第15族元素

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

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・ビスマスのこと。窒素族元素、V族元素（ごぞくげんそ）、ニクトゲン元素 (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

第15族元素は価電子に ns^{2np3 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

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

• アンモニア NH₃
• リン化水素 PH₃
• アルシン AsH₃
• スチビン SbH₃
• ビスムチン BiH₃

酸化物

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、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、リンは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

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	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			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

• 元素の族
• 周期表
• 窒化物
• 半導体