Свойства p-элементов пятой-седьмой группы
Общие сведения
К p-элементам пятой, шестой и седьмой групп периодической системы относится обширный класс химических элементов, электронное строение которых характеризуется последовательным заполнением p-орбиталей внешнего энергетического уровня. Количество электронов на внешнем слое строго соответствует номеру группы: пять, шесть и семь электронов соответственно. Данная особенность электронной конфигурации определяет фундаментальные химические свойства элементов, их валентные возможности и склонность к образованию соединений с различными степенями окисления. По мере продвижения сверху вниз по подгруппам (с увеличением атомного номера и радиуса атома) закономерно наблюдается уменьшение энергии ионизации, ослабление неметаллических свойств и усиление металлических характеристик.
Элементы этих групп демонстрируют колоссальное разнообразие физических состояний и химического поведения. Они способны образовывать как крайне устойчивые двухатомные молекулы в газообразном состоянии, так и сложные полимерные твердотельные структуры. Многие из рассматриваемых элементов выступают в роли важнейших окислителей в химических реакциях, а их соединения с водородом и кислородом составляют основу множества промышленных процессов и встречаются повсеместно в природной среде. Вследствие высокой химической активности некоторые из этих элементов обладают выраженной токсичностью и требуют особых мер предосторожности при обращении.
Классификация
Классификация элементов пятой, шестой и седьмой групп базируется на их положении в периодической системе и особенностях внутреннего строения. В пятую группу (подгруппу азота) входят азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут. Шестая группа (подгруппа кислорода или халькогены) включает кислород, серу, селен, теллур и полоний. Седьмая группа (галогены) представлена фтором, хлором, бромом, йодом и астатом.
Внутри каждой подгруппы элементы классифицируются по их способности образовывать различные аллотропные и полиморфные модификации. Например, фосфор существует в виде белого, красного и черного фосфора, которые радикально отличаются по своей термодинамической стабильности. Белый фосфор наименее стабилен, тогда как черный является наиболее устойчивой формой. Мышьяк и сурьма также образуют несколько модификаций: известны желтые формы, которые под воздействием света переходят в более устойчивые серые. Серая модификация мышьяка и сурьмы, наряду с висмутом, демонстрирует свойства полуметаллов или даже металлов.
В подгруппе кислорода сам кислород существует в двух аллотропных модификациях — молекулярном двухатомном кислороде и трехатомном озоне. Сера образует циклические молекулы с различным числом атомов, наиболее стабильной из которых является восьмиатомная ромбическая сера. Селен и теллур способны формировать полимерные структуры, при этом серый селен классифицируется как полупроводник, а теллур представляет собой хрупкое вещество с металлическим блеском. Галогены классифицируются как типичные неметаллы, активность которых закономерно снижается от фтора к йоду. Астат и полоний выделяются в особую категорию радиоактивных элементов, не имеющих стабильных изотопов.
Способы получения
Способы получения простых веществ и соединений p-элементов варьируются в зависимости от их химической природы и физического состояния. Галогены, являясь сильнейшими окислителями, в природе в свободном виде не встречаются и добываются путем электролиза или химического окисления их солей (галогенидов). Фтор, как наиболее электроотрицательный элемент, получают исключительно электрохимическими методами в безводных средах, поскольку в присутствии воды он мгновенно окисляет ее кислород.
Получение аллотропных модификаций элементов пятой и шестой групп часто связано с термическим воздействием. Белый фосфор образуется при кристаллизации и конденсации паров фосфора. Желтый мышьяк, будучи легкорастворимым соединением, трансформируется в серый мышьяк просто при выдерживании на свету. Сложные химические соединения, такие как оксиды и кислоты, синтезируются многостадийными промышленными методами. В частности, производство олеума (полисерной кислоты, представляющей собой густую дымящуюся жидкость) осуществляется путем поглощения триоксида серы концентрированной серной кислотой. Радиоактивные элементы, такие как полоний и астат, образуются в ничтожных количествах в радиоактивных рудах или синтезируются искусственным путем в ядерных реакторах, при этом они крайне нестабильны и быстро претерпевают радиоактивный распад.
