷却容易自燃？氮族元素从非金属到金属是如何过渡的？

正文

定义

位于元素周期表第 15 族（或第 VA 族）的元素，包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)。

原子结构特点

氮族元素原子最外层都有 5 个电子，容易得 3 个电子形成 -3 价阴离子，或失去最外层电子形成 +3 价或 +5 价阳离子。

从 N 到 Bi，原子半径逐渐增大，得电子能力逐渐减弱，失电子能力逐渐增强，非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强。

氮族元素是典型的”非金属→金属”过渡族：N、P 是非金属，As、Sb 是半金属（类金属），Bi 是金属。

单质性质

氮气 $\mathrm{N}{}_2$

• 无色、无味气体
• 化学性质非常稳定（氮气分子中 N≡N 三键键能很大）
• 常温下几乎不与其他物质反应
• 高温或放电条件下可与某些物质反应

反应例子：

• 与氧气：$\mathrm{N}{}_2+\mathrm{O}{}_2\stackrel{放电}{\to }2\mathrm{NO}$（雷电固氮）
• 与氢气：$\mathrm{N}{}_2+3\mathrm{H}{}_2\underset{催化剂}{\overset{高温高压}{\rightleftharpoons }}2\mathrm{NH}{}_3$（工业合成氨）
• 与金属：$3\mathrm{Mg}+\mathrm{N}{}_2\stackrel{点燃}{\to }\mathrm{Mg}{}_3\mathrm{N}{}_2$

磷单质

磷有多种同素异形体：

同素异形体	颜色	性质	保存方式
白磷（黄磷）	白色或淡黄色蜡状固体	有剧毒，极易自燃（40℃）	保存在水中
红磷	暗红色粉末	无毒，不易自燃（240℃）	密封保存
黑磷	黑色晶体	最稳定	-

白磷的性质：

• 在空气中自燃：$4\mathrm{P}+5\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5$（产生白烟）
• 与氯气反应：$2\mathrm{P}+3\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{PCl}{}_3$（氯气不足）或 $2\mathrm{P}+5\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{PCl}{}_5$（氯气过量）

其他元素

• As、Sb：灰色有金属光泽的固体，有一定导电性
• Bi：带粉红色光泽的金属，导电性良好

氢化物性质

氢化物	化学式	状态	气味	稳定性	还原性	水溶液碱性
氨气	$\mathrm{NH}{}_3$	气体	刺激性	较稳定	有	弱碱性
磷化氢	$\mathrm{PH}{}_3$	气体	大蒜味	不稳定	强	不显碱性
砷化氢	$\mathrm{AsH}{}_3$	气体	大蒜味	很不稳定	很强	不显碱性
锑化氢	$\mathrm{SbH}{}_3$	气体	-	极不稳定	极强	不显碱性

递变规律：

• 稳定性：$\mathrm{NH}{}_3>\mathrm{PH}{}_3>\mathrm{AsH}{}_3>\mathrm{SbH}{}_3$
• 还原性：$\mathrm{NH}{}_3<\mathrm{PH}{}_3<\mathrm{AsH}{}_3<\mathrm{SbH}{}_3$
• 碱性：$\mathrm{NH}{}_3$ 显弱碱性，其他不显碱性

氨气的重要性质：

• 易溶于水：$\mathrm{NH}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{NH}{}_3\cdot \mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{NH}{}_4{}^{+}+\mathrm{OH}{}^{-}$（一水合氨是弱碱）
• 与酸反应：$\mathrm{NH}{}_3+\mathrm{HCl}\to \mathrm{NH}{}_4\mathrm{Cl}$（生成白烟）
• 催化氧化：$4\mathrm{NH}{}_3+5\mathrm{O}{}_2\underset{加热}{\overset{催化剂}{\to }}4\mathrm{NO}+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

最高价氧化物对应水化物

元素	最高价氧化物	对应水化物	酸性
N	$\mathrm{N}{}_2\mathrm{O}{}_5$	$\mathrm{HNO}{}_3$	强酸
P	$\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5$	$\mathrm{H}{}_3\mathrm{PO}{}_4$	中强酸
As	$\mathrm{As}{}_2\mathrm{O}{}_5$	$\mathrm{H}{}_3\mathrm{AsO}{}_4$	弱酸
Sb	$\mathrm{Sb}{}_2\mathrm{O}{}_5$	$\mathrm{H}{}_3\mathrm{SbO}{}_4$	很弱酸
Bi	$\mathrm{Bi}{}_2\mathrm{O}{}_5$	-	几乎不显酸性，显碱性

递变规律：

• 从 N 到 Bi，最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐减弱
• Bi 的最高价氧化物对应水化物甚至显碱性，体现金属性

递变规律总结

性质	变化趋势（N → Bi）	原因
原子半径	逐渐增大	电子层数增加
得电子能力	逐渐减弱	原子核对外层电子吸引力减弱
非金属性	逐渐减弱	得电子能力减弱
金属性	逐渐增强	失电子能力增强
单质稳定性	N₂ 最稳定，P 易自燃	N≡N 键能特别大
氢化物稳定性	逐渐减弱	非金属性减弱
氢化物还原性	逐渐增强	稳定性减弱
最高价氧化物水化物酸性	逐渐减弱	非金属性减弱

引出

• 为什么 $\mathrm{N}{}_2$ 如此稳定，需要雷电或高温高压才能反应？
• 白磷和红磷为什么性质差异这么大？它们的结构有什么不同？
• 硝酸的工业制法（奥斯特瓦尔德法）是什么？
• 氧族元素和氮族元素在递变规律上有什么共同特点？