نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على عناصر المجموعة 15، وخواصها العنصرية، وأسباب تلك الخواص، وأهميتها الاقتصادية. المجموعة 15، التي تعرف أيضًا بالمجموعة الخامسة، هي مجموعة من العناصر في الجدول الدوري. وتعرف في بعض الأحيان بالنكتوجينات. وهي مجموعة من العناصر ذات توزيع إلكتروني للذرات متشابه للغاية. يوجد حاليًّا ستة عناصر إجمالًا في المجموعة 15. في أعلاها، يوجد النيتروجين وعدده الذري سبعة. ويتبعه الفوسفور وعدده الذري 15، ثم الزرنيخ وعدده الذري 33، ثم الأنتيمون وعدده الذري 51، ثم البزموت وعدده الذري 83، وأخيرًا الموسكوفيوم وعدده الذري 115.
الفوسفور والنيتروجين هما اللافلزيان الوحيدان في المجموعة. لكن النيتروجين هو العنصر الوحيد الذي يوجد بشكل شائع في صورة غاز في درجة حرارة الغرفة على شكل جزيء N2 ثنائي الذرة، بينما يشكل الفوسفور مجموعة متنوعة من المواد الصلبة الجزيئية والبوليمرية. أما الزرنيخ والأنتيمون، فلهما خواص تجمع ما بين الفلزات واللافلزات؛ لذا يصنفان بشكل عام باعتبارهما أشباه فلزات. وعادة ما يكون هذان العنصران شبيكات صلبة تعمل مواد عازلة أو موصلات أو أشباه موصلات، وإن كان الزرنيخ يتخذ شكلًا جزيئيًّا أيضًا. ويصنف البزموت فلزًّا، لكنه يصنف على أنه فلز ضعيف لأن قابلية توصيله للكهرباء منخفضة جدًّا. ولكنه يظهر ترابطًا فلزيًّا. وأخيرًا، الموسكوفيوم عنصر اصطناعي. ولا يتوفر لدينا ما يكفي من المعلومات لتقييم طبيعته الكيميائية وخواصه الفيزيائية.
بالهبوط لأسفل في المجموعة 15، تقل وفرة كل عنصر على الأرض تدريجيًّا مقارنة بالعنصر السابق له. فالنيتروجين هو الأكثر توفرًا؛ فجزيئات N2 تشكل 80 بالمائة من جزيئات الغلاف الجوي. أما العناصر المتبقية، فتوجد في شكل مركبات في القشرة الأرضية. كل كيلوجرام من القشرة الأرضية يحتوي على حوالي 1000 ملليجرام من الفوسفور. ويمكننا التعبير عن ذلك في صورة 0.1 بالمائة تقريبًا من الكتلة. وبحسب الكتلة، يعد الزرنيخ أقل وفرة من الفوسفور بمقدار 500 مرة؛ فيشكل حوالي ملليجرامين فقط لكل كيلوجرام من القشرة الأرضية.
والأنتيمون أقل وفرة من الزرنيخ بمقدار 10 مرات. ويعد البزموت نادرًا نسبيًّا؛ حيث يشكل 0.01 ملليجرام فقط لكل كيلوجرام. يمكننا النظر إلى الألومنيوم لتوضيح هذه النسب. فوفرة الألومنيوم في القشرة الأرضية تبلغ حوالي 80000 ملليجرام لكل كيلوجرام. وبالطبع ليست لدينا وفرة طبيعية للموسكوفيوم؛ لأنه عنصر اصطناعي كليًّا. فيما تبقى من الفيديو، سنتناول العناصر الخمسة الأولى فقط في المجموعة 15.
قبل أن نمضي قدمًا، سنلقي نظرة على الأشكال التي توجد عليها هذه العناصر في الطبيعة. كما ذكرنا سابقًا، الحالة الأكثر شيوعًا للنيتروجين هي غاز N2، ولكن يمكننا أيضًا إيجاده في صورة نيترات في التربة وفي مركبات أخرى. النيتروجين هو العنصر الوحيد في المجموعة 15 الذي يمكن إيجاده بسهولة في الطبيعة في صورته العنصرية. أما العناصر الباقية فتوجد في صورة مركبات. يوجد الفوسفور بشكل عام مرتبطًا بعناصر أخرى في مركبات الفوسفات، مثل فوسفات الكالسيوم، والمعادن مثل الأباتيت، بينما يرتبط كل من الزرنيخ والأنتيمون والبزموت بوجه عام بالكبريت في الكبريتيدات.
