عناصر گروه خانواده نیتروژن – گروه ۱۵ جدول تناوبی

گروه ۱۵ جدول تناوبی شامل عناصر نیتروژن و فسفر (به شکل نافلز)، آرسنیک و آنتیموان (به شکل شبه فلز) و بیسموت (یک فلز) است. آرایش الکترونی این عناصر به ns^۲np^۳ ختم می شود و به این عناصر گروه خانواده نیتروژن نیز می گویند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با برخی خصوصیات این عناصر آشنا می کند.

خواص نیتروژن در گروه ۱۵ جدول تناوبی

اولین عنصر گروه ۱۵ جدول تناوبی نیتروژن با عدد اتمی ۷ می باشد. نیتروژن فراوان ترین عنصر اتمسفر و از عناصری است که نقش مهمی در زندگی گیاهان و جانوران دارد. نیتروژن به صورت گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه در دمای معمولی وجود دارد.

 

 

دو اتم نیتروژن به دلیل شعاع اتمی کوچکی که دارند به اندازه کافی به هم نزدیک می شوند و هرکدام سه تا از الکترون های ظرفیت خود را باهم به اشتراک می گذارند که در نتیجه با تشکیل سه پیوند (یک سیگما و دو پیوند پی)، یک مولکول دو اتمی نیتروژن (N_۲) را به وجود می آورند. به دلیل قوی بودن پیوند سه گانه واکنش پذیری نیتروژن خیلی پایین است اما این مولکول در دمای بالا و یا به کمک کاتالیزور می تواند با مواد دیگر وارد واکنش شود. به گاز نیتروژن ازت نیز می گویند و این به خاطر همان بی اثر بودن آن است.

 

نکته

نیتروژن دارای دو ایزوتوپ نیتروژن-۱۴ و نیتروژن-۱۵ است که نیتروژن-۱۴ فراوان ترین ایزوتوپ با نیمه عمر ۹ دقیقه می باشد.

عدد اکسایش نیتروژن بین ۵+ و ۳- است که آمونیاک کمترین عدد اکسایش یعنی ۳- و اسیدنیتریک بیشترین مقدار یعنی ۵+ را دارند.

 

ترکیبات آلی نیتروژن

چون اتم نیتروژن در گروه ۱۵ جدول تناوبی می تواند با بیشتر از یک اتم کربن در زنجیرهای کربنی پیوند برقرار کند در ترکیبات آلی حضور دارد.

مهم ترین ترکیبات آلی که دارای نیتروژن هستند آمین ها است که در آن نیتروژن بین گروه های آلکیلی و آریلی قرار دارد و با توجه به تعداد گروه هایی که در پیوند با این اتم هستند به آمین های نوع اول، دوم، سوم و چهارم تقسیم می شوند. حال اگر در ترکیبات آلی گروه کربونیل متصل به اتم نیتروزن باشد و بین گروه های آلکیلی و آریلی قرار بگیرد آمیدها تشکیل می شوند.

از ترکیبات آلی دیگر این عنصر می توان به آزید ها (با گروه عاملی N_۳)، ترکیبات نیترو (با گروه عاملی NO_۲) و ایمین ها (با پیوند دوگانه کربن-نیتروژن) اشاره کرد.

 

برخی ترکیبات معدنی نیتروژن

آمونیاک

آمونیاک با فرمول NH_۳ مهمترین ترکیب معدنی نیتروژن است. آمونیاک خاصیت بازی دارد. نیتروژن موجود در بدن تمام موجودات زنده توسط گیاهان و از طریق تثبیت نیتروژن یعنی کاهش N_۲ به NH_۳ تأمین می شود. این یک فرآیند حیاتی مهم در زندگی بشر است.

در صنعت، آمونیاک را با عبوردادن مخلوط N_۲ و H_۲ از روی ذرات آهن به عنوان کاتالیزور در دمای ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد و تحت فشار ۲۰۰ الی ۳۰۰ اتمسفر به دست می آورند. این واکنش به فرآیند هابر معروف است.

                                  N_۲(g) + 3H_۲(g) → ۲NH_۳(g)

از آمونیاک در تولید کودهای شیمیایی نظیر اوره، فسفات آمونیوم، سولفات آمونیوم و نیترات آمونیوم استفاده می شود.

 

اکسیدهای نیتروژن

اکسیدهای نیتروژن شامل دی نیتروژن اکسید (N_۲O) ( عدد اکسایش نیتروژن ۱+)، نیتروژن اکسید (NO) و دی نیتروژن دی اکسید (N_۲O_۲) ( عدد اکسایش ۲+)، دی نیتروژن تری اکسید (N_۲O_۳) (عدد اکسایش ۳+)، دی نیتروژن تتروکسید (N_۲O_۴) و نیتروژن دی اکسید (NO_۲) (عدد اکسایش ۴+)، دی نیتروژن پنتوکسید (N_۲O_۵) (عدد اکسایش ۵+) است.

