[科普中國]-氮族元素

氮族元素（Nitrogen group）是元素周期表ⅤA 族的所有元素，包括氮（N）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）和鏌（Mc）共計(jì)六種，這一族元素在化合物中可以呈現(xiàn)-3，+1,+2,+3,+4,+5等多種化合價，他們的原子最外層都有5個電子。最高正價都是+5價。

簡介氮族元素在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為，氮0.0025%，磷0.1%，砷0.000015%，銻0.000002%，鉍0.00000048%。

氮族元素原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：原子的最外電子層上都有5個電子，這就決定了它們均處在周期表中第ⅤA族。它們的最高正價均為+5價，若能形成氣態(tài)氫化物，則它們均顯-3價，氣態(tài)氫化物化學(xué)式可用RH3表示。最高氧化物的化學(xué)式可用R2O5表示，其對應(yīng)水化物為酸。它們中大部分是非金屬元素。1

性質(zhì)氮族元素隨著原子序數(shù)的增加，由于它們電子層數(shù)逐漸增加，原子半徑逐漸增大，最終導(dǎo)致原子核對最外層電子的作用力逐漸減弱，原子獲得電子的趨勢逐漸減弱，因而元素的非金屬性也逐漸減弱。比較明顯的表現(xiàn)是它們的氣態(tài)氫化物穩(wěn)定性逐漸減弱（NH?>PH?>AsH?）；它們的最高價氧化物對應(yīng)水化物的酸性逐漸減弱（HNO?>H3PO?>H3AsO?）；另一方面，隨著原子序數(shù)的增加，原子失去電子的趨勢逐漸增強(qiáng)，元素的金屬性逐漸增強(qiáng)，砷雖是非金屬，卻已表現(xiàn)出某些金屬性，而銻、鉍卻明顯表現(xiàn)出金屬性。

氮族元素在性質(zhì)上表現(xiàn)出從典型的非金屬元素到典型的金屬元素的一個完整的過渡。N 和 P 是非金屬元素，Sb 和 Bi為金屬元素，處于中間的As 為準(zhǔn)金屬元素。本族元素的價層電子構(gòu)型為nS2、np3，主要氧化數(shù)有- 3 、+ 3 、+ 5。自上而下氧化數(shù)為+3 的物質(zhì)穩(wěn)定性增加，而 +5 氧化態(tài)的物質(zhì)穩(wěn)定性降低。這是因?yàn)樽陨隙逻^渡到鉍時，由于鉍原子半徑較大，成鍵時電子云重疊程度較小，鉍原子出現(xiàn)了4f 和 5d 能級，而 f、d 電子對原子核的屏蔽作用較小，6S 電子又具有較大的穿透作用，所以6s 能級顯著降低，從而使6s 電子成為“惰性電子對”而不易參加成鍵，鉍常顯+3 價。這種自上而下低氧化態(tài)比高氧化態(tài)物質(zhì)穩(wěn)定的現(xiàn)象，稱為惰性電子對效應(yīng)。

本族元素的成鍵特征是易形成共價鍵，這是因?yàn)樗鼈兺芷谙抵械那昂笤叵啾?，各有相對較高的電離能，共價性較強(qiáng)它們形成-3 價離子比較困難，僅有電負(fù)性較大的N 、P 可形成極少數(shù)-3 價離子型化合物，但在水溶液中因水解不會存在水合離子。本族元素形成+3 價離子的可能性也很小，只有半徑較大的Sb 和Bi能形成 +3 價離子型化合物 。 另外，本族元素既可提供電子對作為配體，又可接受其他配體的電子對作為中心原子形成配位化合物。2

氮?dú)馕锢硇再|(zhì)氮?dú)馐菬o色無臭的氣體，熔點(diǎn)是63 K，沸點(diǎn)是77 K，臨界溫度是126 K，難于液化。溶解度很小，常壓下在283 K 時一體積水可溶解0.02體積的氮?dú)狻?/p>

制備工業(yè)上通過分餾液態(tài)空氣制得氮?dú)?。?shí)驗(yàn)室里用加熱氯化銨飽和溶液和固體亞硝酸鈉的混合物的方法制備氮?dú)狻?/p>

化學(xué)性質(zhì)氮分子中存在氮氮叁鍵，鍵能很大（941 KJ/mol），以至于加熱到3273K時僅有0.1%離解，氮分子是已知雙原子分子中最穩(wěn)定的。氮?dú)馐荂O的等電子體，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有許多相似之處。

