عناصر المجموعة الخامسة في الجدول الدوري

معلومات عامة عن عناصر المجموعة الخامسة

تشترك العناصر في بعض أوجه التشابه العامة من ناحية السلوك الكيميائي، على الرغم من أنه يمكننا التمييز بينها بوضوح كيميائيًا، وتعكس أوجه التشابه هذه السمات المشتركة للهياكل الإلكترونية لذراتها.

غالبا ليس هناك مجموعة أخرى من العناصر مألوفة للشخص العادي أكثر من هذه المجموعة؛ وعلى الرغم من أن جميع عناصر المجموعة الخامسة معًا تشكل أقل من نسبة 0.2٪ من وزن قشرة الأرض، إلا أنها تمتلك أهمية أكبر بكثير من كمية توافرها في القشرة الأرضية. وينطبق هذا بشكل خاص على عنصري النيتروجين والفوسفور، اللذين يشكلان نسبة 2.4 و 0.9 في المائة على التوالي من الوزن الإجمالي لجسم الإنسان.

القليل جدًا من كيمياء عناصر المجموعة الخامسة يكون على شكل أيونات بسيطة، على الرغم من أن النتريدات المعدنية والفوسيدات التي تتفاعل مع الماء عادةً ما تحتوي على أيون (-N3) وأيون (-P3)، حيث أن الاعتبارات الكهروستاتيكية تجعل مشكوك في أمر إذا كانت هذه التركيبات الأيونية صحيحة أو لا.

الوحيد الذي له حالة محددة من الكاتيون البسيط في البيئة الكيميائية هو أيون البزموث (+Bi3)، وتقريبًا كل كيمياء عناصر المجموعة الخامسة تتضمن مركبات مرتبطة تساهميًا. الأساس الحراري الكيميائي لكيمياء هذه الأنواع هو أصعب بكثير من إنشاء المركبات الأيونية، بالإضافة إلى ذلك، من المرجح أن تكون خاملة حركيًا، كلاهما لتفاعلات الاستبدال (على سبيل المثال: NF3 إلى التحلل المائي، [H2PO2] إلى التأكسد) وللأكسدة أو الاختزال، عندما تتضمن هذه العمليات تكوين أو كسر الروابط التساهمية، وكذلك نقل الإلكترونات.

النيتروجين على سبيل المثال تشكل مجموعة من (oxoacids و oxoanions)، كما أنه يمكن أن توجد الوسائط المائية في جميع حالات الأكسدة من +5 إلى +3، على سبيل المثال: N2O4] ،[NO2]-] [N2O]، [N2]، [NH2OH]، [N2H4] ،[NH3]. وينطبق الشيء نفسه على كيمياء الفوسفور. الكيمياء أول عنصرين من المجموعة الخامسة أكثر شمولاً من (As) و (Sb) و (Bi).

قد يكون لعناصر النيتروجين أوسع نطاق في الحالة الفيزيائية أكثر من أي مجموعة في الجدول الدوري. النيتروجين، على سبيل المثال، هو عبارة عن غاز يسيل عند حوالي -200 درجة مئوية، ويتجمد عند حوالي -210 درجة مئوية، في حين أن البزموت هو مادة صلبة تنصهر عند 271 درجة مئوية وتغلي عند حوالي 1560 درجة مئوية. تعد النيتروجين والفوسفور من اللافلزات النموذجية، الزرنيخ والأنتيمون يعدان من أشباه الفلزات، والبزموت يعتبر معدن. حتى من ناحية المظهر، تُظهر هذه العناصر تنوعًا كبيرًا.

النيتروجين عديم اللون سواء كغاز أو سائل، كما يوجد الفوسفور في مجموعة متنوعة من التعديلات الفيزيائية، أو الأشكال المتآصلة، بما في ذلك الشكل الأبيض المألوف شديد التفاعل الذي يجب تخزينه تحت الماء لمنعه من الاشتعال في الهواء، يمتلك شكل أحمر أو بنفسجي ويكون أقل تفاعلًا، والأسود يبدو أنه الأكثر استقرارًا على الرغم من أنه الأقل شهرة.

كما أنه يوجد الزرنيخ أساسًا كمادة صلبة معدنية رمادية باهتة، ولكن يُعرف أيضًا شكله الصلب الأصفر الأكثر تفاعلًا، وهناك مؤشرات على وجود أشكال أخرى في ظل ظروف معينة. الأنتيمون هو مظهر فضي معدني، ولكنه صلب هش إلى حد ما،  والبزموت معدن فضي-أبيض مع بريق وردي في بريقه.

عناصر المجموعة الخامسة في الجدول الدوري

في الجدول الدوري، يحتل كل عنصر من عناصر مجموعة النيتروجين المركز الخامس بين عناصر المجموعة الرئيسية في فترته، وهو الموضع المحدد من حيث التكوين الإلكتروني لذراته، يمتلك كل عنصر من عناصر مجموعة النيتروجين غلافًا خارجيًا مكونًا من خمسة إلكترونات.

وفي كل حالة، تحتل هذه المدارات الخارجية s بالكامل (مع إلكترونين) وتساهم بإلكترون واحد في كل من المدارات الثلاثة الخارجية p (المدارات عبارة عن مناطق إلكترونية داخل الذرة لتعيين فئات مختلفة من المدار)، وهكذا فإن ترتيب الإلكترونات الخارجية في ذرات عناصر النيتروجين يوفر ثلاثة مدارات خارجية نصف ممتلئة، والتي من خلال التفاعل مع المدارات نصف الممتلئة لذرات العناصر الأخرى، يمكن أن تشكل ثلاث روابط تساهمية، وقد تجذب الذرات الأخرى الإلكترونات المشتركة إما بقوة أكبر أو أقل من ذرات مجموعة النيتروجين، لذلك قد تكتسب الأخيرة شحنة موجبة أو سالبة وتوجد في حالات الأكسدة +3 أو 3 في مركباتها، وفي هذا الصدد، فإن عناصر مجموعة النيتروجين متشابهة.

