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Fiche explicative de la leçon : Groupe 15 Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et expliquer les propriétés et l’importance économique des éléments du groupe 15.

Sur le côté droit du tableau périodique, comme indiqué ci-dessous, on trouve les éléments du groupe 15, parfois appelés les pnictogènes.

Le groupe 15 contient six éléments qui vont de l’azote au moscovium en descendant dans la colonne du tableau périodique:

  • Azote, N
  • Phosphore, P
  • Arsenic, As
  • Antimoine, Sb
  • Bismuth, Bi
  • Moscovium, Mc

Exemple 1: Identifier un élément du groupe 15 à partir d’une sélection de symboles chimiques

Lequel des éléments suivants est un élément du groupe 15?

  1. Na
  2. N
  3. Ni
  4. Ne
  5. Nb

Réponse

Le groupe 15 se trouve à droite du tableau périodique et se compose des éléments azote, phosphore, arsenic, antimoine, bismuth et moscovium. La question nous présente un certain nombre de choix sous la forme de symboles chimiques. Tous ces symboles commencent par la lettre N, et ils pourraient donc être potentiellement confondus avec l’azote, le seul élément du groupe 15 dont le symbole commence par N.

Nous pouvons déterminer que B est la bonne réponse, soit par un rappel des faits, soit par un processus d’élimination étape par étape. Na est le symbole du sodium, Ni est le symbole du nickel, Ne est le symbole du néon, et Nb est le symbole du niobium. Donc, la réponse correcte est B.

L’azote et le phosphore se trouvent en haut de la colonne du tableau périodique du groupe 15, et ce sont tous deux des non-métaux. L’arsenic et l’antimoine sont des métalloïdes, et ils se trouvent dans le tableau périodique sous les éléments azote et phosphore.

Le cinquième élément du groupe 15 est le bismuth. Le bismuth est un métal mais, exceptionnellement pour un métal, ce n’est pas un conducteur électrique particulièrement efficace.

Le moscovium est un élément synthétique qui a été synthétisé pour la première fois en 2003 par une équipe de scientifiques en Russie, et ce n’est qu’en 2015 qu’il a été reconnu officiellement par l’IUPAC en tant qu’élément chimique. Le moscovium est un élément extrêmement radioactif, et on n’a réussi à produire qu’environ 100 atomes de moscovium au cours des deux dernières décennies. Nous ne parlerons pas beaucoup du moscovium dans cette fiche explicative.

Globalement, à mesure qu’on descend dans le groupe 15, les éléments deviennent plus métalliques.

Exemple 2: Identifier une paire d’éléments du groupe 15 qui sont classés comme des métalloïdes

Laquelle des paires suivantes correspond à des métalloïdes appartenant au groupe 15?

  1. Phosphore et bismuth
  2. Bismuth et arsenic
  3. Antimoine et arsenic
  4. Phosphore et arsenic
  5. Antimoine et bismuth

Réponse

Quand on descend dans le groupe 15, les propriétés des éléments passent des non-métaux aux métalloïdes, puis aux métaux. L’ordre correct des éléments du groupe 15 de haut en bas est:azote, phosphore, arsenic, antimoine, bismuth et moscovium.

L’azote et le phosphore sont considérés comme des non-métaux, et le bismuth est considéré comme un métal. Il reste donc les éléments arsenic et antimoine, tous deux des métalloïdes. On peut donc conclure que la bonne réponse est C.

L’azote est l’élément le plus abondant du groupe 15. Il se trouve notamment dans des composés qui forment la croûte continentale de la Terre. Cependant, l’azote se trouve principalement dans l’air. L’azote constitue 78% de l’air atmosphérique.

Les autres éléments de ce groupe ne se trouvent pas en grande quantité dans la croûte terrestre et diminuent en abondance lorsqu’on descend dans le groupe. L’abondance approximative en pourcentage de chacun de ces éléments est indiquée dans le tableau ci-dessous.

