Pnictógeno

Un pnictógeno (del griego antiguo: πνῑ́γω "ahogar" y -gen, "generador") es cualquiera de los elementos del grupo 15 de la tabla periódica. El grupo 15 también se conoce como grupo de nitrógeno o familia de nitrógeno.. Está formado por los elementos nitrógeno (N), fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb) y bismuto (Bi). Aunque no está confirmado, se predice que el elemento sintético moscovium (Mc) también es un pnictógeno.

Desde 1988, la IUPAC lo denomina Grupo 15. Antes de eso, en América se le llamó Grupo V A, debido a un texto de HC Deming y la Sargent-Welch Scientific Company, mientras que en Europa se le llamó Grupo V B y la IUPAC lo recomendó en 1970. (Pronunciado "grupo cinco A" y "grupo cinco B"; "V" es el número romano 5). En física de semiconductores, todavía se le suele llamar Grupo V. 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 los pentels.

Características

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 da como resultado tendencias en el comportamiento químico.

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 electrones desapareados 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 símbolo del término de Russell-Saunders del estado fundamental en todos los elementos del grupo es 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 pnictides. Los compuestos de pnictide tienden a tener propiedades exóticas, como ser diamagnéticos y paramagnéticos a temperatura ambiente, ser transparentes o generar electricidad cuando se calientan. Otros pnictides incluyen la variedad ternaria de pnictides del grupo principal de tierras raras. Éstos 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 los compuestos iónicos y covalentes y, por lo tanto, tienen propiedades de enlace inusuales.

Estos elementos también se destacan por su estabilidad en los compuestos debido a su tendencia a formar dobles y triples enlaces covalentes. Esta propiedad de estos elementos conduce a su toxicidad potencial, más evidente en el fósforo, el arsénico y el antimonio. Cuando estas sustancias reaccionan con varios químicos del cuerpo, crean fuertes radicales libres que no son fácilmente procesados ​​por el hígado, donde se acumulan. Paradójicamente, este mismo enlace fuerte causa la toxicidad reducida del nitrógeno y el bismuto (cuando están en moléculas), porque estos enlaces fuertes con otros átomos 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 utilizar 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 pnictógeno para aceptar tres electrones en un 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 pnictógeno forma solo tres enlaces simples, los efectos del par solitario generalmente dan como resultado una geometría molecular piramidal trigonal.

Estados de oxidación

Los pnictógenos ligeros (nitrógeno, fósforo y arsénico) tienden a formar cargas −3 cuando se reducen, completando su octeto. Cuando se oxidan o ionizan, los pnictógenos típicamente 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 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 livianos debido a que los electrones de la capa s se estabilizan más.

−3 estado de oxidación

Los pnictógenos pueden reaccionar con el hidrógeno para formar hidruros de pnictógeno como el amoníaco. Descendiendo en el grupo, a fosfano (fosfina), arsano (arsina), estibano (estibina) y, finalmente, bismutono (bismuta), cada hidruro de pnictógeno se vuelve progresivamente menos estable (más inestable), más tóxico y tiene un hidrógeno-hidrógeno más pequeño. ángulo (de 107,8° en amoníaco a 90,48° en bismuto). (Además, técnicamente, solo el amoníaco y el fosfano tienen el pnictógeno en el estado de oxidación −3 porque, para el resto, el pnictógeno es menos electronegativo que el hidrógeno).

Los sólidos cristalinos con pnictógenos completamente reducidos incluyen nitruro de itrio, fosfuro de calcio, arseniuro de sodio, antimoniuro de indio e incluso sales dobles como fosfuro de aluminio, galio e indio. 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, siendo el tricloruro de nitrógeno, el tribromuro de nitrógeno y el triyoduro de nitrógeno explosivos; el triyoduro de nitrógeno es tan sensible a los golpes que el toque de una pluma lo detona (los tres últimos en realidad presentan nitrógeno en el estado de oxidación -3). 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,

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 en el caso del 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 prevé que el moscovio forme los cuatro trihaluros, de los cuales se prevé que todos menos el trifluoruro sean solubles en agua. También se prevé que forme un oxicloruro y un oxibromuro en el estado de oxidación +III.