هناك تشابه آخر بين عناصر مجموعة النيتروجين هو وجود زوج من الإلكترونات غير الرابطة، أو وحيد، والذي يبقى بعد تكوين الروابط التساهمية الثلاثة، أو ما يعادلها. يسمح هذا الزوج الوحيد للجزيء بالعمل كمانح لزوج الإلكترون في تكوين مركبات ومجمعات الإضافة الجزيئية.

يعتمد توفر الزوج الوحيد على عوامل مختلفة، مثل الحجم النسبي للذرة، وشحنتها الجزئية في الجزيء، والخصائص المكانية للمجموعات الأخرى في الجزيء، والظاهرة غير المفهومة جيدًا والتي تسمى “تأثير الزوج الخامل ” يتكون هذا التأثير من ميل الإلكترونات المزدوجة الموجودة في الغلاف الخارجي للذرات الأثقل في للمجموعة الرئيسية إلى البقاء غير متفاعلة كيميائيًا، وبسبب ذلك، فإن قدرة التبرع بزوج الإلكترون لعناصر مجموعة النيتروجين ليست موحدة في جميع أنحاء المجموعة، ومن المحتمل أن يكون أكبر مع النيتروجين، وأقل مع العناصر الوسيطة، وغير موجود مع البزموت.

اختلافات عناصر المجموعة الخامسة في القدرة على الترابط

تحدث اختلافات كبيرة في التكوينات الإلكترونية أيضًا بين عناصر مجموعة النيتروجين فيما يتعلق بكل من الغلاف الأساسي والمدارات الخارجية d. نظرًا لأن الأخيرة تظهر لأول مرة مع الفترة الثالثة من الجدول، فهي موجودة في جميع عناصر المجموعة باستثناء النيتروجين، وبالتالي فإن إمكانية استخدام هذه المدارات الخارجية للربط موجودة للفوسفور والزرنيخ والأنتيمون والبزموت، ولكن ليس للنيتروجين.

هناك ثلاث طرق رئيسية يمكن من خلالها استخدام مدارات d الخارجية لزيادة عدد الروابط، الأول هو توفير مساحة يمكن فيها ترقية أحد الإلكترونات، ويؤدي هذا إلى إنشاء مداريين إضافيين نصف ممتلئين (مدار واحد مداري وآخر مداري s)، وبالتالي فإنه يولد القدرة على تكوين رابطتين تساهمية إضافيتين، ويتجلى ذلك في إنتاج خماسي فلوريد الفوسفور PF5، عن طريق زيادة فلورة ثلاثي فلوريد PF3.

يبدو أن هذا التعزيز قد تم دعمه بشكل كبير من خلال زيادة الاستقرار المداري الخارجي الذي ينتج عن سحب جزء من إلكترون الفرز والزيادة المصاحبة للشحنة النووية الفعالة للذرة المركزية، في PF5، على سبيل المثال، ذرات الفلور كونها أكثر كهرسلبية من ذرة الفوسفور، تسحب جزءًا من إلكترونات الفوسفور، تاركة المدارات الخارجية أكثر عرضة لنواة الفوسفور وبالتالي أكثر استقرارًا.

الطريقة الثانية التي يمكن أن تشارك فيها مدارات d الخارجية في الترابط هي أن تصبح مستقرة بما يكفي لجذب زوج وحيد من الإلكترونات من متبرع. على سبيل المثال، يمكن أن يعمل PF5 كمستقبل للزوج الإلكتروني من خلال مدار خارجي d لتنسيق مانح أيون فلوريد وتشكيل أيون معقد PF6−.

تتمثل الطريقة الثالثة لإشراك مدارات d في الترابط في أن تصبح مشغولة جزئيًا في استيعاب إلكترونات زوج واحد من ذرة أخرى، والتي تكون مرتبطة بالفعل برابطة واحدة، وبالتالي تساهم في تقوية الرابطة.

مقارنة بين عناصر مجموعة النيتروجين

تصبح هذه الاعتبارات مهمة في مقارنة السلوك الكيميائي لعناصر مجموعة النيتروجين. الكهروسلبية للنيتروجين نفسه، على الرغم من أنها أقل من الأكسجين، إلا أنها أعلى بكثير من أي عنصر آخر في هذه المجموعة، لذلك، ستكون الروابط بين النيتروجين والأكسجين أقل قطبية من تلك الموجودة بين الأكسجين والفوسفور، أو الأكسجين والزرنيخ، أو الأنتيمون، أو البزموت.

ولهذا السبب وحده، فإن المساهمة التساهمية في طاقة الرابطة بين النيتروجين والأكسجين ستكون أكثر أهمية نسبيًا مما هو الحال مع الروابط بين الأكسجين والعناصر الأثقل في المجموعة. وبالتالي، فإن ضعف الرابطة الواحدة من قبل الزوج الوحيد – والميل المقابل نحو تعدد الرابطة – من المرجح أن يكون أكبر بكثير مع أكاسيد النيتروجين منه مع أكاسيد عناصر مجموعة النيتروجين الأثقل.