Глава 2. Изменение в группе радиуса атомов и ионов, потенциала ионизации

Введение

К элементам главной подгруппы V группы периодической системы относятся: азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут. Эти элементы имеют электронную конфигурацию внешнего уровня: nS2nP3 и могут проявлять степени окисления от –3 до +5. В подгруппе сверху вниз происходит усиление металлических и восстановительных свойств и ослабление неметаллических. Азот и фосфор являются типичными неметаллами, мышьяк проявляет и металлические свойства, сурьма и висмут - типичные металлы

Актуальность выбранной темы не может вызывать сомнений, так как элементы V-А группы периодической системы Д.И. Менделеева применяются самым широким образом. Это и фармацевтическая, и горно-перерабатывающая промышленности, производство красителей, поверхностно-активных веществ, гербицидов, инсектицидов (применение в сельском хозяйстве) и др., применение в органическом синтезе, и прочее.

Целью данной работы заключается в том, что нужно дать общую характеристику элементам подгруппы азота на основании сходства и различия в строении атомов; на примере азота выяснить характерные особенности элементов V группы главной подгруппы

Глава 1. Общая характеристика, история открытия и распространение в природе.

Главную подгруппу V группы составляют р-элементы: азот N, фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb и висмут Bi. Атомы этих элементов имеют на внешнем энергетичес­ком уровне по 5 электронов, из которых два спаренных находятся на s-подуровне, а три не спаренных на р-подуровне.

Одинаковое строение внешнего электронного слоя ато­мов обусловливает ряд общих характеристик рассматри­ваемых элементов. Высшая степень окисления в соедине­ниях равна +5 (все 5 валентных электронов смещаются к более электроотрицательным атомам); низшая степень окисления равна -3 (атомы могут смещать к себе от ме­нее электроотрицательных атомов недостающие до завер­шения октета 3 электрона). В связи с этим высшие окси­ды имеют общую формулу R₂0₅, а водородные соединения - RН₃.Из промежуточных степеней окисления +3 яв­ляется общей для всех элементов.

Изменение свойств элементов по мере увеличения атом­ного радиуса (сверху вниз по подгруппе) происходит го­раздо более резко, чем в главных подгруппах VII и VI групп. Первые два элемента (азот и фосфор) являются типичными неметаллами, мышьяк уже проявляет при­знаки металличности, значительно усиливающиеся у сурь­мы и висмута, которые принадлежат к металлам. Эти различия проявляются как в свойствах простых веществ, образуемых элементами, так и в свойствах сложных ве­ществ, прежде всего оксидов и гидроксидов.

Аналогичные соединения со степенью окисления эле­ментов +5 имеют более кислотный характер, но их устой­чивость снижается с увеличением порядкового номера элемента так, что для сурьмы и висмута они вообще не являются характерными.

Усиление металлических свойств элементов сверху вниз по подгруппе проявляется и в свойствах образуемых ими газообразных водородных соединений. В ряду NH₃-PH₃- AsH₃-SbH₃-BiH₃ устойчивость молекул резко уменьшается, висмутин BiH₃ разлагается уже при комнатной тем­пературе. По химическим свойствам они принципиально отличаются от аналогичных водородных соединений га­логенов и халькогенов: водные раствора NH₃ и РН₃ об­ладают слабоосновными свойствами, а не кислотными (как например, НС1 и H₂S). Общей важной характеристи­кой водородных соединений элементов подгруппы азота является их неприятный запах и ядовитые свойства, ко­торые усиливаются в ряду NH₃- PH₃- AsH₃

Азот - важнейшая составная часть атмосферы (78% ее объема). В природе встречается в белках, в залежах нитрата натрия. Природный азот состоит из двух изотопов: 14N (99,635% массы) и 15N (0,365% массы).
Фосфор входит в состав всех живых организмов. В природе встречается в виде минералов. Фосфор широко применяется в медицине, сельском хозяйстве, авиации, при добыче драгметаллов.
Мышьяк, сурьма и висмут распространены достаточно широко, в основном в виде сульфидных руд. Мышьяк - один из элементов жизни, способствующий росту волос. Соединения мышьяка ядовиты, но в малых дозах могут оказывать лечебное свойства.

Открытие элементов подгруппы азота:

Азот.

