第15族元素

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15
周期
2 7
N
3 15
P
4 33
As
5 51
Sb
6 83
Bi
7 115
Uup

第15族元素(だいじゅうごぞくげんそ)は、周期表において第15族に属する窒素リンヒ素アンチモンビスマスウンウンペンチウムのこと。窒素族元素V族元素(ごぞくげんそ)、プニクトゲン (またはニクトゲン、pnictogen)とよばれることもある。

これらの単体は古くから知られており、ヒ素、アンチモン、ビスマスは近代以前に知られていた。リンが17世紀、窒素は18世紀の発見である。

性質[編集]

第15族元素は価電子に ns2np3 の5電子を持つ電子構造を有する。

窒素
7N
リン
15P
ヒ素
33As
アンチモン
51Sb
ビスマス
83Bi
電子配置 [He]2s22p3 [Ne]3s23p3 [Ar]3d104s24p3 [Kr]4d105s25p3 [Xe]4f145d106s26p3
第1イオン化エネルギー
(kJ·mol−1)
1402 1012 947 834 703
電子付加エンタルピー
(kJ·mol−1)
- - - 103.23895 -
電子親和力
(kJ·mol−1)
-6.75 72.0 - - -
電気陰性度
(Allred-Rochow)
3.07 2.06 2.20 1.82 1.67
イオン半径
(pm, M3−)
132(4配位) - - - -
イオン半径
(pm, M3+)
- 58(6配位) 72(6配位) 90(6配位) 117(6配位)
131(8配位)
イオン半径
(pm, M5+)
27(6配位) 31(4配位) 48(4配位)
60(6配位)
74(6配位) 90(6配位)
共有結合半径
(pm)
75 106 119 138 146
van der Waals半径
(pm)
155 180 185 - -
融点
(K)
63.14 (N2) 44.1 1090 (3.6 MPa) 903.78 544.4
沸点
(K)
77.35 (N2) 280 887(昇華) 1860 1837
還元電位 E0 (V) - - +0.25 (M3+/M) +0.21(M3+/M) +0.32(M3+/M)
ニクトゲン元素のサンプル

第15族元素単体のうち、窒素のみが常温で気体であり、ほかは固体である。また窒素とリンの価電子は混成軌道を形成し、共有結合物質として振舞う。一方、第4周期のヒ素より周期の大きい単体は、共有結合性と金属との性質を併せ持つ物性を示し半金属と呼ばれる。これらのヒ素、アンチモンビスマスは混成軌道を形成するよりは、2つの電子が占有したs軌道と、3つの1つずつ電子が存在するp軌道として振舞うので、酸化数は+3と+5が安定である。

第15族元素の一部は炎色反応を示す。

リン
(リン酸イオン)
ヒ素 アンチモン
淡青色 淡青色 淡青色

第15族元素は半導体デバイスにおいて重要な役割を演じる。第14族元素の真性半導体に対して、第15族元素と第13族元素の化合物から形成される半導体をIII-V族半導体と呼ぶ。III-V族半導体のバンドギャップは可視光領域に相当するため、発光ダイオード半導体レーザーなど光デバイスの素材として重要である。また、真性半導体に第14族元素を微量ドーピングすることでN型半導体を形成する。

水素化物[編集]

第15族元素は一般式 MH3 で示される水素化物を形成する。いずれの水素化物も三角錐状の構造をとるが、アンモニアのみが傾向よりも高い沸点を示し、水素結合を形成する性質を有する。

水素化物の種類[編集]

酸化物[編集]

窒素とリンは多様な酸化状態を持つ酸化物を形成するが、窒素は酸化数が大きいほど自由エネルギーが大きく不安定であり、酸化数0の単体窒素が最も自由エネルギーが小さくて安定な為、窒素酸化物は酸化剤として利用されるものが多い。一方、リンの酸化物はいずれも単体リンよりも自由エネルギーが小さく、酸化数が大きいものほど自由エネルギーが小さくて安定である。それゆえリンの酸化物は酸化剤としては利用されない。

一方、ヒ素、アンチモン、ビスマスは酸化数+5に比べ+3が安定化しているので、いずれも一般式 M2O3 で表される酸化物が安定である。

ハロゲン化物[編集]

第15族元素は一般式 MX3 もしくは MX5 で表されるハロゲン化物などを生成する。

  窒素 リン ヒ素 アンチモン ビスマス
NX3 その他 PX3 PX5 その他 AsX3 AsX5 SbX3 SbX5 BiX3
フッ化物 三フッ化窒素
NF3
N2F4
trans-N2F2
cis-N2F2
三フッ化リン
PF3
気体
bp 171 K
五フッ化リン
PF5
気体
bp 188.6 K
  三フッ化ヒ素
AsF3
五フッ化ヒ素
AsF5
三フッ化アンチモン
SbF3
無色固体
五フッ化アンチモン
SbF5
粘稠液体
三フッ化ビスマス
BiF3
白色固体
塩化物 塩化窒素
NCl3
四塩化二窒素
N2Cl4
三塩化リン
PCl3
液体
bp 349 K
五塩化リン
PCl5
固体
433 K 昇華
四塩化二リン
P2Cl4
固体
mp 453 K
三塩化ヒ素
AsCl3
液体
(存在せず) 三塩化アンチモン
SbCl3
五塩化アンチモン
SbCl5
三塩化ビスマス
BiCl3
白色固体
臭化物 臭化窒素
NBr3
  三臭化リン
PBr3
液体
bp 446 K
五臭化リン
PBr5
黄色固体
mp 373 K
  三臭化ヒ素
AsBr3
無色固体
(存在せず) 三臭化アンチモン
SbBr3
(存在せず) 三臭化ビスマス
BiBr3
黄色固体
ヨウ化物 ヨウ化窒素
NI3
  三ヨウ化リン
PI3
暗赤色固体
mp 334 K
(存在せず) 四ヨウ化二リン
P2I4
橙色固体
mp 398 K
三ヨウ化ヒ素
AsI3
赤色固体
(存在せず) 三ヨウ化アンチモン
SbI3
(存在せず) 三ヨウ化ビスマス
BiI3
黒色固体

リンのハロゲン化物は、有機化学においてヒドロキシ基カルボン酸を相当するハロゲン基、酸ハロゲン化物に変換する試薬として利用される。

関連項目[編集]