Vidéo de la leçon : Le groupe 15 Chimie

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Dans cette vidéo, nous allons découvrir les éléments du groupe 15, leurs propriétés élémentaires, les raisons de ces propriétés et leur importance économique. Le groupe 15, aussi appelée groupe cinq, regroupe les éléments de la 15ème colonne du tableau périodique. Ils sont aussi appelés les pnictogènes. C’est un ensemble d’éléments dont les atomes ont une configuration électronique très similaire. Il y a actuellement six éléments au total dans le groupe 15. Tout en haut, se trouve l’azote avec le numéro atomique sept. Ensuite, il y a le phosphore avec le numéro atomique 15, l’arsenic avec le numéro atomique 33, l’antimoine avec le numéro atomique 51, le bismuth avec le numéro atomique 83 et enfin le moscovium avec le numéro atomique 115.

Le phosphore et l’azote sont les seuls non-métaux du groupe. Mais l’azote est le seul qui se trouve généralement en gaz à température ambiante, sous la forme de la molécule diatomique N2, tandis que le phosphore forme divers solides moléculaires et polymériques. Quant à eux, l’arsenic et l’antimoine ont des propriétés entre celles des métaux et celles des non-métaux, et ils sont donc généralement classés comme métalloïdes. Ils forment généralement des réseaux solides qui sont des isolants, des conducteurs ou des semi-conducteurs, bien que l’arsenic ait également une forme moléculaire. Et le bismuth est classé comme un métal, bien qu’il soit classé comme un métal pauvre car il a une très faible conductivité. Néanmoins, il présente une liaison métallique. Enfin, le moscovium est un élément synthétique. Nous n’avons pas assez d’informations pour pouvoir évaluer sa chimie et ses propriétés physiques.

En descendant dans la colonne 15, chaque élément devient progressivement moins abondant sur Terre que le précédent. L’azote est le plus facilement disponible car les molécules de N2 représentent 80 pour cent des molécules dans l’atmosphère. Les autres éléments se trouvent dans les composés de la croûte terrestre. Environ 1 000 milligrammes de chaque kilogramme de croûte terrestre sont constitués de phosphore. Nous pouvons également dire que cela représente environ 0,1 pour cent en masse. En masse, l’arsenic est environ 500 fois moins abondant que le phosphore, ne constituant qu’environ deux milligrammes par kilogramme de croûte terrestre.

L’antimoine est encore 10 fois moins abondant. Et en parlant comparativement, le bismuth est relativement rare, ne représentant que 0,01 milligramme par kilogramme. Nous pouvons regarder l’aluminium pour remettre ces chiffres dans leur contexte. L’aluminium a une abondance d’environ 80 000 milligrammes par kilogramme de croûte terrestre. Bien sûr, nous n’avons pas d’abondance naturelle pour le moscovium car il est entièrement synthétique. Pour le reste de la vidéo, nous ne verrons que les cinq premiers membres du groupe 15.

Avant de poursuivre, nous allons examiner sous quelles formes naturelles se trouvent ces éléments. La forme la plus courante pour l’azote, comme nous l’avons déjà dit, est le gaz N2, mais nous pouvons également le trouver sous forme de nitrates dans le sol ainsi que dans d’autres composés. L’azote est le seul élément du groupe 15 que l’on trouve facilement dans la nature sous sa forme élémentaire. Le reste se trouve sous forme de composés. Le phosphore se trouve généralement lié dans les phosphates tels que le phosphate de calcium, et dans les minéraux tels que l’apatite, tandis que l’arsenic, l’antimoine et le bismuth sont généralement liés au soufre dans les sulfures.

Une autre caractéristique intéressante de ces éléments est l’ensemble des formes qu’ils présentent lorsqu’ils sont transformés en gaz. Bien sûr, nous savons que l’azote forme des molécules de N2, mais le phosphore, l’arsenic et l’antimoine forment des molécules tétraédriques à quatre atomes. Et uniquement pour un métal, le bismuth formera une molécule Bi2 dans la phase gazeuse. La prochaine chose que nous allons voir est la configuration électronique des atomes de ces éléments.

C’est là que la magie se produit ! Lorsque nous descendons dans la colonne du groupe, les atomes des éléments ont une charge nucléaire croissante et un nombre croissant d’électrons dans le nuage électronique. Il y aura sept électrons dans la configuration électronique pour l’azote, 15 pour le phosphore, 33 pour l’arsenic, 51 pour l’antimoine et 83 pour le bismuth. La sous-couche de plus haute énergie que nous devrons remplir est la sous-couche 6p dans un atome de bismuth. Donc, dans cette mesure, j’ai pris le diagramme d’Aufbau. Si nous utilisons le principe d’Aufbau et que nous remplissons d’abord les orbitales de plus basse énergie, nous serrons capables de déterminer les configurations électroniques de ces atomes.

