A pnictógeno [1] ( / p n ɪ k t ə dʒ ə n / o / n ɪ k t ə dʒ ə n / ; de griego antiguo : πνῑγω "a ahogarse" y -gen , "generador") es cualquier de los elementos químicos en grupo 15 de la tabla periódica . Este grupo también se conoce como la familia del nitrógeno . Está formado por los elementos nitrógeno (N),fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb), bismuto (Bi) y quizás el elemento sintético moscovio (Mc) químicamente no caracterizado .
En la notación IUPAC moderna, se llama Grupo 15 . En CAS y los antiguos sistemas IUPAC se le llamaba Grupo V A y Grupo V B respectivamente (pronunciado "grupo cinco A" y "grupo cinco B", "V" por el número romano 5). [2] En el campo de semiconductores física, todavía se suele llamar Grupo V . [3] El "cinco" ("V") en los nombres históricos proviene de la " pentavalencia " del nitrógeno, reflejada por la estequiometría de compuestos como el N 2 O 5 . También se les ha llamado penteles .
Caracteristicas
Químico
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones similares en la configuración electrónica , especialmente en las capas más externas, lo que resulta en tendencias en el comportamiento químico.
Z | Elemento | Electrones por capa |
---|---|---|
7 | nitrógeno | 2, 5 |
15 | fósforo | 2, 8, 5 |
33 | arsénico | 2, 8, 18, 5 |
51 | antimonio | 2, 8, 18, 18, 5 |
83 | bismuto | 2, 8, 18, 32, 18, 5 |
115 | moscovio | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 (predicho) |
Este grupo tiene la característica definitoria de que todos los elementos componentes tienen 5 electrones en su capa más externa , es decir, 2 electrones en la subcapa s y 3 no apareados [ ¿relevante? ] electrones en la subcapa p. Por lo tanto, les faltan 3 electrones para llenar su capa de electrones más externa en su estado no ionizado . El término símbolo de Russell-Saunders del estado fundamental en todos los elementos del grupo es 4 S 3 ⁄ 2 .
Los elementos más importantes de este grupo son el nitrógeno (N), que en su forma diatómica es el componente principal del aire, y el fósforo (P), que, como el nitrógeno, es esencial para todas las formas de vida conocidas.
Compuestos
Los compuestos binarios del grupo pueden denominarse colectivamente pnictidas . Los compuestos pnictídicos tienden a ser exóticos . Varias propiedades que tienen algunos pnictidas incluyen ser diamagnéticos y paramagnéticos a temperatura ambiente, ser transparentes y generar electricidad cuando se calientan. Otros pnictides incluyen la variedad ternaria de pnictides del grupo principal de tierras raras. Estos están en forma de RE a M b Pn c , donde M es un elemento del grupo de carbono o del grupo de boro y Pn es cualquier pnictógeno excepto nitrógeno. Estos compuestos se encuentran entre compuestos iónicos y covalentes y, por lo tanto, tienen propiedades de enlace inusuales. [4]
Estos elementos también se destacan por su estabilidad en compuestos debido a su tendencia a formar enlaces covalentes dobles y triples . Esta es la propiedad de estos elementos que conduce a su potencial toxicidad , más evidente en fósforo, arsénico y antimonio. Cuando estas sustancias reaccionan con varias sustancias químicas del cuerpo, crean fuertes radicales libres que el hígado no procesa fácilmente, donde se acumulan. Paradójicamente, es esta unión fuerte la que causa la reducción de la toxicidad del nitrógeno y el bismuto (cuando están en moléculas), ya que forman fuertes lazos con otros átomos que son difíciles de dividir, creando moléculas muy poco reactivas. Por ejemplo, el N 2 , la forma diatómica del nitrógeno, se utiliza como gas inerte en situaciones en las que el uso de argón u otro gas noble sería demasiado caro.
La formación de enlaces múltiples se ve facilitada por sus cinco electrones de valencia, mientras que la regla del octeto permite un pictógeno para aceptar tres electrones en el enlace covalente. Debido a que 5 > 3, deja dos electrones sin usar en un par solitario a menos que haya una carga positiva alrededor (como en NH+ 4). Cuando un pictógeno forma solo tres enlaces sencillos , los efectos del par solitario suelen dar como resultado una geometría molecular piramidal trigonal .
