Chương 3: Nhóm VA (block 15)
Các nguyên tố block 15
ns2np3
Chu kì
15
2
N
Nitrogen
7
3
P
Phosphorus
15
4
As
5
Sb
Antimony
51
6
Bi
Bismuth
83
Arsenic
33
KEY ATOMIC PROPERTIES, PHYSICAL PROPERTIES, AND REACTIONS
Xu hướng chung
• Nitơ là một khí lưỡng nguyên tử (N2) có nhiệt độ sôi rất
thấp, do lực liên phân tử của nó rất yếu.
• Phosphorus tồn tại phổ biến nhất dưới dạng các phân tử P4
tứ diện.
• Arsenic tồn tại dưới dạng tấm mở rộng chứa các nguyên tử
As, liên kết cộng hóa trị với nhau. Cấu trúc mạng cộng hóa
trị mang lại cho nó nhiệt độ nóng chảy cao.
• Antimony cũng có cấu trúc mạng lưới cộng hóa trị.
• Bismuth có liên kết kim loại. Điểm nóng chảy của nó thấp
hơn của As hoặc Sb.
Xu hướng chung
• N nhận 3 electrons hình thành anion N3-, nhưng chỉ trong
hợp chất với kim loại có tính khử mạnh
• Các nguyên tố cuối dãy là kim loại, mất electron hình thành
cation.
• Các oxide có tính chất chuyển từ acid → lưỡng tính →
base khi đi từ trên xuống dưới
• All Group 5A(15) elements form gaseous hydrides with the
formula EH3.
– All except NH3 are extremely reactive and toxic.
Xu hướng chung của các hydride
• Hydrides of other group members are formed by reaction in water
or acid of a metal phosphide, arsenide, etc.
– Ca3P2(s) + 6H2O(l) → 2PH3(g) + 3Ca(OH)2(aq)
• Halides are formed by direct combination of the elements:
– 2E(s) + 3X2 → 2EX3
(E = all except N)
– EX3 + X2 → EX5(E = all except N and Bi with X = F and Cl,
but no BiF5; E = P for X = Br)
• Oxoacids are formed from the halides in a reaction with water:
– EX3 + 3H2O(l) → H3EO3(aq) + 3HX(aq)
(E = all except N)
– EX5 + 4H2O(l) → H3EO4(aq) + 5HX(aq)
(E = all except N
and Bi)
Xu hướng chung của các hydride
• Halides are formed by direct combination of the elements:
– 2E(s) + 3X2 → 2EX3
(E = all except N)
– EX3 + X2 → EX5
(E = all except N and Bi with X = F and Cl, but no BiF5; E = P for X = Br)
• Oxoacids are formed from the halides in a reaction with water:
EX3 + 3H2O(l) → H3EO3(aq) + 3HX(aq) (E = all except N)
EX5 + 4H2O(l) → H3EO4(aq) + 5HX(aq) (E = all except N and Bi)
The molecules of the types
MX3, MX5, and MX6
formed by group 5A
elements
Nitrogen
• Nitrogen
– Mineral sources of nitrogen: saltpeter (KNO3) and
Chile saltpeter (NaNO3)
– Nitrogen is an essential element of life
• A component of proteins and nucleic acids
– N2 is obtained by the fractional distillation of air
– N2 contains a triple bond and is stable
– Forms variable oxidation states
• Nitrogen is “fixed” industrially in the Haber process:
– N2(g) + 3H2(g) D 2NH3(g)
The Haber
process for the
manufacture of
ammonia
•Common (important) forms of nitrogen
–Nitride ion, N3−, a strong BrØnsted base
–Ammonia, NH3
•Thực hiện quá trình tự ion hóa để tạo ra ion amide bazơ,
NH2–Hydrazine, N2H4
•Basic
•Reducing Agent
Oxides of Nitrogen
• Nitrogen forms six stable oxides. DHf for all six oxides is
positive because of the great strength of the NΞN bond.
• NO is produced by the oxidation of ammonia:
– 4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) +6H2O(g)
– This is the first step in the production of nitric acid.
• NO is converted to 2 other oxides by heating:
3NO(g)
Δ
N2O(g) + NO2(g)
– This type of redox reaction is called disproportionation.
• NO2 is a component of photochemical smog (sương mù
quang hóa)
The Molecular Orbital Energy-Level Diagram for Nitric Oxide
(NO)
Structures and Properties of the Nitrogen Oxides
• Nitric acid (HNO3)
– Powerful oxidizing agent
– Can be reduced to NH4+
– Aqua regia – 1:3 mixture of concentrated HCl and
concentrated HNO3
• Even oxidizes gold
– Oxidizes nonmetals to oxoacids
– Used in manufacture of
• Fertilizers
• Drugs
• Explosives (thuốc nổ)
• Dyes
Pư HNO3 oxi hóa Au, Pt chậm, nhưng nếu có mặt HCl thì tốc
độ pư tăng nhanh. Tại sao?
