周期系ⅤA族包括氮、磷、砷、锑、铋五种元素通称为氮族元素。其中半径较小的N和P是非金属元素,而随着原子半径的增大,Sb和Bi过渡为金属元素,处于中间的As为准金属元素。因此,本族元素在性质的递变上也表现出从典型的非金属到金属的一个完整过渡。
本族元素原子的价电子层结构为ns2np3,与ⅦA、ⅥA两族元素比较,本族元素要获得3个电子形成氧化数为-Ⅲ的离子是较困难的。仅仅电负性较大的N和P可以形成极少数为-Ⅲ的离子型固态化合物Li3N、Mg3N2、Na3P、Ca3P2等。不过由于N3-、P3-离子有较大的半径,容易变形,遇水强烈水解生成NH3和PH3,因此,这种离子型化合物只能存在于干态,溶液中不存在N3-和P3-的简单水合离子。本族元素与电负性较小的元素化合时,可以形成氧化数为-Ⅲ的共价化合物,最常见的是氢化物。
本族元素的金属性比相应的ⅦA和ⅥA族元素来得显著,因此,形成正价的趋势较强,与电负性较大的元素化合时主要形成氧化数为+Ⅲ、+Ⅴ的化合物,如NF3、PBr5、AsF5和SbCl5等。形成共价化合物是本族元素的特征。
本族自上而下,除了N(Ⅴ)是较强的氧化剂外,从到+Ⅴ氧化态的氧化性(从+Ⅴ还原到+Ⅲ)依次增强。+Ⅴ氧化态的磷几乎不具有氧化性,它的+Ⅴ氧化态最稳定,而+Ⅴ氧化态的铋是最强的氧化剂,它的+Ⅲ氧化态最稳定几乎不显还原性。
表13-1 氮族元素的基本性质
性质 | 氮 | 磷 | 砷 | 锑 | 铋 |
原子序数 | 7 | 15 | 33 | 51 | 83 |
原子量 | 14.01 | 30.97 | 74.92 | 121.75 | 208.98 |
价电子层结构 | 2s22p3 | 3s23p3 | 4s24p3 | 5s25p3 | 6s26p3 |
主要氧化数 | -Ⅲ、-Ⅱ、-Ⅰ+Ⅰ→+Ⅴ | -Ⅲ、+Ⅲ、+Ⅴ | -Ⅲ、+Ⅲ、+Ⅴ | (-Ⅲ)、+Ⅲ+Ⅴ | (-Ⅲ)、+Ⅲ+Ⅴ |
共价半径/pm | 55 | 110 | 121 | 141 | 152 |
离子半径/pm M-3 M+3 M+5 |
171 16 13 |
212 44 35 |
222 58 46 |
245 76 62 |
213 96 74 |
第一电离能/(kJ·mol-1) | 1402 | 1011.8 | 859.7 | 833.7 | 703.3 |
第一电子亲和能/(kJ·mol-1) | 0±20 | 74 | 77 | 101 | 100 |
电负性 | 3.04 | 2.19 | 2.18 | 2.05 | 2.02 |