ÉlémentAbondance des éléments dans la croûte continentale de la Terre et dans la mer
Phosphore0,105
Arsenic0,00‎ ‎018
Antimoine0,00‎ ‎002
Bismuth0,0‎ ‎000‎ ‎085

Le phosphore est l’élément du groupe 15 le plus abondant de la croûte terrestre. Le phosphore fait partie de divers minéraux sous forme de phosphate (PO)43. Un exemple de minéral se trouvant dans les roches phosphatées, c’est l’apatite, de formule Ca(PO)(F,Cl,OH)543, et visible dans la photo ci-dessous.

Un échantillon isolé du minerai apatite

L’arsenic est un élément hautement toxique pour les humains en raison de son effet sur l’adénosine triphosphate (ATP). L’ATP est une molécule de stockage d’énergie présente dans toutes les cellules humaines. La décomposition de l’ATP libère de l’énergie entrant dans des processus biologiques essentiels. L’arsenic est toxique car il perturbe les processus de production des molécules d’ATP. Lorsqu’il n’y a pas assez d’ATP, nos cellules ne peuvent pas fonctionner et cela peut être fatal.

L’arsenic est également connu pour être un polluant et pour avoir des propriétés cancérigènes.

L’arsenic peut être trouvé naturellement sous sa forme élémentaire et sous forme de minéral. Les minéraux communs contenant de l’arsenic comprennent l’arsénopyrite (FeAsS) et la rammelsbergite (NiAs)2. L’arsenic se trouve également dans des composés de sulfure tels que AsS23, présent dans le minéral orpiment.

L’antimoine n’a pas une grande abondance dans la croûte terrestre, mais il se trouve dans plus de 100 espèces minérales différentes. La stibnite est un cristal gris, un minéral de sulfure de formule chimique SbS23. La stibnite est la principale source d’antimoine.

Enfin, le bismuth, un élément environ deux fois plus abondant que l’or, se trouve le plus fréquemment sous forme de bismuthinite (BiS)23 et de bismite (BiO)23.

Les éléments du groupe 15 sont économiquement très importants et ils ont un grand nombre d’applications. Cette large gamme d’applications vient en partie du fait que ces éléments peuvent avoir des nombres d’oxydation multiples, de 3 à +5. Par exemple, les éléments du groupe 15 peuvent réagir avec l’hydrogène pour former des hydrures tels que l’ammoniac (NH)3. Dans ces hydrures, l’élément du groupe 15 a un nombre d’oxydation de 3. D’autres exemples de composés d’éléments du groupe 15, avec leurs états d’oxydation variés, sont donnés dans le tableau ci-dessous.

ComposéFormuleÉtat d’oxydation
StibineSbH33
DiphosphanePH242
HydroxylamineNHOH21
PhosphoreP40
Acide hypophosphoreuxHPO32+1
Réalgar (sulfure d’arsenic)AsS44+2
Oxyde de bismuthBiO23+3
Acide hypophosphoriqueHPO426+4
Pentafluorure d’antimoineSbF5+5

L’azote peut avoir un nombre d’oxydation entre 3 et +5. La plupart de ces états d’oxydation se produisent dans des composés contenant de l’hydrogène ou de l’oxygène, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

ComposéFormuleNombre d’oxydation
AmmoniacNH33
HydrazineNH242
HydroxylamineNHOH21
Azote, TétrazoteN2, N40
Protoxyde d’azoteNO2+1
Monoxyde d’azoteNO+2
Trioxyde d’azoteNO23+3
Dioxyde d’azoteNO2+4
Pentoxyde d’azoteNO25+5

Les atomes de phosphore, d’arsenic et d’antimoine peuvent se lier indépendamment de différentes manières pour former différents types d’allotropes.

Définition : Allotropes

Les allotropes sont des formes structurelles différentes du même élément dans le même état physique.