Estados de oxidación
Los pictógenos ligeros (nitrógeno, fósforo y arsénico) tienden a formar cargas -3 cuando se reducen, completando su octeto. Cuando se oxidan o ionizan, los pnictógenos generalmente toman un estado de oxidación de +3 (al perder los tres electrones de la capa p en la capa de valencia) o +5 (al perder los tres electrones de la capa p y ambos electrones de la capa s en la capa de valencia) . Sin embargo, es más probable que los pnictógenos más pesados formen el estado de oxidación +3 que los más ligeros debido a que los electrones de la capa s se estabilizan más. [5]
−3 estado de oxidación
Los pictógenos pueden reaccionar con el hidrógeno para formar hidruros de pictógenos como el amoniaco . Bajando por el grupo, a fosfano (fosfina), arsane (arsina), estibane (estibina) y finalmente bismutano (bismutina), cada hidruro de pictógeno se vuelve progresivamente menos estable / más inestable, más tóxico y tiene un ángulo de hidrógeno-hidrógeno más pequeño. (de 107,8 ° en amoniaco [6] a 90,48 ° en bismutano). [7] (Además, técnicamente, solo el amoníaco y el fosfano tienen el pnictógeno en el estado de oxidación -3 porque, para el resto, el pnicógeno es menos electronegativo que el hidrógeno).
Los sólidos cristalinos que contienen pnictógenos totalmente reducidos incluyen nitruro de itrio , fosfuro de calcio , arseniuro de sodio , antimonuro de indio e incluso sales dobles como fosfuro de indio, galio y aluminio . Estos incluyen semiconductores III-V , incluido el arseniuro de galio , el segundo semiconductor más utilizado después del silicio.
+3 estado de oxidación
El nitrógeno forma un número limitado de compuestos III estables. El óxido de nitrógeno (III) solo se puede aislar a bajas temperaturas y el ácido nitroso es inestable. El trifluoruro de nitrógeno es el único trihaluro de nitrógeno estable; el tricloruro de nitrógeno , el tribromuro de nitrógeno y el triyoduro de nitrógeno son explosivos; el triyoduro de nitrógeno es tan sensible a los golpes que el toque de una pluma lo detona. El fósforo forma un óxido + III que es estable a temperatura ambiente, ácido fosforoso y varios trihaluros , aunque el triyoduro es inestable. El arsénico forma compuestos + III con oxígeno como arsenitos , ácido arsénico y óxido de arsénico (III) , y forma los cuatro trihaluros. El antimonio forma óxido de antimonio (III) y antimonita, pero no oxiácidos. Sus trihaluros, trifluoruro de antimonio , tricloruro de antimonio , tribromuro de antimonio y triyoduro de antimonio , como todos los trihaluros de pictógeno, tienen cada uno una geometría molecular piramidal trigonal .
El estado de oxidación +3 es el estado de oxidación más común del bismuto porque su capacidad para formar el estado de oxidación +5 se ve obstaculizada por las propiedades relativistas de los elementos más pesados , efectos que son aún más pronunciados con respecto al moscovio. El bismuto (III) forma un óxido , un oxicloruro , un oxinitrato y un sulfuro . Se predice que el moscovio (III) se comportará de manera similar al bismuto (III). Se predice que Moscovium forma los cuatro trihaluros, de los cuales se predice que todos menos el trifluoruro serán solubles en agua. También se predice que forma un oxicloruro y oxibromuro en el estado de oxidación + III.