La configuration électronique à l’état fondamental d’un atome d’azote est 1s2 2s2 2p3. Soit sept électrons au total. La sous-couche 2p ici est à moitié pleine. Les huit électrons supplémentaires qu’a notre atome de phosphore par rapport à un atome d’azote servent à remplir la sous-couche 2p, la sous-couche 3s et la moitié de la sous-couche 3p. Lorsque nous complétons la configuration électronique de l’arsenic, nous devons faire attention à ajouter les électrons à la sous-couche 4s avant de le faire dans la sous-couche 3d. Une fois que la sous-couche 4s est pleine, nous pouvons ajouter 10 électrons à la sous-couche 3d et remplir à moitié la sous-couche 4p.

Ce modèle continue avec l’antimoine, les trois derniers électrons de la configuration électronique d’un atome d’antimoine allant sur la sous-couche 5p. Et la configuration électronique d’un atome de bismuth est assez longue, mais les trois derniers électrons se retrouvent sur une sous-couche de type p. Avant de procéder à une comparaison minutieuse, condensons ces configurations. Nous pouvons condenser l’éssentiel des configurations électroniques en les comparant à celles des gaz nobles (ou gaz rares). De cette façon, nous pouvons nous concentrer sur les électrons externes. Les atomes d’azote ou de phosphore n’ont clairement que cinq électrons sur leur plus haute couche électronique n. Nous voyons également la même chose pour les atomes d’arsenic, d’antimoine et de bismuth.

Pour les éléments du groupe 15, nous voyons généralement trois ou cinq électrons par atome impliqués dans la liaison. C’est soit trois électrons utilisés à partir de la sous-couche p, soit deux à partir de s et trois à partir de p. Nous pouvons en voir la preuve lorsque nous examinons leurs degrés d’oxydation communs. En descendant dans la colonne 15, nous voyons moins de variation dans les degrés d’oxydation. L’azote peut avoir des degrés d’oxydation allant de moins trois à plus cinq. Nous avons tendance à voir des degrés d’oxydation négatifs lorsque l’azote est lié à l’hydrogène, dans l’ammoniac, l’hydrazine et l’hydroxylamine, tandis que les degrés d’oxydation positifs ont tendance à survenir dans des composés contenant des liaisons azote-oxygène, de plus un dans l’oxyde nitreux à plus cinq dans l’acide nitrique.

Maintenant, le phosphore; le phosphore peut présenter des degrés d’oxydation négatifs de moins un ou moins deux. Mais les degrés d’oxydation les plus courants sont moins trois, zéro, plus trois et plus cinq. Nous pouvons voir le degré d’oxydation moins trois dans le phosphite de calcium, où nous voyons l’ion P3-. Et nous voyons généralement les degrés d’oxydation positifs lorsque le phosphore est lié à des halogénures ou à l’oxygène. L’arsenic a un comportement similaire, présentant des degrés d’oxydation de moins trois, zéro, plus trois ou plus cinq, tandis que l’antimoine et le bismuth dans les composés ont tendance à ne présenter que les degrés d’oxydation de plus trois ou plus cinq.

Certains des éléments du groupe 15 présentent différentes formes pures appelées allotropes. Nous laisserons de côté l’azote et le bismuth puisque ces éléments n’ont qu’un seul allotrope courant. Les autres allotropes nécessitent des conditions extrêmes pour être stables. Les allotropes courants des trois autres éléments peuvent être obtenus avec des conditions très raisonnables. Il existe quatre allotropes de phosphore bien connus: le blanc, le rouge, le violet et le noir, bien que le noir soit beaucoup plus difficile à obtenir. Le phosphore blanc est composé de molécules tétraédriques P4. Le phosphore blanc est si réactif qu’il est pyrophorique. Il réagit avec l’oxygène de l’air et s’auto-enflamme. Il est également très toxique et volatil et relativement instable, se transformant en phosphore rouge en réponse à la lumière et à la chaleur.