Le phosphore a plusieurs allotropes différents. Le phosphore blanc et le phosphore rouge sont les formes allotropiques les plus courantes, mais on peut aussi trouver le phosphore violet et le phosphore noir. Le phosphore blanc est un solide cireux de formule chimique P4, composé de molécules tétramères. Les quatre atomes de phosphore sont liés de manière covalente, et forment une structure tétraédrique comme illustré ci-dessous. Les allotropes rouge, violet et noir ont des arrangements moléculaires plus complexes.

L’arsenic a trois allotropes communs, connus sous les noms d’arsenic gris, jaune et noir. La forme allotropique grise est connue pour être plus abondante que les autres.

L’antimoine est connu pour former un allotrope métallique stable et trois autres formes métastables, l’antimoine explosif, l’antimoine noir et l’antimoine jaune. La photo ci-dessous montre l’aspect métallique brillant de l’allotrope le plus stable de l’antimoine.

antimoine fine 99,99 %

Exemple 3: Sélectionner les trois formes allotropiques de l’arsenic dans une liste d’allotropes potentiels

Quelles sont les trois formes allotropiques de l’arsenic?

  1. Rouge, noir et gris
  2. Rouge, noir et violet
  3. Bleu, noir et rouge
  4. Violet, rouge et gris
  5. Jaune, noir et gris

Réponse

Cette question teste notre capacité à rappeler des faits concernant les allotropes des différents éléments du groupe 15. Les allotropes sont des formes structurelles différentes du même élément dans le même état physique.

Alors que l'azote et le bismuth n'ont aucune forme allotropique stable, l'arsenic, le phosphore et l'antimoine ont tous plusieurs allotropes stables.

L'antimoine et l'arsenic ont tous deux des allotropes jaunes, tandis que le seul élément qui possède des allotropes rouges et violets est le phosphore.

Connaissant cela, nous pouvons, par élimination, identifier E comme étant la bonne réponse:l'arsenic a des formes allotropiques jaunes, noires et grises.

Par conséquent, la réponse correcte est E.

Le graphique ci-dessous donne les points de fusion et d’ébullition des éléments du groupe 15.

Les points de fusion et d’ébullition ont tendance à augmenter quand on descend dans le groupe 15;cependant, le bismuth est une exception claire à cette règle générale. À pression atmosphérique, l’arsenic se sublime, passant directement de l’état solide à l’état gazeux. L’azote ne se sublime pas, mais la différence entre son point de fusion et son point d’ébullition est très faible.

Certains éléments du groupe 15 peuvent former des molécules gazeuses, mais elles n’ont pas toutes le même nombre d’atomes. En phase gazeuse, les molécules d’azote ne contiennent généralement que deux atomes (N)2, bien que les scientifiques aient également réussi à isoler la molécule de tétrazote (N)4.

Le phosphore, l’arsenic et l’antimoine peuvent exister sous forme de molécules tétramères en phase gazeuse, de formules chimiques P4, As4 et Sb4. Les molécules de tétramères sont stables à température ambiante, mais elles commencent à se décomposer lorsque la température devient trop élevée, et forment des molécules diatomiques (P2, As2 ou Sb2), de la même façon que l’azote.

Le bismuth peut être considéré comme très similaire à l’azote dans le sens où ces deux éléments peuvent former des gaz composés de molécules diatomiques. C’est inhabituel, car les métaux en phase gazeuse sont souvent composés d’atomes individuels.

Les éléments du groupe 15 ont tous cinq électrons de valence, ce qui signifie qu’ils ont de nombreuses propriétés chimiques similaires. Les configurations électroniques de ces éléments sont indiquées dans le tableau ci-dessous. On peut voir que tous les éléments du groupe 15 contiennent trois électrons de valence dans leur sous-couche p.