+5 estado de oxidación
En el caso del nitrógeno, el estado +5 suele servir solo como una explicación formal de moléculas como N 2 O 5 , ya que la alta electronegatividad del nitrógeno hace que los electrones se compartan casi de manera uniforme. [se necesita aclaración ] Los compuestos de pictógeno con el número de coordinación 5 son hipervalentes . El fluoruro de nitrógeno (V) es solo teórico y no se ha sintetizado. El "verdadero" 5 Estado es más común para la esencialmente no relativista grupo del nitrógeno típicos de fósforo , arsénico y antimonio , como se muestra en sus óxidos, fósforo óxido (V) , (V) óxido de arsénico , y óxido de antimonio (V) , y sus fluoruros, fluoruro de fósforo (V) , fluoruro de arsénico (V) , fluoruro de antimonio (V) . Al menos dos también forman aniones fluoruro relacionados, hexafluorofosfato y hexafluoroantimoniato , que funcionan como aniones no coordinantes . El fósforo incluso forma una mezcla de óxidos-haluros, conocidos como oxihaluros , como el oxicloruro de fósforo , y pentahaluros mixtos, como el trifluorodicloruro de fósforo . Existen compuestos de pentametilpnictógeno (V) para el arsénico , el antimonio y el bismuto . Sin embargo, para el bismuto, el estado de oxidación +5 se vuelve raro debido a la estabilización relativista de los orbitales 6s conocida como efecto de par inerte , por lo que los electrones 6s son reacios a unirse químicamente. Esto hace que el óxido de bismuto (V) sea inestable [8] y que el fluoruro de bismuto (V) sea más reactivo que los otros pentafluoruros de pictógeno, lo que lo convierte en un agente fluorante extremadamente poderoso . [9] Este efecto es aún más pronunciado para el moscovio, ya que le impide alcanzar un estado de oxidación de +5.
Otros estados de oxidación
- El nitrógeno forma una variedad de compuestos con oxígeno en los que el nitrógeno puede asumir una variedad de estados de oxidación, incluidos + II, + IV e incluso algunos compuestos de valencia mixta y un estado de oxidación + VI muy inestable .
- En hidracina , difosfano y derivados orgánicos de los dos, los átomos de nitrógeno / fósforo tienen el estado de oxidación -2. Asimismo, la diimida , que tiene dos átomos de nitrógeno con enlaces dobles entre sí, y sus derivados orgánicos tienen nitrógeno en el estado de oxidación de -1.
- De manera similar, el realgar tiene enlaces arsénico-arsénico, por lo que el estado de oxidación del arsénico es + II.
- Un compuesto correspondiente para el antimonio es Sb 2 (C 6 H 5 ) 4 , donde el estado de oxidación del antimonio es + II.
- El fósforo tiene el estado de oxidación +1 en el ácido hipofosforoso y el estado de oxidación +4 en el ácido hipofosfórico .
- El tetróxido de antimonio es un compuesto de valencia mixta , donde la mitad de los átomos de antimonio están en el estado de oxidación +3 y la otra mitad en el estado de oxidación +5.
- Se espera que el moscovio tenga un efecto de par inerte para los electrones 7s y 7p 1/2 , ya que la energía de enlace del único electrón 7p 3/2 es notablemente menor que la de los electrones 7p 1/2 . Se predice que esto causa que + I sea un estado de oxidación común para el moscovio, aunque también ocurre en menor medida para el bismuto y el nitrógeno. [10]
Físico
Los pnictógenos consisten en dos no metales (un gas, un sólido), dos metaloides , un metal y un elemento con propiedades químicas desconocidas. Todos los elementos del grupo son sólidos a temperatura ambiente , excepto el nitrógeno que es gaseoso a temperatura ambiente. El nitrógeno y el bismuto, a pesar de ser pnictógenos, son muy diferentes en sus propiedades físicas. Por ejemplo, en STP el nitrógeno es un gas transparente no metálico, mientras que el bismuto es un metal blanco plateado. [11]
Las densidades de los pnictógenos aumentan hacia los más pesados. La densidad del nitrógeno es 0.001251 g / cm 3 en STP. [11] La densidad del fósforo es 1,82 g / cm 3 en STP, el arsénico es 5,72 g / cm 3 , el antimonio es 6,68 g / cm 3 y el bismuto es 9,79 g / cm 3 . [12]
El punto de fusión del nitrógeno es −210 ° C y su punto de ebullición es −196 ° C. El fósforo tiene un punto de fusión de 44 ° C y un punto de ebullición de 280 ° C. El arsénico es uno de los dos únicos elementos que se subliman a presión estándar; lo hace a 603 ° C. El punto de fusión del antimonio es de 631 ° C y su punto de ebullición es de 1587 ° C. El punto de fusión del bismuto es de 271 ° C y su punto de ebullición es de 1564 ° C. [12]