The Ostwald
Process
Nitrogen Oxoacids and Oxoanions
• Nitric acid (HNO3) is produced by the Ostwald process:
– The third step is 3NO2(g) + H2O (l) → 2HNO3 + NO(g)
• Nitric acid is a strong oxidizing agent as well as a strong
acid.
• The nitrate (NO3-) also acts as an oxidizing agent.
– All nitrate salts are water soluble.
• Nitrous acid (HNO2) is a much weaker acid than nitric acid.
– This follows the general pattern for oxoacids – the more O atoms
bonded to the central nonmetal, the stronger the acid.
The structures of nitric and nitrous acids and their oxoanions
Potential diagram for nitrogen at pH=0
Các dạng thù hình của phosphorus
Two allotropes of phosphorous
White phosphorous (P4)
Strained bonds in P4
Red phosphorous
(a) The P4 Molecule Found in White Phosphorus
(b) The Crystalline Network Structure of Black Phosphorous
(c) The Chain Structure of Red Phosphorus
•Phosphorus
–Occurs most commonly in nature as phosphate rocks
• calcium phosphate [Ca3(PO4)2]
• fluoroapatite [Ca5(PO4)3F]
–Allotropic forms of phosphorus
• Red phosphorus
Ca5(PO4)3F
– Reactions of phosphorus
• Formation of phosphine (PH3)
• Formation of phosphoric acid
• Reaction with the halogens
• Acid production from halides
• Reaction with oxygen to produce acidic oxides
The structures of
P4O6 and P4O10
Important oxides of phosphorous
P4O6 has P in its +3 oxidation state.
P4O10 has P in its +5 oxidation state.
This compound is a powerful drying agent.
Structures of the
phosphorus halides
(a) The Structure of Phosphorous Acid (H3PO3)
(b) The Structure of Hypophosphorous Acid (H3PO2)
Oxoacids of Phosphorus
H3PO3 has only two acidic H atoms; the third is bonded to the
central P and does not dissociate (phân tách)
H3PO4 has three acidic H atoms. It is a weak acid, but in strong
base all three H+ are lost to give the phosphate anion.
The diphosphate ion and polyphosphates
Hydrogen phosphates lose water when heated to give
polyphosphates, which contain P–O–P linkages.
• Oxoacids of phosphorus
What is Arsenic?
•Arsenic is an element which occurs naturally in the
environment.
•It combines with other metals and chemicals to make minerals in
ores.
•It is associated with the mining of other metals; copper, silver,
gold.
•It has toxic effects at both high and low exposure levels.
•Arsenic is categorized (xếp loại) as a human carcinogen
(cancer causing).
•Exposure to arsenic may affect children – lifetime toxic effect.
Properties
•Arsenic
–Atomic number: 33
–Relative Mass: 74.92
–Metalloid (á kim)
–Grey or Yellow or Black color
• Grey
–Density: 5.73 g/m2
–Semiconductor and solid
• Yellow (As4)
–Soft and waxy; density: 1.97 g/m2
–Volatile and toxic
• Black
–Glassy and brittle
–Low conductor
History
•
•
Discovered by Albertus Magnus, 1250
Used for strengthening metals: copper and lead
– Automotive batteries
– Semiconductor in electronic devices
•
Used in production of pesticides:
– To treat wood products
– Also herbicides (diệt cỏ) and insecticides (trừ sâu)
•
In painting pigments:
– As2S3 and As4S4
Also used in medicine as antibiotic (past)
The many forms of arsenic
• Inorganic arsenic - Does not contain carbon but may
contain other elements such as oxygen, chlorine, and
sulfur.
• Organic arsenic - Contains carbon and/or hydrogen.
Inorganic • Poisonous
Arsenic
(toxic) form
Organic
Arsenic
• Nonpoisonous
(less toxic) form
Inorganic Arsenic
•
•
•
•
Sources of arsenic in surface and ground water.
Found in mining and industrial waste.
Naturally occurring in soil and rocks.
Also used as a wood preservative (bảo quản, chromated
copper arsenate) and leukemia (bạch cầu) treatment
(Arsenic trioxide).
Organic Arsenic
• Bacteria, fungi (nấm), and some
plants convert inorganic arsenic to
organic arsenic compounds.
• Varying amount are found in living
organisms:
– Animals
– Plants
– Seafood
• Also used in pesticides/insecticides
(thuốc trừ sâu, monosodium
methane arsonate) and poultry feed
additive (phụ gia thức ăn gia cầm, 3Nitro).