Свойства
Химические и физические свойства элементов пятой группы характеризуются широким спектром степеней окисления. Азот образует прочную, химически инертную при нормальных условиях двухатомную молекулу, однако способен проявлять степени окисления от минус трех до плюс пяти. Его гидриды — аммиак и гидразин — весьма токсичны. Азотная кислота является сильным окислителем, причем окислительные свойства в ней проявляет атом азота в степени окисления плюс пять, а не водород, что отличает ее от многих других кислот. Фосфор также способен образовывать различные оксиды и кислоты, из которых наиболее известна ортофосфорная кислота, но его гидриды образуются значительно труднее, чем у азота. Мышьяк, сурьма и висмут проявляют признаки полуметаллов: обладают электрической проводимостью, но остаются хрупкими.
Для элементов шестой группы характерна типичная степень окисления минус два, устойчивость которой падает от кислорода к полонию. Кислород выступает мощнейшим окислителем для подавляющего большинства элементов, образуя оксиды и пероксиды. Исключением является его взаимодействие со фтором, где кислород вынужден играть роль восстановителя. Сера демонстрирует уникальные физические свойства при нагревании: при плавлении около ста двадцати градусов Цельсия она образует желтую жидкость, которая при достижении двухсот градусов резко темнеет и становится вязкой из-за разрыва кольцевых молекул и образования длинных полимерных цепей; при дальнейшем нагревании свыше двухсот пятидесяти градусов вязкость вновь снижается. Диоксид серы и серная кислота являются ключевыми стабильными соединениями данного элемента. Селен и теллур проявляют свойства полупроводников, а полоний выглядит как мягкий металл, подобный свинцу.
Свойства галогенов (седьмая группа) определяются их высокой электроотрицательностью. Фтор — химически агрессивный светло-желтый газ, способный реагировать практически со всеми веществами, включая органические ткани и даже некоторые благородные газы (криптон, ксенон). Степень окисления фтора в соединениях строго равна минус одному. Хлор представляет собой желто-зеленый токсичный газ, способный проявлять как отрицательную (минус один), так и положительные степени окисления (от плюс одного до плюс семи) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами, такими как фтор или кислород.
Применение
Спектр применения соединений p-элементов охватывает практически все отрасли промышленности, медицину и сельское хозяйство. Азот в форме аммиака и гидразина используется в крупнотоннажном химическом синтезе, а гидразин также находит применение как компонент ракетного топлива. Фосфор и ортофосфорная кислота являются незаменимым сырьем для производства сельскохозяйственных минеральных удобрений (фосфатов). Сурьма и мышьяк широко используются в электронике в качестве легирующих добавок для полупроводников, а также в металлургии для повышения твердости свинца. Висмут входит в состав легкоплавких сплавов, например, сплава Вуда, применяемого в термопредохранителях и припоях.
Соединения элементов шестой группы не менее востребованы. Пероксид водорода активно применяется в медицине для дезинфекции, в процессах обеззараживания промышленных сточных вод и в качестве окислителя ракетного топлива. Серная кислота является одним из базовых продуктов химической промышленности, необходимым для синтеза множества других веществ. Полупроводниковые свойства селена и теллура обеспечивают их широкое применение в современной электронной технике и фотоэлементах. Кроме того, селен пропагандируется диетологами в качестве важного микроэлемента, необходимого человеческому организму в микродозах.
Галогены имеют важнейшее санитарно-химическое и технологическое значение. Хлор используется для обеззараживания питьевой воды (хлорирования), а также в хлорной металлургии при извлечении цветных металлов из руд. Соляная кислота является стандартным реактивом в промышленном и лабораторном синтезе. Фтор применяется для получения хладагентов (фреонов), используемых в холодильных установках и системах кондиционирования. Бром и йод традиционно выступают важными компонентами в фармакологии при создании антисептических и специфических лекарственных препаратов, а также используются в аналитической химии.
См. также
Свойства p-элементов третьей группы Свойства p-элементов четвертой группы