Numéro atomiqueÉlémentÉlectrons par sous-coucheConfiguration électronique
7Azote2, 5[He]22sp
15Phosphore2, 8, 5[Ne]33sp
33Arsenic2, 8, 18, 5[Ar]344dsp
51Antimoine2, 8, 18, 18, 5[Kr]455dsp
83Bismuth2, 8, 18, 32, 18, 5[Xe]4566fdsp

Exemple 4: Identifier les points communs entre les caractéristiques de l’arsenic et de l’antimoine

Laquelle des affirmations suivantes indique correctement un point commun entre l’arsenic et l’antimoine?

  1. Ils sont tous deux plus abondants dans la croûte terrestre que le phosphore.
  2. Ils sont tous deux des métalloïdes.
  3. Ils contiennent tous deux 4 électrons dans leur dernière sous-couche p.
  4. Ils sont tous deux moins denses que l’azote.
  5. Ils forment tous deux des molécules diatomiques dans les conditions standard.

Réponse

Dans cette question, nous devons évaluer quelle affirmation donne un point commun entre l’arsenic et l’antimoine.

L’affirmation A décrit l’abondance de l’arsenic et celle de l’antimoine par rapport à celle du phosphore. L’abondance des éléments du groupe 15 diminue à mesure qu’on descend dans le groupe, donc le phosphore est plus abondant que l’arsenic et l’antimoine. Par conséquent, l’affirmation A est incorrecte.

L’affirmation B nous indique que les deux éléments sont des métalloïdes. En descendant dans le groupe 15, les caractéristiques des éléments passent des non-métaux aux métalloïdes, puis aux métaux. L’arsenic se trouve en-dessous des éléments azote et phosphore, qui sont des non-métaux, et l’antimoine se trouve au-dessus du bismuth, qui est un métal. L’affirmation B pourrait être la bonne réponse.

L’affirmation C nous dit qu’ils contiennent tous deux quatre électrons dans leur dernière sous-couche p;cependant, tous les éléments du groupe 15 ont cinq électrons dans leur couche de valence, dont trois dans la sous-couche p. Donc, l’affirmation C est incorrecte.

L’affirmation D décrit l’arsenic et l’antimoine comme étant tous deux moins denses que l’azote. Cela est peu probable, car l’arsenic et l’antimoine sont des solides, donc plus denses que l’azote qui est un gaz.

L’affirmation E suggère que l’arsenic et l’antimoine forment des molécules diatomiques dans les conditions standard, similairement à l’azote. Cela n’est pas vrai car ils sont tous deux des solides à température ambiante.

Après avoir évalué toutes les options, nous pouvons voir que la bonne réponse est B.

Les éléments du groupe 15 sont capables de former de nombreux composés d’oxydes, car ils peuvent se trouver dans différents états d’oxydation. Parmi les composés d’oxydes du groupe 15, la basicité de ces composés a tendance à augmenter à mesure que le numéro atomique de l’élément du groupe 15 augmente. On peut voir cela en comparant le pentoxyde de diazote avec l’oxyde d’antimoine (III) et l’oxyde de bismuth (III):

  • Le pentoxyde de diazote (NO)25 est acide.
  • L’oxyde d’antimoine (III) (SbO)23 est amphotère.
  • L’oxyde de bismuth (III) (BiO)23 est basique.

Le tableau suivant montre certaines des autres molécules d’oxyde pouvant être formées par les éléments du groupe 15.

ÉlémentFormule de l’oxyde
AzoteNO2, NO, NO23, NO2, NO24, NO25, NO4, N(NO)23
PhosphorePO23, PO25, PO47, PO48, PO49, PO, PO26
ArsenicAsO23, AsO24, AsO25
AntimoineSbO24, SbO23, SbO25, SbO613
BismuthBiO23

Les éléments du groupe 15 sont aussi capables de former des molécules simples d’hydrures de formule chimique XH3, X est un atome d’un élément du groupe 15.

L’hydrure d’azote est bien connu, surtout sous le nom d’ammoniac (NH)3. En outre, l’arsenic et le phosphore peuvent aussi former des hydrures, l’arsine (AsH)3 et la phosphine (PH)3.