Arsenic Uses
Ancient Uses
• Pigment – dye
• Medicine – for infection
(nhiễm trùng)
• Tanning – leather (thuộc
da)
• Skin whitener
Current Uses
• Wood preservative
• Insecticide
• Defoliant – cacodylic acid
makes plants drop their
leaves
• Semiconductor – gallium
arsenide
• Medicine – arsenic trioxide
is a treatment for leukemia
(bệnh bạch cầu)
Exposure Pathways
Sources of Arsenic Exposure
• Routes of Exposure:
– Inhalation
– Water
– Food
• It is wide spread in the
environment:
– Pesticides
– Industry
– Minerals/Ores
Arsenic Poisoning: Effects of a High (Acute) Dose Exposure
•
•
•
•
•
•
•
Tired
Stomach Pains
Dryness in throat – hoarse/difficult to speak
Vomit (nôn) – streaked with blood
Diarrhea (tiêu chảy)
Difficult in urinating – burning (khó tiểu, nóng rát)
Convulsions – twitching and shaking rapidly and
uncontrollably (Co giật - co giật và run rẩy nhanh
chóng và không thể kiểm soát)
• Delirium (mê sảng)
• Death
How can you Reduce Exposure!
• Behavioral changes:
– Wash hands
• Treatment technologies:
– Adsorption media and reserve
osmosis (thẩm thấu ngược)
• Cleaning techniques:
– Wet sweeping or dusting
• Consumer Choices:
– Reduce use of arsenic containing
pesticides
– Get rid (loại bỏ) of pressure treated
wood products
– Food choices
Antimony (Sb)
Antimony is obtained from stibnite by reduction using
scrap iron (sắt vụn) or by conversion to Sb2O3 followed
by reduction with C.
Sb2S3 + 3Fe → 2Sb + 3FeS
Antimony (Sb), trang 256
Bismuth
The extraction of Bi from its sulfide or oxide ores involves
reduction with carbon (via the oxide when the ore is
Bi2S3), but the metal is also obtained as a byproduct of
Pb, Cu, Sn, Ag and Au refining processes.
Trả lời các câu hỏi sau vào vở
1. Cho một luồng không khí có chứa các hợp chất: hơi nước, H2S, CO2 qua
các dung dịch NaOH đặc, H2SO4 đặc. Sau khi hợp chất đã bị hấp thụ hết,
thu được một hỗn hợp khí A. So sánh tính chất lí hoá của các khí trong
hỗn hợp A. Viết các phản ứng xảy ra.
2. Trình bày cấu tạo của phân tử NH3. Từ cấu tạo giải thích nguyên nhân
gây ra các đặc tính lí, hoá của NH3. Tại sao NH3 không phản ứng với các
base?
3. Tại sao phân tử CH4 không có khả năng kết hợp proton như NH3?
4. Giải thích tại sao các muối ammonium có tính chất giống muối kim loại
kiềm? Sự khác nhau giữa hai loại muối đó.
5. So sánh công thức cấu tạo của hydrazine và hydroxylamine? Hai chất đó
có đặc điểm gì giống với phân tử ammoniac?
Phương pháp điều chế hydrazine và hydroxylamine.
6. Mô tả công thức cấu tạo của P trắng và các dạng thù hình của
phosphorus. Trong những điều kiện nào các dạng thù hình đó có thể biến đổi
cho nhau? Tại sao P trắng có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn P đỏ? Tại sao P
trắng dễ tạo ra mạng tinh thể, còn P đỏ lại là chất vô định hình?
Trả lời các câu hỏi sau vào vở
7. Ở điều kiện thường, nitrogen là chất khí, nhưng phosphorus là chất rắn.
Giải thích nguyên nhân.
Tại sao P là nguyên tố có độ âm điện bé hơn N nhưng ở điều kiện thường lại
hoạt động mạnh hơn N.
Tìm dẫn chứng để minh hoạ rằng trong các dạng thù hình của phosphorus
thì P trắng hoạt động mạnh nhất. Giải thích.
8. Tại sao các dụng cụ thuỷ tinh sau khi dùng làm thí nghiệm về P phải ngâm
trong dung dịch CuSO4?
9. Sản phẩm nào được tạo thành khi thuỷ phân PCl3 và PCl5? Có thể viết
phương trình thuỷ phân đó dưới dạng ion được không?
10. Tại sao khi cho muối calcium của phosphoric acid tan trong acetic acid và
trong chlohydric acid lại thu được các sản phẩm khác nhau? Viết các
phương trình phản ứng.
11. Nguyên nhân sự biến thiên độ bền nhiệt của các hợp chất trong dãy từ
NH3 đến BiH3.
12. So sánh tính khử của các hợp chất chứa hydrogen của các nguyên tố
thuộc nhóm VA.