不同活性的金屬與氮?dú)獾姆磻?yīng)情況不同。與堿金屬在常溫下直接化合；與堿土金屬 —般需要在髙溫下化合；與其他族元素的單質(zhì)反應(yīng)則需要更高的反應(yīng)條件。

應(yīng)用目前，人類能夠有效利用氮?dú)獾闹饕緩绞呛铣砂?，但要求條件很高。近年來，人們在竭力弄清植物固氮的機(jī)理，爭取用化學(xué)的方法模擬生物固氮，來實(shí)現(xiàn)在溫和條件下開發(fā)利用空氣中的氮資源。2

氮氧化物種類：N?O（俗稱 笑氣）， NO， N?Oз（可遇水生成HNO?）， NO? ，N?O4，

N?O5（遇水生成HNOз）2

NO

物理性質(zhì)：無色無味有毒氣體 密度略大于空氣 難溶于水。

化學(xué)性質(zhì)：2NO+O?=2NO?

制備：實(shí)驗(yàn)室制法，3Cu+8HNOз=3Cu（NOз）?+2NO↑+4H?O2

NO?

物理性質(zhì)：紅棕色有刺激性氣味 氣體 有毒 密度大于空氣。

化學(xué)性質(zhì)：不穩(wěn)定 2NO?常溫易變成N?O4

與水反應(yīng)，3NO?+H?O=2HNOз+NO2

化學(xué)反應(yīng)關(guān)于氮族元素的化學(xué)方程式見下

氮?dú)獾獨(dú)馀c金屬反應(yīng)：3Mg + N?——→（點(diǎn)燃）Mg?N?

大氣固氮：N?+O?——→2NO ；2NO+O?——→2NO? ；3NO?+H?O——→2HNO?+NO1

氨合成氨（人工固氮，工業(yè)制氨氣）：N?+ 3H?—高溫高壓、催化劑→2NH?

實(shí)驗(yàn)室制氨氣：2NH4Cl + Ca（OH）?——→CaCl?+2 NH?↑+H?O

氨氣溶于水：NH?+ H?O——→NH? ·H?O

氨水受熱分解：NH?·H?O——→NH?↑ +H?O

氨氣與鹽酸的反應(yīng)（弱堿性）：NH?+HCl——→NH4Cl

氨氣與硫酸的反應(yīng)（弱堿性）：2NH?+H?SO4——→（NH4）?SO4

氨氣與氯氣的反應(yīng)（還原性）：8NH?+3Cl?——→6NH4Cl+N?

干燥銨鹽使用堿石灰（CaO和NaOH的混合物） 氨氣與氧化銅在加熱的條件下反應(yīng) ，生成H?O，N?，Cu1

銨鹽NH4Cl——→NH? ↑ + HCl↑

NH?+HCl——→NH4Cl (氨氣和氯化氫氣體相遇有白煙產(chǎn)生)

NH4HCO?——→NH?↑+H?O +CO?↑（碳銨要陰天深施的原因）

NH4++ OH－——→NH?↑+ H?O ( 銨根離子的檢驗(yàn))1

硝酸制備（工業(yè)）

4NH?+ 5O?—催化劑、△→4NO +6H?O

2NO + O?——→2NO?

3NO?+ H?O——→ 2HNO?+ NO↑

實(shí)驗(yàn)室

2NaNO?+H?SO4—加熱→Na?SO4+2HNO?

化學(xué)性質(zhì)

（1）不穩(wěn)定性

4HNO?——→ 2H?O+ 4NO?↑+O?↑

（2）強(qiáng)氧化性

Cu + 4HNO?（濃）——→ Cu(NO?)?+ 2NO?↑ + 2H?O

3Cu + 8HNO?（?。?——→ 3Cu(NO?)?+ 2NO ↑ + 4H?O

C （灼熱）+ 4HNO?（濃） ——→ CO?↑ + 4NO?↑ + 2H?O

2HNO?+3H?SO?=3H?SO4+2NO↑+H?O1

（3）揮發(fā)性

（4）酸的通性

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李廉 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)