La estructura cristalina del nitrógeno es hexagonal . La estructura cristalina del fósforo es cúbica . El arsénico, el antimonio y el bismuto tienen estructuras cristalinas romboédricas . [12]
Historia
El compuesto de nitrógeno sal amoniacal (cloruro de amonio) se conoce desde la época de los antiguos egipcios. En la década de 1760, dos científicos, Henry Cavendish y Joseph Priestley , aislaron nitrógeno del aire, pero ninguno se dio cuenta de la presencia de un elemento no descubierto. No fue hasta varios años después, en 1772, que Daniel Rutherford se dio cuenta de que el gas era nitrógeno. [13]
El alquimista Hennig Brandt descubrió por primera vez el fósforo en Hamburgo en 1669. Brandt produjo el elemento calentando la orina evaporada y condensando el vapor de fósforo resultante en agua. Brandt inicialmente pensó que había descubierto la Piedra Filosofal , pero finalmente se dio cuenta de que este no era el caso. [13]
Los compuestos de arsénico se conocen desde hace al menos 5000 años, y el griego antiguo Theophrastus reconoció los minerales de arsénico llamados realgar y orpiment . El arsénico elemental fue descubierto en el siglo XIII por Albertus Magnus . [13]
El antimonio era bien conocido por los antiguos. En el Louvre existe un jarrón de 5000 años hecho de antimonio casi puro . Los compuestos de antimonio se utilizaron en tintes en la época babilónica . La estibina, mineral de antimonio, pudo haber sido un componente del fuego griego . [13]
El bismuto fue descubierto por primera vez por un alquimista en 1400. Dentro de los 80 años del descubrimiento del bismuto, tenía aplicaciones en la impresión y ataúdes decorados . Los incas también usaban bismuto en cuchillos hacia 1500. Originalmente se pensó que el bismuto era lo mismo que el plomo, pero en 1753, Claude François Geoffroy demostró que el bismuto era diferente del plomo. [13]
Moscovium se produjo con éxito en 2003 bombardeando átomos de americio-243 con átomos de calcio-48 . [13]
Nombres y etimología
El término "pnictogen" (o "pnigogen") se deriva de la palabra griega antigua πνίγειν ( pnígein ) que significa "estrangular", refiriéndose a la propiedad asfixiante o sofocante del gas nitrógeno. [14] También se puede utilizar como mnemónico para los dos miembros más comunes, P y N. El término "pnictogen" fue sugerido por el químico holandés Anton Eduard van Arkel a principios de la década de 1950. También se escribe "pnicogen" o "pnigogen". El término "pnicogen" es más raro que el término "pnictogen", y la proporción de trabajos de investigación académica que utilizan "pnictogen" y los que utilizan "pnicogen" es de 2,5 a 1. [4] Viene de la raíz griega πνιγ- (choke, estrangular), y por lo tanto la palabra "pnictogen" es también una referencia a los nombres holandeses y alemanes para el nitrógeno ( stikstof y Stickstoff , respectivamente, "sustancia sofocante": es decir, sustancia en el aire, que no ayuda a respirar). Por lo tanto, "pnictogen" podría traducirse como "hacedor de asfixia". La palabra "pnictide" también proviene de la misma raíz. [14]
El nombre pentels (del griego πέντε , pénte , cinco) también en algún momento representó a este grupo. [15]
Ocurrencia
El nitrógeno constituye 25 partes por millón de la corteza terrestre , 5 partes por millón de suelo en promedio, 100 a 500 partes por billón de agua de mar y 78% del aire seco. La mayor parte del nitrógeno en la tierra está en forma de gas nitrógeno, pero existen algunos minerales de nitrato . El nitrógeno constituye el 2,5% del peso de un ser humano típico. [13]
El fósforo constituye el 0,1% de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el undécimo elemento más abundante allí . El fósforo constituye 0,65 partes por millón de suelo y de 15 a 60 partes por mil millones de agua de mar. Hay 200 Mt de fosfatos accesibles en la tierra. El fósforo constituye el 1,1% del peso de un ser humano típico. [13] El fósforo se encuentra en minerales de la familia de las apatitas que son los componentes principales de las rocas fosfatadas.