+5 estado de oxidación

Para el nitrógeno, el estado +5 normalmente sirve 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 uniformemente.Los compuestos pnictógenos con número de coordinación 5 son hipervalentes. El fluoruro de nitrógeno (V) es solo teórico y no se ha sintetizado. El estado "verdadero" +5 es más común para los pnictógenos típicos esencialmente no relativistas fósforo, arsénico y antimonio, como se muestra en sus óxidos, óxido de fósforo (V), óxido de arsénico (V) 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 de fluoruro relacionados, hexafluorofosfato y hexafluoroantimonato, que funcionan como aniones no coordinantes. El fósforo incluso forma óxido-halogenuros mixtos, conocidos como oxihaluros, como el oxicloruro de fósforo, y pentahaluros mixtos, como el trifluorodicloruro de fósforo. Existen compuestos de pentametilpnictógeno (V) para arsénico, antimonio y 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, de modo que los electrones 6s son reacios a unirse químicamente. Esto hace que el óxido de bismuto (V) sea inestabley el fluoruro de bismuto (V) para ser más reactivo que los otros pentafluoruros de pnictógeno, lo que lo convierte en un agente de fluoración extremadamente poderoso. Este efecto es aún más pronunciado para el moscovio, lo 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 adoptar 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 la hidrazina, el difosfano y los derivados orgánicos de los dos, los átomos de nitrógeno o fósforo tienen el estado de oxidación -2. Asimismo, la diimida, que tiene dos átomos de nitrógeno unidos por doble enlace entre sí, y sus derivados orgánicos tienen nitrógeno en el estado de oxidación de -1.
  • De manera similar, el rejalgar 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 están 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 electrón solitario 7p _3/2 es notablemente más baja que la de los electrones 7p _1/2. Se predice que esto hará que +I sea un estado de oxidación común para el moscovio, aunque también ocurre en menor medida para el bismuto y el nitrógeno.

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 ambos pnictógenos, son muy diferentes en sus propiedades físicas. Por ejemplo, en STP, el nitrógeno es un gas no metálico transparente, mientras que el bismuto es un metal blanco plateado.

Las densidades de los pnictógenos aumentan hacia los pnictógenos más pesados. La densidad del nitrógeno es 0,001251 g/cm en STP. La densidad del fósforo es de 1,82 g/cm en STP, la del arsénico es de 5,72 g/cm, la del antimonio es de 6,68 g/cm y la del bismuto es de 9,79 g/cm.

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.

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.

Historia

El compuesto nitrogenado sal amoníaco (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.

El alquimista Hennig Brandt descubrió el fósforo por primera vez 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 no era así.

Los compuestos de arsénico se conocen desde hace al menos 5000 años, y el antiguo griego Theophrastus reconoció los minerales de arsénico llamados rejalgar y oropimente. El arsénico elemental fue descubierto en el siglo XIII por Albertus Magnus.

El antimonio era bien conocido por los antiguos. En el Louvre existe un jarrón de 5000 años de antigüedad hecho de antimonio casi puro. Los compuestos de antimonio se usaban en tintes en la época babilónica. El mineral de antimonio estibina puede haber sido un componente del fuego griego.

El bismuto fue descubierto por primera vez por un alquimista en 1400. Dentro de los 80 años posteriores al descubrimiento del bismuto, tenía aplicaciones en la impresión y decoración de ataúdes. Los incas también usaban bismuto en cuchillos en 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.

Moscovium se produjo con éxito en 2003 al bombardear átomos de americio-243 con átomos de calcio-48.

Nombres y etimología

El término "pnictogen" (o "pnigogen") se deriva de la antigua palabra griega πνίγειν (pnígein) que significa "ahogar", refiriéndose a la propiedad asfixiante o asfixiante del gas nitrógeno. También se puede usar como mnemónico para los dos miembros más comunes, P y N. El término "pnictógeno" 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 "pnicógeno" es más raro que el término "pnictógeno", y la proporción de trabajos de investigación académica que usan "pnictógeno" frente a aquellos que usan "pnicógeno" es de 2,5 a 1. Proviene de la raíz griega πνιγ- (estrangular, estrangular), y por lo tanto la palabra "pnictogen"Stickstoff, respectivamente, "sustancia sofocante": es decir, sustancia en el aire, que no favorece la respiración). Por lo tanto, "pnictogen" podría traducirse como "fabricante de asfixia". La palabra "pnictide" también proviene de la misma raíz.

El nombre pentels (del griego πέντε, pénte, cinco) también representó en un momento a este grupo.

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 mayoría 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.

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. El fósforo se encuentra en minerales de la familia de las apatitas, que son los principales componentes de las rocas fosfóricas.

El arsénico constituye 1,5 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 53º elemento 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 billón de arsénico. El arsénico constituye 100 partes por billón de un ser humano típico por peso. Algo de arsénico existe en forma elemental, pero la mayor parte del arsénico se encuentra en los minerales de arsénico oropimente, rejalgar, arsenopirita y enargita.

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.

El bismuto constituye 48 partes por mil millones de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento número 70 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.

El moscovio se produce con varios átomos a la vez en aceleradores de partículas.