La solubilité des hydrures du groupe 15 dans l’eau a tendance à diminuer à mesure que le numéro atomique augmente. Ainsi, la solubilité de l’ammoniac dans l’eau est supérieure à celle de la phosphine, alors que la stibine (SbH3) n’est que légèrement soluble dans l’eau.

Le diagramme de Lewis ci-dessous montre comment ces hydrures tendent à former trois liaisons covalentes avec des atomes d’hydrogène et ont également une paire d’électrons non liants.

NHHH

L’électronégativité des éléments du groupe 15 diminue quand on descend dans le tableau périodique. Les hydrures du groupe 15 ont des liaisons moins polaires et la polarité des molécules diminue à mesure que le numéro atomique de l’élément du groupe 15 augmente. Les hydrures du groupe 15 plus légers, tels que l’ammoniac, sont plus solubles dans l’eau que les hydrures plus lourds, tels que SbH3 et BiH3, puisque l’eau est un solvant polaire. Les molécules se dissolvent plus facilement dans l’eau lorsqu’elles sont très polaires.

La stabilité thermique des hydrures du groupe 15 diminue à mesure qu’on descend dans le groupe. L’ammoniac et la phosphine sont stables jusqu’à des températures de plusieurs centaines de degrés Celsius, tandis que la stibine se décompose spontanément à température ambiante.

Les hydrures du groupe 15 ont des stabilités thermiques différentes car la stabilité thermique dépend de la force de la liaison, et la liaison entre un atome d'hydrogène et l'atome du groupe 15 devient plus faible lorsque le rayon atomique de l'atome du groupe 15 augmente.

L’équation suivante montre comment les molécules d’hydrure d’arsenic peuvent se décomposer et former de l’hydrogène et de l’arsenic:2AsH()3H()+2As()32ggs

Exemple 5: Comprendre comment les propriétés physiques des éléments du groupe 15 peuvent changer quand on descend dans le tableau périodique

Laquelle des propriétés suivantes n’est pas vraie pour les éléments du groupe 15?

  1. Le point de fusion diminue quand on descend dans le groupe.
  2. L’électronégativité diminue quand on descend dans le groupe.
  3. La propriété métallique augmente quand on descend dans le groupe.
  4. Le rayon atomique augmente quand on descend dans le groupe.
  5. L’énergie d’ionisation diminue quand on descend dans le groupe.

Réponse

Cette question demande quelle propriété ne s’applique pas aux éléments du groupe 15.

L’affirmation A nous indique que le point de fusion diminue quand on descend dans le groupe. Cependant, si c’était le cas, alors tous les éléments du groupe 15 seraient des gaz de la même manière que l’azote. Comme ce n’est pas le cas, alors A pourrait être la bonne réponse, mais nous allons éliminer les autres pour être sûrs.

L’affirmation B dit que l’électronégativité diminue quand on descend dans le groupe. Nous savons que l’azote est l’un des éléments les plus électronégatifs et que l’électronégativité augmente quand on va de gauche à droite et de haut en bas dans le tableau périodique. Par conséquent, quand on descend dans le groupe 15, l’électronégativité diminue, donc l’affirmation B est vraie et ce n’est pas la bonne réponse.

Quand on descend dans le groupe 15, les propriétés des éléments passent de celles des non-métaux aux métalloïdes, puis aux métaux. Par conséquent, l’affirmation C est également vraie et ce n’est donc pas la bonne réponse.

L’affirmation D est également vraie, puisque le rayon atomique augmente avec le numéro atomique. Chaque élément se trouve dans une période différente du tableau périodique, donc le numéro atomique augmente quand on descend dans le groupe.

Enfin, l’énergie d’ionisation diminue quand on descend dans le groupe, car avec un rayon atomique croissant et un blindage croissant, les électrons de valence ont besoin de moins d’énergie pour être retirés. Nous pouvons donc conclure que l’affirmation E est également vraie.

L’affirmation A est la bonne réponse.