El arsénico constituye 1,5 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento 53 más abundante allí. Los suelos contienen de 1 a 10 partes por millón de arsénico y el agua de mar contiene 1,6 partes por mil millones de arsénico. El arsénico constituye 100 partes por mil millones de peso de un ser humano típico. Existe algo de arsénico en forma elemental, pero la mayor parte del arsénico se encuentra en los minerales de arsénico o pimentón , realgar , arsenopirita y enargita . [13]
El antimonio constituye 0,2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 63º elemento más abundante allí. Los suelos contienen 1 parte por millón de antimonio en promedio, y el agua de mar contiene 300 partes por billón de antimonio en promedio. Un ser humano típico contiene 28 partes por billón de antimonio en peso. Algo de antimonio elemental se encuentra en depósitos de plata. [13]
El bismuto constituye 48 partes por mil millones de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 70º elemento más abundante allí. Los suelos contienen aproximadamente 0,25 partes por millón de bismuto y el agua de mar contiene 400 partes por billón de bismuto. El bismuto se presenta más comúnmente como el mineral bismutinita , pero el bismuto también se presenta en forma elemental o en minerales de sulfuro. [13]
Moscovium se produce varios átomos a la vez en aceleradores de partículas. [13]
Producción
Nitrógeno
El nitrógeno se puede producir por destilación fraccionada del aire. [dieciséis]
Fósforo
El método principal para producir fósforo es reducir los fosfatos con carbono en un horno de arco eléctrico . [17]
Arsénico
La mayor parte del arsénico se prepara calentando el mineral arsenopirita en presencia de aire. Esto forma As 4 O 6 , del cual se puede extraer arsénico mediante reducción de carbono. Sin embargo, también es posible producir arsénico metálico calentando arsenopirita de 650 a 700 ° C sin oxígeno. [18]
Antimonio
Con los minerales de sulfuro, el método por el cual se produce el antimonio depende de la cantidad de antimonio en el mineral crudo. Si el mineral contiene entre un 25% y un 45% de antimonio en peso, entonces el antimonio crudo se produce fundiendo el mineral en un alto horno . Si el mineral contiene entre un 45% y un 60% de antimonio en peso, el antimonio se obtiene calentando el mineral, también conocido como liquidación. Los minerales con más del 60% de antimonio en peso se desplazan químicamente con virutas de hierro del mineral fundido, lo que da como resultado un metal impuro.
Si un mineral de óxido de antimonio contiene menos del 30% de antimonio en peso, el mineral se reduce en un alto horno. Si el mineral contiene cerca del 50% de antimonio en peso, el mineral se reduce en cambio en un horno reverberatorio .
Los minerales de antimonio con una mezcla de sulfuros y óxidos se funden en un alto horno. [19]
Bismuto
Los minerales de bismuto se encuentran, en particular, en forma de sulfuros y óxidos, pero es más económico producir bismuto como subproducto de la fundición de minerales de plomo o, como en China, de minerales de tungsteno y zinc. [20]
Moscovium
El moscovio se produce unos pocos átomos a la vez en aceleradores de partículas al disparar un haz de iones de calcio-48 a Americio hasta que los núcleos se fusionan. [21]
Aplicaciones
- El nitrógeno líquido es un líquido criogénico de uso común . [11]
- El nitrógeno en forma de amoníaco es un nutriente fundamental para la supervivencia de la mayoría de las plantas. [11] La síntesis de amoníaco representa aproximadamente el 1-2% del consumo energético mundial y la mayor parte del nitrógeno reducido en los alimentos.
