「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; Mc

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2020年4月22日 (水) 02:12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・モスコビウムのこと。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。プニクトゲンの名はギリシャ語のπνίγειν(pnigein)が語源で、窒素の特性である「窒息する」を意味する。

15族は窒素族とも呼ばれるが、特にプニクトゲンと呼ぶ場合は窒素(N)を除外する。これは窒素が非金属であるのに対し、他の元素(P、As、Sb、Bi)は半金属元素であり特性が異なるためである。

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 ns²np³ の5電子を持つ電子構造を有する。

	窒素 ${\ce {_{7}N}}$	リン ${\ce {_{15}P}}$	ヒ素 ${\ce {_{33}As}}$	アンチモン ${\ce {_{51}Sb}}$	ビスマス ${\ce {_{83}Bi}}$	モスコビウム ${\ce {_{115}Mc}}$
電子配置	${\ce {[He]{}2s^{2}{}2p^{3}}}$	${\ce {[Ne]{}3s^{2}{}3p^{3}}}$	${\ce {[Ar]{}3d^{10}{}4s^{2}{}4p^{3}}}$	${\ce {[Kr]{}4d^{10}{}5s^{2}{}5p^{3}}}$	${\ce {[Xe]{}4f^{14}{}5d^{10}{}6s^{2}{}6p^{3}}}$	${\ce {[Rn]{}5f^{14}{}6d^{10}{}7s^{2}{}7p^{3}}}$
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15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、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

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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 {| class="wikitable"
-!!![[窒素]]<br /><ce>_{7}N</ce>!![[リン]]<br /><ce>_{15}P</ce>!![[ヒ素]]<br /><ce>_{33}As</ce>!![[アンチモン]]<br /><ce>_{51}Sb</ce>!![[ビスマス]]<br /><ce>_{83}Bi</ce>
+!!![[窒素]]<br /><ce>_{7}N</ce>!![[リン]]<br /><ce>_{15}P</ce>!![[ヒ素]]<br /><ce>_{33}As</ce>!![[アンチモン]]<br /><ce>_{51}Sb</ce>!![[ビスマス]]<br /><ce>_{83}Bi</ce>!![[モスコビウム]]<br /><ce>_{115}Mc</ce>
 |-
-|[[電子配置]]||<ce>[He]{}2s^{2}{}2p^{3}</ce>||<ce>[Ne]{}3s^{2}{}3p^{3}</ce>||<ce>[Ar]{}3d^{10}{}4s^{2}{}4p^{3}</ce>||<ce>[Kr]{}4d^{10}{}5s^{2}{}5p^{3}</ce>||<ce>[Xe]{}4f^{14}{}5d^{10}{}6s^{2}{}6p^{3}</ce>
+|[[電子配置]]||<ce>[He]{}2s^{2}{}2p^{3}</ce>||<ce>[Ne]{}3s^{2}{}3p^{3}</ce>||<ce>[Ar]{}3d^{10}{}4s^{2}{}4p^{3}</ce>||<ce>[Kr]{}4d^{10}{}5s^{2}{}5p^{3}</ce>||<ce>[Xe]{}4f^{14}{}5d^{10}{}6s^{2}{}6p^{3}</ce>||<ce>[Rn]{}5f^{14}{}6d^{10}{}7s^{2}{}7p^{3}</ce>
 |-
-|第1イオン化エネルギー<br />(kJ·mol<sup>−1</sup>)||1402||1012||947||834||703
+|第1イオン化エネルギー<br />(kJ·mol<sup>−1</sup>)||1402||1012||947||834||703|| -
 |-
-|電子付加エンタルピー<br />(kJ·mol<sup>−1</sup>)||-||-||-||103.23895||-
+|電子付加エンタルピー<br />(kJ·mol<sup>−1</sup>)||-||-||-||103.23895||-|| -
 |-
-|電子親和力<br />(kJ·mol<sup>−1</sup>)||-6.75 ||72.0 ||-||-||-
+|電子親和力<br />(kJ·mol<sup>−1</sup>)||-6.75 ||72.0 ||-||-||-|| -
 |-
-|電気陰性度<br />(Allred-Rochow)||3.07||2.06||2.20||1.82||1.67
+|電気陰性度<br />(Allred-Rochow)||3.07||2.06||2.20||1.82||1.67|| -
 |-
-|イオン半径<br />(pm, M<sup>3−</sup>)||132（4配位）||-||-||-||-
+|イオン半径<br />(pm, M<sup>3−</sup>)||132（4配位）||-||-||-||-|| -
 |-
-|イオン半径<br />(pm, M<sup>3+</sup>)||-||58（6配位）||72（6配位）||90（6配位）||117（6配位）<br />131（8配位）
+|イオン半径<br />(pm, M<sup>3+</sup>)||-||58（6配位）||72（6配位）||90（6配位）||117（6配位）<br />131（8配位）|| -
 |-
-|イオン半径<br />(pm, M<sup>5+</sup>)||27（6配位）||31（4配位）||48（4配位）<br />60（6配位）||74（6配位）||90（6配位）
+|イオン半径<br />(pm, M<sup>5+</sup>)||27（6配位）||31（4配位）||48（4配位）<br />60（6配位）||74（6配位）||90（6配位）|| -
 |-
-|共有結合半径<br />(pm)||75||106||119||138||146
+|共有結合半径<br />(pm)||75||106||119||138||146|| -
 |-
-|van der Waals半径<br />(pm)||155||180||185||-||-
+|van der Waals半径<br />(pm)||155||180||185||-||-||-
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-|融点<br />(K)||63.14 (N<sub>2</sub>)||44.1||1090 (3.6 MPa)||903.78||544.4
+|融点<br />(K)||63.14 (N<sub>2</sub>)||44.1||1090 (3.6 MPa)||903.78||544.4||-
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-|沸点<br />(K)||77.35 (N<sub>2</sub>)||280||887（昇華）||1860||1837
+|沸点<br />(K)||77.35 (N<sub>2</sub>)||280||887（昇華）||1860||1837||-
 |-
-|還元電位 ''E''<sup>0</sup> (V)||-||-||+0.25 (M<sup>3+</sup>/M)||+0.21(M<sup>3+</sup>/M)||+0.32(M<sup>3+</sup>/M)
+|還元電位 ''E''<sup>0</sup> (V)||-||-||+0.25 (M<sup>3+</sup>/M)||+0.21(M<sup>3+</sup>/M)||+0.32(M<sup>3+</sup>/M)||-
 |}

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

2020年4月22日 (水) 02:12時点における版

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