تهیه

اگر نیترات آمونیوم را در دمای ۱۷۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد حرارت دهیم تجزیه شده و دی نیتروژن اکسید به دست می آید.

                               NH_۴NO_۳(s) → N_۲O(s) + 2H_۲O(g)

این ترکیب گازی بی رنگ و غیر سمی است و به گاز خنده معروف است. وقتی گاز NO سرد شود به مولکول دیمر N_۲O_۲ تبدیل می شود. همچنین گاز NO با اکسیژن ترکیب شده به نیتروژن دی اکسید تبدیل می شود که گازی خرمایی رنگ است. از سرد کردن گاز NO_۲ دیمر آن یعنی N_۲O_۴ بیرنگ و از سرد کردن مخلوط NO و NO_۲ دی نیتروژن تری اکسید به رنگ آبی روشن به دست می آید.

 

هیدرازین

یکی دیگر از ترکیبات معدنی نیتروژن از گروه ۱۵ جدول تناوبی هیدرازین با فرمول مولکولی N_۲H_۴ است. از کاربردهای مهم این ترکیب در سوخت موشک، باتری سوختی، لحیم کاری، به عنوان کاتالیزور در واکنش های پلیمرسازی و فراورده های تنباکو را می توان نام برد. در آزمایشگاه برای کاهش آلدهیدها و کتون ها طی یک واکنش اکسایشی – کاهشی به یک آلکان از هیدرازین استفاده می شود. در این واکنش که به واکنش ولف-کیشنر معروف است حد واسط هیدرازون تشکیل می شود.

 

اسید نیتریک

اسید نیتریک یک اسید قوی با فرمول مولکولی HNO_۳ است. مراحل تولید اسید نیتریک به روش استوالد به این ترتیب است :

ابتدا آمونیاک را با هوا در مقابل کاتالیزور پلاتین به اکسید نیتروژن تبدیل می کنند.

    ۴NH_۳(g) + 5O_۲(g) → ۴NO(g) + 6H_۲O(g)

اکسید نیتروژن به دست آمده با مقدار اضافی اکسیژن واکنش داده به دی اکسید نیتروژن تبدیل می شود.

۲NO(g) + O_۲(g) → ۲NO_۲(g)

در انتها

دی اکسید نیتروژن در آب حل شده اسید نیتریک و اکسید نیتروژن به دست می آید.

۳NO_۲(g) + H_۲O(l) → ۲HNO_۳(aq) + NO(g)

از نمک اسید نیتریک در ساخت مواد انفجاری و کودهای شیمیایی استفاده می شود.

 

خواص فسفر

دومین عنصر در گروه ۱۵ جدول تناوبی فسفر با نماد شیمیایی P می باشد. فسفر نقش مهمی در زندگی گیاهان و جانوران دارد. این عنصر در ساختار لیپیدها و اسید نوکلئیک ها و مانند نیتروژن در ساختمان DNA وجود دارد. در تمام غذاهایی که مصرف می شود تقریبا فسفر وجود دارد. فسفر در استخوان ها و دندان ها به صورت ترکیبات فسفات وجود دارد. در کودهای شیمیایی ترکیب های فسفر را داریم و ماده اصلی کبریت فسفر است. فسفر در ساخت آلیاژهای مخصوص، آفت کش ها و برخی پلاستیک ها کاربرد دارد.

 

 

آلوتروپ های فسفر

مهمترین آلوتروپ فسفر، فسفر سفید، حالتی مومی دارد و از مولکول های مجزای P_۴ که در آن بین اتم های فسفر پیوند یگانه برقرار است تشکیل شده است. مولکول فسفر به دلیل این ساختار چهاروجهی بسییار واکنش پذیر بوده و در دمایی بیشتر از دمای اتاق خود به خود آتش می گیرد به این خاطر فسفر سفید را زیر آب نگه داری می کنند.

 

توجه

اگر فسفر سفید تا دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شود پلیمری از مولکول های P_۴ به دست می آید که فسفر قرمز نام دارد و واکنش پذیری کمتری از فسفر سفید دارد. فسفر قرمز در مقابل مقدار کمی انرژی می سوزد و از آن در تهیه کبریت بی خطر استفاده می شود. از گرما دادن و متبلور کردن فسفر قرمز، فسفر بنفش تولید می شود که به شکل لوله های پنج وجهی است. فسفر سیاه مانند گرافیت ساختار لایه ای دارد.عدد اکسایش فسفر در ترکیبات مختلف معمولا ۳- و ۳+ و ۵+ است. تا به امروز ۲۳ ایزوتوپ از فسفر شناسایی شده که فسفر-۳۱ پایدار است. در بین ایزوتوپ های پرتوزای این عنصر فسفر-۳۲ و فسفر-۳۳ پایدار است.