Le phosphore rouge est polymérique, constitué de chaînes d’atomes de phosphore. La transformation du phosphore blanc en phosphore rouge peut être accélérée en chauffant le phosphore blanc à 250 degrés Celsius. Le phosphore violet est simplement la forme cristalline du polymère de phosphore rouge. Nous pouvons transformer le phosphore rouge en phosphore violet en le chauffant à une température égale ou supérieure à 550 degrés Celsius. Et enfin, le phosphore noir ressemble au graphite dans sa structure. Comme le graphite, le phosphore noir est conducteur. Le phosphore noir est moins facilement disponible que les autres allotropes du phosphore, car il nécessite des catalyseurs ou des pressions incroyablement élevées pour être produit à partir du phosphore blanc.

Ensuite, voyons l’arsenic. Les trois allotropes les plus courants de l’arsenic sont le gris, le jaune et le noir. L’arsenic gris a une structure en couches, et il est assez cassant. C’est le plus stable et le plus courant des trois. L’arsenic gris est un semi-métal, et il peut être transformé en semi-conducteur. L’arsenic jaune est doux et cireux, et il est composé de molécules d’As4. Comme le phosphore blanc, il est instable, volatil et assez toxique. Nous pouvons produire de l’arsenic jaune en condensant des vapeurs d’arsenic. Et enfin, l’arsenic noir est vitreux, cassant et un mauvais conducteur.

Ensuite, voyons l’antimoine. Les formes d’antimoine les plus courantes sont les suivantes: métallique, noire et jaune. Mais il y a aussi une variété exotique explosive. La variété métallique est blanche argentée et assez cassante. La variété explosive est produite par l’électrolyse du trichlorure d’antimoine. Lorsqu’elle est grattée, des nuages blancs d’antimoine métallique se forment et, dans un pilon et un mortier, elle explose. L’antimoine noir est vitreux et cassant, et l’antimoine jaune n’est stable qu’à des basses températures inférieures à moins 90 degrés Celsius. Au-dessus de cette température, il se transformera en antimoine noir. Nous allons maintenant passer à certains des composés des éléments du groupe 15.

Nous allons commencer par les oxydes. En descendant dans la colonne de ce groupe, les oxydes de ces éléments deviennent plus basiques. L’azote, tout en haut de la colonne, forme les oxydes les plus acides. Tous ces oxydes, de l’oxyde nitreux au pentoxyde d’azote, sont dans une certaine mesure acides. Beaucoup de ces oxydes peuvent être produits par réaction directe de l’azote avec de l’oxygène gazeux. Par exemple, le dioxyde d’azote peut être produit en faisant réagir une quantité d’azote avec le double de quantité d’oxygène. Le dioxyde d’azote peut réagir avec l’eau pour produire un mélange d’acides nitreux et d’acides nitriques.

Ensuite, regardons le phosphore. Les oxydes courants de phosphore sont le trioxyde de phosphore et le pentoxyde de phosphore. Ils sont tous les deux acides, formant respectivement de l’acide phosphoreux et de l’acide phosphorique. Le phosphore blanc réagit avec l’oxygène de l’air pour former le pentoxyde de phosphore sous la forme d’une poudre blanche. La seule unité P4O10 réagit avec six molécules d’eau pour produire quatre molécules d’acide phosphorique.

Ensuite, l’arsenic. L’arsenic a tendance à former du trioxyde d’arsenic plutôt que du pentoxyde d’arsenic. Mais les deux sont acides. Le trioxyde d’arsenic peut être produit en brûlant du trisulfure d’arsenic. Maintenant, l’antimoine. Comme l’arsenic, l’antimoine a tendance à former le trioxyde d’antimoine plutôt que le pentoxyde d’antimoine. Ces oxydes sont amphotères, étant basiques dans certaines circonstances et acides dans d’autres. Et enfin, nous avons le bismuth. Le bismuth réagit avec l’oxygène pour former le trioxyde de bismuth. La formation du pentoxyde de bismuth est beaucoup plus difficile. Ces oxydes sont basiques. Le trioxyde de bismuth réagira avec l’eau pour former du trihydroxyde de bismuth.

Ensuite, nous allons examiner les hydrures. En descendant dans la colonne 15, les hydrures deviennent moins polaires. En conséquence, ils deviennent moins solubles dans l’eau. Techniquement, l’ammoniac n’est pas un hydrure. L’azote a un degré d’oxydation de moins trois et l’hydrogène a un degré d’oxydation de plus un. Nous allons laisser cette technicité de côté pour le moment. Nous pouvons prédire le degré d’oxydation des éléments de la colonne 15 en utilisant leurs électronégativités par rapport à l’hydrogène. L’azote est à trois, largement au-dessus de l’hydrogène qui est à 2.2. L’électronégativité du phosphore et de l’arsenic sont presque exactement les mêmes que celle de l’hydrogène, tandis que les électronégativités de l’antimoine et du bismuth sont clairement inférieures à celle de l’hydrogène.