- El fósforo se utiliza en fósforos y bombas incendiarias . [11]
- El fertilizante fosfatado ayuda a alimentar a gran parte del mundo. [11]
- El arsénico se usó históricamente como un pigmento verde de París , pero ya no se usa de esta manera debido a su extrema toxicidad. [11]
- El arsénico en forma de compuestos organoarsénicos se utiliza a veces en la alimentación de los pollos. [11]
- El antimonio se alea con plomo para producir algunas balas. [11]
- La moneda de antimonio se utilizó brevemente en la década de 1930 en partes de China, pero este uso se suspendió ya que el antimonio es blando y tóxico. [22]
- El subsalicilato de bismuto es el ingrediente activo de Pepto-Bismol . [11]
Papel biológico
El nitrógeno es un componente de moléculas fundamentales para la vida en la tierra, como el ADN y los aminoácidos . Los nitratos ocurren en algunas plantas, debido a las bacterias presentes en los nodos de la planta. Esto se ve en plantas leguminosas como los guisantes [se necesita aclaración ] o la espinaca y la lechuga. [ cita requerida ] Un ser humano típico de 70 kg contiene 1,8 kg de nitrógeno. [13]
El fósforo en forma de fosfatos se encuentra en compuestos importantes para la vida, como el ADN y el ATP . Los seres humanos consumen aproximadamente 1 g de fósforo al día. [23] El fósforo se encuentra en alimentos como pescado, hígado, pavo, pollo y huevos. La deficiencia de fosfato es un problema conocido como hipofosfatemia . Un ser humano típico de 70 kg contiene 480 g de fósforo. [13]
El arsénico promueve el crecimiento en pollos y ratas y puede ser esencial para los humanos en pequeñas cantidades . Se ha demostrado que el arsénico es útil para metabolizar el aminoácido arginina . Hay 7 mg de arsénico en un ser humano típico de 70 kg. [13]
No se sabe que el antimonio tenga un papel biológico. Las plantas solo absorben pequeñas cantidades de antimonio. Hay aproximadamente 2 mg de antimonio en un ser humano típico de 70 kg. [13]
No se sabe que el bismuto tenga un papel biológico. Los seres humanos ingieren en promedio menos de 20 μg de bismuto por día. Hay menos de 500 μg de bismuto en un ser humano típico de 70 kg. [13]
Toxicidad
El gas nitrógeno es completamente no tóxico , pero respirar gas nitrógeno puro es mortal porque causa asfixia por nitrógeno . [22] La acumulación de burbujas de nitrógeno en la sangre, como las que pueden ocurrir durante el buceo , puede causar una condición conocida como "curvas" ( enfermedad por descompresión ). Muchos compuestos nitrogenados, como el cianuro de hidrógeno y los explosivos a base de nitrógeno, también son muy peligrosos. [13]
El fósforo blanco , un alótropo del fósforo, es tóxico, siendo 1 mg por kg de peso corporal una dosis letal. [11] El fósforo blanco generalmente mata a los humanos una semana después de la ingestión al atacar el hígado . La inhalación de fósforo en su forma gaseosa puede causar una enfermedad industrial llamada " mandíbula blanda ", que carcome la mandíbula. El fósforo blanco también es muy inflamable. Algunos compuestos organofosforados pueden bloquear fatalmente ciertas enzimas en el cuerpo humano. [13]
El arsénico elemental es tóxico, al igual que muchos de sus compuestos inorgánicos ; sin embargo, algunos de sus compuestos orgánicos pueden promover el crecimiento en pollos. [11] La dosis letal de arsénico para un adulto típico es de 200 mg y puede causar diarrea, vómitos, cólicos, deshidratación y coma. La muerte por envenenamiento por arsénico ocurre típicamente en un día. [13]
El antimonio es levemente tóxico. [22] Además, el vino empapado en recipientes de antimonio puede provocar el vómito . [11] Cuando se toma en grandes dosis, el antimonio provoca vómitos en la víctima, que luego parece recuperarse antes de morir varios días después. El antimonio se adhiere a ciertas enzimas y es difícil de desprender. La estibina , o SbH 3 , es mucho más tóxica que el antimonio puro. [13]
El bismuto en sí no es en gran parte tóxico , aunque consumirlo en exceso puede dañar el hígado. Solo se ha informado de la muerte de una persona por envenenamiento con bismuto. [13] Sin embargo, el consumo de sales de bismuto solubles puede hacer que las encías de una persona se vuelvan negras. [11]
Moscovium es demasiado inestable para realizar cualquier química de toxicidad.
Ver también
- Oxipnictida , incluidos los superconductores descubiertos en 2008.
- Ferropnictida , incluidos los superconductores de oxipnictida.
Referencias
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