Азот относительно инертный газ, содержание которого в воздухе достигает 78 % . Из-за своей инертности для того, чтобы превратить азот в жизненно важные соединения (например, белки) требуются большие затраты энергии. Но с другой стороны, если бы не было инертности, то в атмосфере азо просто бы реагировал с кислородом, в результате чего образовались бы оксиды и атмосфера стала бы непригодна для жизни. Но с другой стороны азот усваивается организмами только в связанном виде. Таков парадокс азота.

Впервые азот изучен Даниэлем Резерфордом. После того как Д. Блек открыл реакцию взаимодействия углекислого газа с известковой водой, Резерфордом исследовал изменения состава воздуха, после того как в нём жило и погибало живое существо (в закрытом объёме). После того как углекислый газ поглощался щёлочью, оставшаяся часть газа не поддерживает горение, да и живые существа мгновенно погибали.

В примерно то же время азот был выделен из воздуха учеными-химиками Г. Кавендишем и К. Шееле, оба они в отличие от Д. Резерфорда поняли, что азот - это лишь составная часть воздухао составная часть.Кавендиш писал: «Я переводил обыкновенный воздух из одного сосуда через раскаленные угли в другой, потом через свежий горящий уголь - в следующий сосуд, поглощая каждый раз образующийся фиксируемый воздух (углекислый газ) кусковой известью. Удельный вес полученного газа оказался лишь незначительно разнящимся от удельного веса обыкновенного воздуха: из обоих газов азот несколько легче воздуха. Он гасит пламя и делает обыкновенный воздух неспособным возбуждать горение, так же как и фиксируемый воздух (CO2), но в меньшей степени"

Из за того, что в азоте погибали организмы, А. Лавуазье назвал его азотом. Согласно Лавуазье, «азот» означает «безжизненный», и слово это произведено от греческого «а» - отрицание и «зоэ» -жизнь. Такое название сохранилось в русском и французском языках, а в англосаксонских азот называют Nitrogen - «рождающий селитру», немцы же дали азоту название Stickstoff - «удушающая материя»

Фосфор.

История открытия химических элементов полна личных драм, различных неожиданностей, таинственных загадок и удивительных легенд.
Иногда исследователя подстерегал трагический финал, как, например, это случилось с первооткрывателем фтора. Но чаще успех оказывался верным спутником тех, кто умел пристально всматриваться в природные явления.
Древние фолианты сохранили для нас отдельные эпизоды из жизни отставного солдата и гамбургского купца. Звали его Хенниг Бранд (ок. 1630-?). Его купеческие дела шли не блестяще, и именно по этой причине он сремился выбраться из нищеты. Она его ужасно угнетала. И Бранд решил попытать счастья в алхимии. Тем более что в XVII в. в отличие от нашего XX в. считалось вполне возможным найти «философский камень», который способен превращать неблагородные металлы в золото.

Бранд провел уже множество опытов с различными веществами, но ничего дельного у него не получалось. Однажды он решил провести химический эксперимент с мочой. Выпарил ее почти досуха и оставшийся светло-желтый осадок смешал с углем и песком, нагревая в реторте без доступа воздуха. В результате Бранд получил новое вещество, которое обладало удивительным свойством-светиться в темноте.
Так в 1669 г. был открыт фосфор, играющий исключительно важную роль в живой природе: в растительном мире, в организме животных и человека.
Счастливый ученый не замедлил воспользоваться необычным свойством нового вещества и стал демонстрировать светящийся фосфор знатным особам за довольно высокое вознаграждение. Все, что соприкасалось с фосфором, приобретало способность светиться. Достаточно было помазать фосфором пальцы, волосы или предметы, и они вспыхивали таинственным голубовато-белым светом. Религиозно и мистически настроенные богатые люди того времени диву давались, смотря на различные манипуляции Бранда с этим «божественным» веществом. Он ловко использовал огромный интерес ученых и широкой публики к фосфору и стал продавать его по цене, превосходившей даже стоимость золота. X. Бранд производил фосфор в больших количествах и держал способ его получения в строжайшей тайне. Никто из других алхимиков не мог проникнуть в его лабораторию, и поэтому многие из них стали лихорадочно ставить различные опыты, стремясь раскрыть секрет изготовления фосфора.
Известный немецкий химик И. Кункель (1630-1703) посоветовал своему другу-коллеге И. Крафту уговорить X. Бранда продать секрет получения фосфора. И. Крафту удалось склонить первооткрывателя на эту сделку за 100 талеров', однако новый владелец секрета получения «вечного огня» оказался корыстным человеком и, не сказав своему другу И. Кункелю ни одного слова о приобретении рецепта, стал наживать огромные суммы денег на демонстрациях фосфора публике.

