「第15族元素」の版間の差分

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

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2010年1月10日 (日) 02:53時点における版

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）、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^{2np^{3 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)

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

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	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。

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 !'''NX<sub>3</sub>'''||その他||'''PX<sub>3</sub>'''||'''PX<sub>5</sub>'''||その他||'''AsX<sub>3</sub>'''||'''AsX<sub>5</sub>'''||'''SbX<sub>3</sub>'''||'''SbX<sub>5</sub>'''||'''BiX<sub>3</sub>'''
 |-
-|[[フッ素|フッ化物]]||[[フッ化窒素]]<br />'''NF<sub>3</sub>'''||'''N<sub>2</sub>F<sub>4</sub>'''<br />'''''trans''-N<sub>2</sub>F<sub>2</sub>'''<br />'''''cis''-N<sub>2</sub>F<sub>2</sub>'''||[[三フッ化リン]]<br />'''PF<sub>3</sub>'''<br />気体<br />bp 171 K||五フッ化リン<br />'''PF<sub>5</sub>'''<br />気体<br />bp 188.6 K||&nbsp;||三フッ化ヒ素<br />'''AsF<sub>3</sub>'''||五フッ化ヒ素<br />'''AsF<sub>5</sub>'''||三フッ化アンチモン<br />'''SbF<sub>3</sub>'''<br />無色固体||[[五フッ化アンチモン]]<br />'''SbF<sub>5</sub>'''<br />粘稠液体||三フッ化ビスマス<br />'''BiF<sub>3</sub>'''<br />白色固体
+|[[フッ素|フッ化物]]||[[三フッ化窒素]]<br />'''NF<sub>3</sub>'''||'''N<sub>2</sub>F<sub>4</sub>'''<br />'''''trans''-N<sub>2</sub>F<sub>2</sub>'''<br />'''''cis''-N<sub>2</sub>F<sub>2</sub>'''||[[三フッ化リン]]<br />'''PF<sub>3</sub>'''<br />気体<br />bp 171 K||[[五フッ化リン]]<br />'''PF<sub>5</sub>'''<br />気体<br />bp 188.6 K||&nbsp;||[[三フッ化ヒ素]]<br />'''AsF<sub>3</sub>'''||[[五フッ化ヒ素]]<br />'''AsF<sub>5</sub>'''||[[三フッ化アンチモン]]<br />'''SbF<sub>3</sub>'''<br />無色固体||[[五フッ化アンチモン]]<br />'''SbF<sub>5</sub>'''<br />粘稠液体||[[三フッ化ビスマス]]<br />'''BiF<sub>3</sub>'''<br />白色固体
 |-
-|[[塩素|塩化物]]||[[塩化窒素]]<br />'''NCl<sub>3</sub>'''||四塩化二窒素<br />'''N<sub>2</sub>Cl<sub>4</sub>'''||[[三塩化リン]]<br />'''PCl<sub>3</sub>'''<br />液体<br />bp 349 K||[[五塩化リン]]<br />'''PCl<sub>5</sub>'''<br />固体<br />433 K 昇華||四塩化二リン<br />'''P<sub>2</sub>Cl<sub>4</sub>'''<br />固体<br />mp 453 K||三塩化ヒ素<br />'''AsCl<sub>3</sub>'''<br />液体||（存在せず）||[[三塩化アンチモン]]<br />'''SbCl<sub>3</sub>'''||[[塩化アンチモン#塩化アンチモン(V)|五塩化アンチモン]]<br />'''SbCl<sub>5</sub>'''||三塩化ビスマス<br />'''BiCl<sub>3</sub>'''<br />白色固体
+|[[塩素|塩化物]]||[[塩化窒素]]<br />'''NCl<sub>3</sub>'''||[[四塩化二窒素]]<br />'''N<sub>2</sub>Cl<sub>4</sub>'''||[[三塩化リン]]<br />'''PCl<sub>3</sub>'''<br />液体<br />bp 349 K||[[五塩化リン]]<br />'''PCl<sub>5</sub>'''<br />固体<br />433 K 昇華||[[四塩化二リン]]<br />'''P<sub>2</sub>Cl<sub>4</sub>'''<br />固体<br />mp 453 K||[[三塩化ヒ素]]<br />'''AsCl<sub>3</sub>'''<br />液体||（存在せず）||[[三塩化アンチモン]]<br />'''SbCl<sub>3</sub>'''||[[塩化アンチモン#塩化アンチモン(V)|五塩化アンチモン]]<br />'''SbCl<sub>5</sub>'''||[[三塩化ビスマス]]<br />'''BiCl<sub>3</sub>'''<br />白色固体
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-|[[臭素|臭化物]]||&nbsp;||&nbsp;||[[三臭化リン]]<br />'''PBr<sub>3</sub>'''<br />液体<br />bp 446 K||[[五臭化リン]]<br />'''PBr<sub>5</sub>'''<br />黄色固体<br />mp 373 K||&nbsp;||三臭化ヒ素<br />'''AsBr<sub>3</sub>'''<br />無色固体||（存在せず）||三臭化アンチモン<br />'''SbBr<sub>3</sub>'''||（存在せず）||三臭化ビスマス<br />'''BiBr<sub>3</sub>'''<br />黄色固体
+|[[臭素|臭化物]]||[[臭化窒素]]<br />'''NBr<sub>3</sub>'''||&nbsp;||[[三臭化リン]]<br />'''PBr<sub>3</sub>'''<br />液体<br />bp 446 K||[[五臭化リン]]<br />'''PBr<sub>5</sub>'''<br />黄色固体<br />mp 373 K||&nbsp;||[[三臭化ヒ素]]<br />'''AsBr<sub>3</sub>'''<br />無色固体||（存在せず）||[[三臭化アンチモン]]<br />'''SbBr<sub>3</sub>'''||（存在せず）||[[三臭化ビスマス]]<br />'''BiBr<sub>3</sub>'''<br />黄色固体
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-|[[ヨウ素|ヨウ化物]]||[[ヨウ化窒素]]<br />'''NI<sub>3</sub>'''||&nbsp;||三ヨウ化リン<br />'''PI<sub>3</sub>'''<br />暗赤色固体<br />mp 334 K||（存在せず）||四ヨウ化二リン<br />'''P<sub>2</sub>I<sub>4</sub>'''<br />橙色固体<br />mp 398 K||三ヨウ化ヒ素<br />'''AsI<sub>3</sub>'''<br />赤色固体||（存在せず）||三ヨウ化アンチモン<br />'''SbI<sub>3</sub>'''||（存在せず）||三ヨウ化ビスマス<br />'''BiI<sub>3</sub>'''<br />黒色固体
+|[[ヨウ素|ヨウ化物]]||[[ヨウ化窒素]]<br />'''NI<sub>3</sub>'''||&nbsp;||[[三ヨウ化リン]]<br />'''PI<sub>3</sub>'''<br />暗赤色固体<br />mp 334 K||（存在せず）||[[四ヨウ化二リン]]<br />'''P<sub>2</sub>I<sub>4</sub>'''<br />橙色固体<br />mp 398 K||[[三ヨウ化ヒ素]]<br />'''AsI<sub>3</sub>'''<br />赤色固体||（存在せず）||[[三ヨウ化アンチモン]]<br />'''SbI<sub>3</sub>'''||（存在せず）||[[三ヨウ化ビスマス]]<br />'''BiI<sub>3</sub>'''<br />黒色固体
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族	← 15 →
周期
2	7 N
3	15 P
4	33 As
5	51 Sb
6	83 Bi
7	115 Uup

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性質

水素化物

水素化物の種類

酸化物

ハロゲン化物

関連項目