Le doublet non liant (ou doublet libre) sur l’azote dans l’ammoniac fournit une zone de charge négative concentrée. Dans les liaisons azote-hydrogène, les électrons se retrouvent plus près de l’atome d’azote plus électronégatif, augmentant ainsi la taille du dipôle global. C’est le grand dipôle de l’ammoniac qui lui permet d’être très soluble dans l’eau. Le phosphore dans la phosphine, PH3, a également un doublet libre, fournissant une sorte de dipôle. Mais le phosphore et l’hydrogène ont à peu près la même électronégativité, de sorte que les liaisons phosphore-hydrogène sont non-polaires et ne contribuent pas au dipôle global.

Comme la phosphine, l’arsine a un doublet libre, mais il est plus diffus. Donc, le dipôle global est plus petit. Avec l’antimoine, pour la première fois dans le groupe 15, nous avons un élément dont l’électronégativité est inférieure à celle des hydrogènes. L’hydrogène adopte par conséquent le degré d’oxydation de moins un. L’hydrure d’antimoine est connu sous le nom de stibine. Dans la stibine, la polarité des liaisons hydrogènes de l’antimoine entre en compétition avec le dipôle produit par le doublet libre. Dans l’ensemble, la stibine a un dipôle très faible. Et le modèle continue avec la bismuthine.

Nous allons maintenant nous intérréser à l’importance économique de chacun de ces éléments. La principale utilisation industrielle de l’azote est la production d’ammoniac, un ingrédient essentiel de l’industrie des engrais. Mais il est également utilisé pour gonfler les pneus de voiture, pour que les chips de pomme de terre restent fraiches, pour préserver les échantillons de tissus et faire de la chimie avec des composés sensible à l’air. Le phosphore, comme l’azote, est également un élément essentiel de l’industrie des engrais. Il est également un élément clé présent dans les têtes d’allumettes et le grattoir des boîtes d’allumettes, dans des alliages tels que le bronze phosphoreux, et il se trouve dans certains ingrédients de feux d’artifice.

L’arsenic et plusieurs de ses composés sont notoirement toxiques. Néanmoins, l’arsenic a quelques utilisations, par exemple, dans les produits de traitement préservateur du bois, pour tuer les champignons, les bactéries et les virus. Et il est même utilisé dans les médicaments. Par exemple, le trioxyde d’arsenic est utilisé pour traiter la leucémie. L’antimoine peut être trouvé dans divers alliages, par exemple, en combinaison avec le plomb dans les alliages des batteries de voiture. Et il se trouve également dans certains semi-conducteurs. Le bismuth est également présent dans divers alliages, par exemple, combiné avec du plomb et du cadmium pour produire des alliages à bas point de fusion dans les fusibles.

Il est maintenant temps de terminer avec les points clés. Les éléments du groupe 15 (colonne 15), également appelés éléments de la colonne cinq, sont l’azote, le phosphore, l’arsenic, l’antimoine, le bismuth et le moscovium. Leurs numéros atomiques sont respectivement sept, 15, 33, 51, 83 et 115. Les atomes de ces éléments ont tous des configurations électroniques qui se terminent par une configuration s2 p3. Il suffit d’explorer les configurations électroniques des atomes des éléments jusqu’au bismuth. Le moscovium est un élément de synthèse et sa chimie n’a pas été minutieusement étudiée. Dans les composés, nous voyons des degrés d’oxydation de l’azote entre moins trois et plus cinq. En descendant dans la colonne, l’intervalle des degrés d’oxydation diminue, et les composés des éléments de la colonne 15 avec un degré d’oxydation de plus cinq deviennent plus instables.

Les allotropes de phosphore comprennent le blanc, le rouge, le violet et le noir. Vous pouvez avoir de l’arsenic gris, jaune ou noir. Les allotropes les plus courants de l’antimoine sont métallique, noir et jaune, tandis que l’azote et le bismuth n’ont qu’un seul allotrope courant. Pour l’azote, c’est le gaz N2, et pour le bismuth, c’est une forme métallique. Les oxydes d’azote et de phosphore sont tous acides. Et ceux de l’arsenic sont plus faiblement acides. Les oxydes d’antimoine sont basiques dans certaines circonstances, et acides dans d’autres. Ils sont donc amphotères, tandis que les oxydes de bismuth sont basiques. Et les composés des éléments du groupe 15 avec l’hydrogène, sous la forme XH3, deviennent moins polaires et moins solubles lorsque vous descendez dans la colonne.