Producción

Nitrógeno

El nitrógeno se puede producir por destilación fraccionada del aire.

Fósforo

El método principal para producir fósforo es reducir los fosfatos con carbono en un horno de arco eléctrico.

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 entre 650 y 700 °C sin oxígeno.

Antimonio

Con minerales de sulfuro, el método por el cual se produce el antimonio depende de la cantidad de antimonio en el mineral en bruto. Si el mineral contiene de 25% a 45% de antimonio por peso, entonces se produce antimonio crudo al fundir el mineral en un alto horno. Si el mineral contiene 45% a 60% de antimonio por 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 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 un horno de reverbero.

Los minerales de antimonio con sulfuros y óxidos mixtos se funden en un alto horno.

Bismuto

Los minerales de bismuto existen, 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.

Moscovio

El moscovio se produce unos pocos átomos a la vez en aceleradores de partículas disparando un haz de iones de calcio-48 al americio hasta que los núcleos se fusionan.

Aplicaciones

• El nitrógeno líquido es un líquido criogénico de uso común.
• El nitrógeno en forma de amoníaco es un nutriente fundamental para la supervivencia de la mayoría de las plantas. La síntesis de amoníaco representa alrededor del 1% al 2% del consumo mundial de energía y la mayor parte del nitrógeno reducido en los alimentos.
• El fósforo se usa en fósforos y bombas incendiarias.
• El fertilizante de fosfato ayuda a alimentar a gran parte del mundo.
• El arsénico se usó históricamente como pigmento verde de París, pero ya no se usa de esta manera debido a su extrema toxicidad.
• El arsénico en forma de compuestos organoarsénicos a veces se usa en la alimentación de pollos.
• El antimonio se alea con plomo para producir algunas balas.
• La moneda de antimonio se usó brevemente en la década de 1930 en partes de China, pero este uso se suspendió porque el antimonio es blando y tóxico.
• El subsalicilato de bismuto es el ingrediente activo de Pepto-Bismol.
• Los calcogenuros de bismuto se están estudiando en ratones cancerosos como candidatos para mejorar la radioterapia en pacientes humanos con cáncer.

Rol biológico

El nitrógeno es un componente de moléculas críticas para la vida en la tierra, como el ADN y los aminoácidos. Los nitratos se producen en algunas plantas, debido a las bacterias presentes en los nudos de la planta. Esto se ve en las plantas leguminosas como los guisantes o las espinacas y la lechuga. Un ser humano típico de 70 kg contiene 1,8 kg de nitrógeno.

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 por día. El fósforo se encuentra en alimentos como el pescado, el hígado, el pavo, el pollo y los huevos. La deficiencia de fosfato es un problema conocido como hipofosfatemia. Un ser humano típico de 70 kg contiene 480 g de fósforo.

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.

No se sabe que el antimonio tenga un papel biológico. Las plantas sólo absorben pequeñas cantidades de antimonio. Hay aproximadamente 2 mg de antimonio en un ser humano típico de 70 kg.

No se sabe que el bismuto tenga un papel biológico. Los 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.

Toxicidad

El gas nitrógeno no es tóxico en absoluto, pero respirar gas nitrógeno puro es mortal porque provoca asfixia por nitrógeno. 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 de nitrógeno, como el cianuro de hidrógeno y los explosivos a base de nitrógeno, también son muy peligrosos.

El fósforo blanco, un alótropo del fósforo, es tóxico, siendo 1 mg por kg de peso corporal una dosis letal. El fósforo blanco generalmente mata a los humanos dentro de una semana de la ingestión al atacar el hígado. Respirar fósforo en su forma gaseosa puede causar una enfermedad industrial llamada "mandíbula fósil", que carcome la mandíbula. El fósforo blanco también es altamente inflamable. Algunos compuestos organofosforados pueden bloquear fatalmente ciertas enzimas en el cuerpo humano.

El arsénico elemental es tóxico, al igual que muchos de sus compuestos inorgánicos; sin embargo, algunos de sus compuestos orgánicos pueden promover el crecimiento de los pollos. 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 con arsénico generalmente ocurre dentro de un día.

El antimonio es levemente tóxico. Además, el vino empapado en recipientes de antimonio puede inducir el vómito. 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 desalojar. La estibina, o SbH ₃, es mucho más tóxica que el antimonio puro.

El bismuto en sí es en gran parte no tóxico, aunque consumirlo en exceso puede dañar el hígado. Se ha informado que solo una persona murió por envenenamiento con bismuto. Sin embargo, el consumo de sales de bismuto solubles puede volver negras las encías de una persona.

Moscovium es demasiado inestable para realizar cualquier química de toxicidad.