یکی از ترکیبات فسفر گاز دی فسفر (P_۲) است که از حرارت دادن فسفر سفید تا دمای ۸۲۶ درجه سانتیگراد به دست می آید.

 

 

ترکیبات فسفر

 

ترکیبات آلی فسفر

از ترکیبات آلی فسفر که در آن بین اتم کربن و فسفر پیوند کووالانسی وجود دارد می توان استرهای اسید فسفونات و فسفین اکسید را نام برد.

 

ترکیبات معدنی فسفر

فسفید

از واکنش مستقیم فسفر سفید با بسیاری از فلزات جدول تناوبی فسفیدها حاصل می شود. اگر این واکنش با فلزات قلیایی باشد فرمول شیمیایی فسفید M_۳P_۲ و با فلزات قلیایی خاکی به شکل M_۲P_۵ خواهد بود. از هیدرولیز فسفیدها فسفین ها حاصل می شود.

فسفین

فسفین با فرمول مولکولی PH_۳ گازی است سمی و بی رنگ که مانند NH_۳ ساختار هرمی دارد اما توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی ندارد. این ترکیب خاصیت بازی داشته و از واکنش فسفر سفید با محلول غلیظ قلیایی به دست می آید.

هالیدهای فسفر

هالیدهای فسفر ترکیبات کووالنسی هستند. از ترکیب مستقیم فسفر سفید (به مقدار اضافی) با کلر PCl_۳ و PCl_۴ حاصل می شود. اگر در واکنش فسفر با کلر مقدار هالوژن زیاد باشد PCl_۵ به دست می آید. این واکنش ها با تمام هالوژن ها انجام می شود.

اکسید فسفر

از سوختن فسفر در مجاورت هوا اکسید فسفر P_۴O_۶(III) حاصل می شود که ماده ای بی رنگ است. اگر مقدار اکسیژن در این واکنش زیاد باشد اکسید فسفر P_۴O_۱۰ که گردی سفیدرنگ است به دست می آید. از ترکیب آب با این اکسید فسفر اسید فسفریک به دست می آید.

اسید فسفریک

اسید اورتوفسفریک که به ان اسیدفسفریک می گویند جامدی بی رنگ است که به صورت محلول ۸۵٪ به فروش می رسد. در صنعت اسید فسفریک را از اثر اسیدسولفوریک بر سنگ فسفات به دست می آورند. اسیدهای پلی فسفریک در ساختمان خود بیش از یک اتم فسفر دارند.

فسفات ها و پلی فسفات ها

به نمک های اسیدفسفریک و اسیدپلی فسفریک به ترتیب فسفات و پلی فسفات می گویند. از این نمک ها در داروسازی، نوشابه های گازدار، به عنوان محلول بافر، در ترکیب شوینده ها و تهیه کودهای شیمیایی استفاده می کنند.

 

خواص و کاربرد آنتیموان

آنتیوان سومین عنصر گروه خانواده نیتروژن است که نماد شیمیایی آن Sb است که از نظر ظاهری و فیزیکی شبیه فلز بوده ولی از نظر شیمیایی مثل یک فلز رفتار نمی کند. آنتیموان دارای دارای دو ایزوتوپ پایدار آنتیموان-۱۲۱ و آنتیموان-۱۲۳ و همچنین ۳۵ ایزوتوپ رادیواکتیو است. آنتیموان بسیار سمی بوده و در دمای اتاق با هوا واکنشی ندارد اما در مجاورت گرما سریع آتش می گیرد. آنتیموان رسانایی الکتریکی و گرمایی کمی دارد و از آن به عنوان نیمه رسانا استفاده می شود. از این عنصر و ترکیبات آن به عنوان سخت کننده در سرب ( به صورت آلیاژ)، در آلیاژهای ضداصطکاک، فلز ویژه حروف چاپ، روکش کابل، شیشه، سرامیک و رنگ و موارد بسیار دیگری استفاده می شود.

خواص و کاربرد بیسموت

بیسموت یکی دیگر از عناصر گروه ۱۵ جدول تناوبیاست. این عنصر فلزی سفیدرنگ، سنگین و شکننده با نماد شیمیایی Bi که از نظر شیمیایی شبیه آرسنیک و آنتیموان است. بیسموت دارای مقاومت الکتریکی بالایی بوده و با شعله آبی رنگی می سوزد. از بیسموت به جای سرب در ظروف سفالی، وزنه های ماهیگیری، ساچمه های شکار پرندگان و روغن کاری استفاده می کنند. از بیسموت در تولید لوازم آرایشی، آهن ربا، به عنوان مواد ترموکوپل، در لحیم کاری و پزشکی استفاده می شود.