Maintenant que nous avons examiné un large éventail de propriétés chimiques et physiques des éléments du groupe 15, nous allons regarder certaines des utilisations courantes de ces éléments.

L’azote est important pour la production d’ammoniac, et l’ammoniac est un composant essentiel de nombreux engrais. Les engrais sont utilisés dans le monde entier pour améliorer la croissance et le rendement de nombreuses cultures vivrières.

Le phosphore est un autre élément important du groupe 15 car il entre, lui aussi, dans la production des engrais. Il peut également être combiné avec d’autres éléments pour former des alliages composites, comme par exemple le bronze phosphoreux.

L’arsenic est couramment utilisé pour préserver le bois car sa nature toxique peut être exploitée pour réduire les dommages causés par les insectes, les bactéries et les champignons.

L’antimoine peut être utilisé pour produire différents types d’alliages et de semi-conducteurs, tandis que le bismuth peut être utilisé pour fabriquer des alliages lorsqu’il est mélangé avec du plomb et du cadmium.

Le tableau suivant indique quelques autres utilisations importantes des éléments du groupe 15.

ÉlémentApplications
Azote- Il est utilisé dans la production de l’ammoniac.
- Il est utilisé dans l’industrie des engrais azotés.
- Il fournit une atmosphère inerte pour les aliments tels que les chips.
- Il est utilisé pour gonfler les pneus des voitures de course et des avions.
- Il est utilisé comme réfrigérant pour la cryoconservation.
Phosphore- Il est utilisé dans la fabrication des allumettes.
- Il est utilisé dans l’industrie des engrais NPK.
- Il est utilisé dans des alliages tels que l’acier et le bronze phosphoreux, qui contient du cuivre, de l’étain et du phosphore.
- L’acide phosphorique est présent dans les sodas.
Arsenic- C’est un produit de préservation du bois.
- Le trioxyde de diarsenic est utilisé comme traitement du cancer.
- Il est utilisé dans les alliages avec du plomb dans la production de composants en plomb pour batteries de voiture.
Antimoine- Le trioxyde d’antimoine est utilisé comme ignifuge.
- Il est utilisé dans la production de différents alliages tels que l’alliage plomb-antimoine utilisé dans les batteries.
- C’est un stabilisateur et un catalyseur pour la production du plastique polyéthylène téréphtalate (PET).
- Il est utilisé dans les semi-conducteurs pour une utilisation dans les détecteurs et les diodes infrarouges.
Bismuth- Le subsalicylate de bismuth est utilisé comme médicament antidiarrhéique.
- Il est utilisé dans les alliages pour les fils de soudure en raison de son point de fusion relativement bas.
- Le vanadate de bismuth est un pigment jaune.

Résumons ce que nous avons appris sur les éléments du groupe 15.

Points clés

  • Les éléments du groupe 15 (parfois appelés pnictogènes) sont l’azote, le phosphore, l’arsenic, l’antimoine, le bismuth et le moscovium.
  • Les éléments du groupe 15 ont des configurations électroniques similaires, chaque élément ayant cinq électrons de valence.
  • En descendant dans le groupe 15, les éléments passent des non-métaux aux métalloïdes, puis aux métaux.
  • Certains éléments du groupe 15, tels que le phosphore, l’arsenic et l’antimoine, peuvent former différents allotropes.
  • L’abondance des éléments du groupe 15 diminue quand on descend dans le groupe.
  • Les éléments du groupe 15 peuvent former des oxydes, et ces oxydes ont tendance à être plus basiques quand ils contiennent des éléments du groupe 15 qui ont des numéros atomiques plus élevés.
  • Les éléments du groupe 15 peuvent former des hydrures, et leur solubilité dans l’eau ainsi que leur stabilité thermodynamique ont tendance à diminuer quand on descend dans le groupe.
  • Les éléments du groupe 15 ont de nombreuses applications économiquement importantes, notamment l’utilisation de l’azote et du phosphore dans la fabrication des engrais.

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