Вскоре рецепт изготовления «холодного огня» стал известен И. Кункелю и К. Кирхмейеру, а в 1680 г. секрет получения фосфора был открыт в Англии знаменитым химиком Р. Бойлем. После смерти Р. Бойля его ученик немец А. Ганквиц, улучшив методику получения фосфора, наладил его производство и даже попытался изготовить первые спички. Он снабжал фосфором научные учреждения Европы и отдельных лиц, желающих приобрести его. Для расширения торговых связей А. Ганквиц посетил Голландию, Францию, Италию и Германию, заключая новые договора на продажу фосфора. В Лондоне им была основана фармацевтическая фирма, получившая широкую известность. Любопытно, что А. Ганквиц, несмотря на свою длительную работу с фосфором и весьма опасные опыты с ним, дожил до восьмидесятилетнего возраста. Он пережил трех своих сыновей и всех тех, кто принимал участие в работах, относящихся к ранней истории фосфора.
Цена на фосфор со времени открытия его И. Кункелем и Р. Бойлем стала быстро падать, и в конце концов наследники первооткрывателей стали знакомить с секретом получения фосфора всего за 10 талеров.

Мышьяк

Мышьяк является одним из древнейших элементов, используемых человеком. Сульфиды сурьмы As2S3 и As4S4, так называемые аурипигмент ("арсеник") и реальгар, были знакомы римлянам и грекам. Эти вещества были очень ядовиты.
Мышьяк является одним из элементов, встречающихся в природе в свободном виде. Его можно сравнительно легко выделить из соединений. Поэтому, кто впервые получил в свободном состоянии элементарный мышьяк, история не знает. Многие приписывают роль первооткрывателя алхимику Альберту Великому. В трудах Парацельса также описано получение мышьяка в результате реакции арсеника с яичной скорлупой. Многие историки науки предполагают, что металлический мышьяк был получен значительно раньше, но он считался представителем самородной ртути. Это можно объяснить тем, что сульфид мышьяка был очень похож на ртутный минерал. И выделение из него было очень легким, как и при выделении ртути.
Элементарный мышьяк, был известен в Европе и в Азии еще со средних веков. Китайцы получали его из руд. Мышьяк - ядовитое вещество. Европейцы не могли диагностировать наступление смерти из-за отравления мышьяком, а вот китайцы могли это делать. Но этот метод анализа до настоящих времен не дошел, так и остался загадкой. Европейцы научились определять наступление смерти при отравлении мышьяком, это впервые сделал Д.Марше. Данная реакция используется и в настоящее время.

Мышьяк иногда встречается в оловянных рудах. В китайской литературе средних веков описаны случаи смерти людей, которые выпивали воду или вино из оловянных сосудов, из-за наличия в нем мышьяка.
Сравнительно долго люди путали сам мышьяк и его оксид, принимали за одно вещество. Это недоразумение было устранено Г.Брандтом и А.Лавуазье, котрые и доказали, что это разные вещества, и что мышьяк -самостоятельный химический элемент.
Оксид мышьяка долгое время использовался для уничтожения грызунов. Отсюда и происхождение русского названия элемента. Оно происходит от слов "мышь" и "яд".

Сурьма

Сурьма является одним из тех элементов, который был известен человекеу еще с древнейших времен. По предположению некоторых исследователей, металлическая сурьма применялась в Южной Вавилонии более 5000 лет назад. Из неё делали различные сосуды.Но основным способом применения сурьмы были косметические средства. Из соединений сурьмы изготавливались различные румяна, тушь для бровей. В Египте, однако, сурьма вероятно не была известна. При раскраске мумий её соединения не применялись, о чем говорят результаты анализов
Вдревние века сурьму очень часто путали с другим металлом-свинцом.В алхимики, жившие в эпоху Возрождения, уже представляли, сурьма относится к металлам и отлична от других.
Латинское название сурьмы "антимоний". Существует версия, что оно произошло от слова "антимонос", что в переводе с греческого означает дословно "противник уединения". Ведь сурьма очень часто присутствует в других минералах.
По другой версии antimonium означает "противомонашеский". Существует легенда, в которой один из настоятелей католического монастыря, проводя эксперименты по изучению лечебных свойств сурьмы, добавлял ее в пищу монахам. Многие из них погибли. Сурьма является ядовитым веществом, смертельная доза для человека около 100 мг.
Русское название-сурьма, происходит от тюрского слова такого же звучания. Оно означало -мазь, грим. Название сурьма в России стало использоваться с 1724 года.

Висмут

История висмута (англ. Bismuth, франц. Bismuth, нем. Wismut) сложна, так как вплоть до XVIII в. этот металл путали со свинцом, оловом и сурьмой. Как своеобразный металл, а также в виде солей, висмут был известен в Центральной Европе с XV в. под разными названиями. Он упоминается у многих авторов книг XV - XVII вв., в частности, у Валентина и Парацельса; его производство описано Агриколой. Липпман в своей книге "Geschichte des Wismuts zwischen 1460 und 1800" (1930) приводит 21 название металла, встречающееся в литературе XV - XVII вв. В "Алхимическом словаре" Руланда (1612) висмут (Bisematum) объясняется как "всякий легчайший, бледнейший и дешевейший свинец", в другом месте "Словаря" говорится о белом висмуте, как синониме альбедо (albe do - белое), белом марказите (под которым, однако, понимали не минерал FeS2 некоторые металлические руды), свинцовой золе (Plumbum cinereum) и др. В XVI и XVII вв. висмут широко применялся в сплавах (в частности, в типографском сплаве), а его соли - в медицине и косметике, но лишь в XVIII в. Потт и Бергман установили его различия от других металлов и предложили считать висмут простым телом. Происхождение названия висмута неясно. По мнению Липпмана, наиболее вероятно, что оно произошло от горняцких слов wis и mat (искаженно weisse masse и weisse materia), т. е. белая масса, белая материя. В русской научной литературе сведения о висмуте имеются у Ломоносова в его "Первых основаниях металлургии". В "Словаре химическом" Кадета, изданном Севергиным в 1810 г., висмут и некоторые его соединения описаны довольно подробно и приведены многие синонимы названия: демогоргон (Demogorgon), глаура (Glaure), нимфа (Nimphe), стекловатое (хрупкое) олово (Etain de glace), серое олово (Etain gris). В начале XIX в. висмут в России называли иногда визмутом и бисмутом.

Глава 2. Изменение в группе радиуса атомов и ионов, потенциала ионизации.

Атомный радиус - характеристика атома, позволяющая приближённо оценивать межатомные (межъядерные) расстояния в молекулах и кристаллах. T. к. атомы не имеют чётких границ, при введении понятия атомного радиуса подразумевают, что 90-98% электронной плотности атома заключено в сфере этого радиуса. Атомные радиусы имеют порядок 0,1 HM, однако даже небольшие различия в их значениях могут определять структуру построенных из них кристаллов, сказываются на равновесной геометрии молекул и т. д. Для мн. задач кратчайшие расстояния между атомами в молекулах и конденсированных средах можно считать суммой их атомные радиусы, однако такая аддитивность весьма приближённа и выполняется не во всех случаях. В зависимости от того, какие силы действуют между атомами различают металлические, ионные, ковалентные и ван-дер-ваальсовы атомные радиусы.

Согласно периодическому закону Д.И.Менделеева изменение радиусов атомов элемента меняется периодически, увеличиваясь при движении по группе. Так у азота атомный радиус составляет 0,07 нм, фосфор-0,11 нм, мышьяк-0,121 нм, сурьма-0,161 нм и у висмута-0,181 нм.

Потенциал ионизации

Потенциал ионизации атома - минимальная разность потенциалов U, к-рую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома.

Соответственно различаю второй, третий и т.д. потенциалы ионизации.

Первый потенциал ионизации атома - та работа, которую надо затратить для удаления первого электрона из атома.

Чаще употребляемое понятие - энергия ионизации E. Это минимальная энергия, которую надо затратить для удаления электрона из атома.

Потенциал ионизации U тесно связан с энергией ионизации соотношением:

E=Ue,

где е- элементарный электрический заряд.

Энергия ионизации атома является внутренним свойством частицы и не зависит от способа ионизации, тогда как потенциал ионизации, можно сказать,- характеристика исторически первого метода ионизации.

Энергия ионизации атома, выраженная в эВ (электрон-вольтах), численно совпадает с потенциалом ионизации атома, выраженным в В (вольтах).

Потенциал ионизации атомов

№ пор.	Элемент	Потенциал ионизации
	N	14.48
	P	10.3
	As	9.96
	Sb	8.35
	Bi	7.25

Таким образом, потенциал ионизации уменьшается по группе, т.е с увеличение порядкового номера, радиуса атома работа, необходимая для удаления электрона, уменьшается.