ثمة خاصية أخرى مثيرة للاهتمام لهذه العناصر، وهي التباين في الأشكال التي تتخذها عند تحولها إلى غاز. نعرف بالطبع أن النيتروجين يشكل جزيئات N2، لكن الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون تشكل جزيئات رباعية الأوجه من أربع ذرات. وبشكل فريد بالنسبة إلى الفلزات، يشكل البزموت جزيء Bi2 في الحالة الغازية. الأمر التالي الذي سنتناوله هو التوزيع الإلكتروني لذرات هذه العناصر.
هذا التوزيع مبهر حقًّا. بالهبوط لأسفل في هذه المجموعة، تتزايد الشحنة النووية وعدد الإلكترونات في السحابة الإلكترونية لذرات العناصر. فتوجد سبعة إلكترونات في التوزيع الإلكتروني للنيتروجين، و15 في الفوسفور، و33 في الزرنيخ، و51 في الأنتيمون، و83 في البزموت. وغلاف الطاقة الفرعي الأعلى الذي يجب أن يمتلأ هو الغلاف الفرعي 6p في ذرة البزموت. هذا هو الحد الذي وصلت إليه في مخطط أوفباو. إذا استخدمنا مبدأ أوفباو وملأنا المدارات الأقل طاقة أولًا، فسنتمكن من اكتشاف التوزيعات الإلكترونية لهذه الذرات.
التوزيع الإلكتروني لذرة النيتروجين في المستوى الأرضي هو 1s2 2s2 2p3. وهو ما يساوي سبعة إلكترونات إجمالًا. الغلاف الفرعي 2p، في هذه الحالة، نصف ممتلئ. الإلكترونات الثمانية الإضافية التي تزيد بها ذرة الفوسفور عن ذرة النيتروجين تكمل الغلاف الفرعي 2p، والغلاف الفرعي 3s، ونصف الغلاف الفرعي 3p. عندما نكمل التوزيع الإلكتروني للزرنيخ، يجب أن نحرص على إضافة إلكترونات إلى الغلاف الفرعي 4s قبل أن نملأ الغلاف الفرعي 3d. بعد اكتمال الغلاف الفرعي 4s، يمكننا إضافة 10 إلكترونات إلى الغلاف الفرعي 3d، وملء نصف الغلاف الفرعي 4p.
يستمر النمط نفسه مع الأنتيمون، مع وجود الإلكترونات الثلاثة الأخيرة في التوزيع الإلكتروني لذرة الأنتيمون في الغلاف الفرعي 5p. والتوزيع الإلكتروني لذرة البزموت طويل للغاية، لكن الإلكترونات الثلاثة الأخيرة توجد في غلاف فرعي من النوع p. قبل إجراء مقارنة دقيقة، فلنختصر هذه التوزيعات. يمكننا اختصار توزيعات الإلكترونات الداخلية عن طريق مقارنتها بالغازات النبيلة. وبهذه الطريقة، يمكننا التركيز على الإلكترونات الخارجية. من الواضح أن ذرات النيتروجين أو الفوسفور تحتوي على خمسة إلكترونات فقط في أعلى غلاف إلكتروني لها، n. كما نلاحظ الأمر نفسه مع ذرات الزرنيخ والأنتيمون والبزموت.
بالنسبة إلى عناصر المجموعة 15، نلاحظ عادة أن ثلاثة أو خمسة إلكترونات في كل ذرة تشارك في تكوين الروابط. هذا يعني إما استخدام ثلاثة إلكترونات من الأغلفة الفرعية p، وإما استخدام إلكترونين من الأغلفة الفرعية s وثلاثة إلكترونات من الأغلفة الفرعية p. يمكننا رؤية أدلة على ذلك عند النظر إلى حالات التأكسد الشائعة لهذه العناصر. بالهبوط لأسفل في المجموعة 15، يقل التباين في حالات التأكسد. فيمكن أن يظهر النيتروجين حالات تأكسد تتراوح بين سالب ثلاثة وموجب خمسة. ونرى عادة حالات التأكسد السلبية عندما يرتبط النيتروجين بالهيدروجين في الأمونيا والهيدرازين والهيدروكسيلامين، بينما تظهر عادة حالات التأكسد الإيجابية في مركبات تحتوي على روابط بين النيتروجين والأكسجين، بدءًا من موجب واحد في أكسيد النيتروز إلى موجب خمسة في حمض النيتريك.
أما الفوسفور فقد يظهر حالتي التأكسد سالب واحد أو سالب اثنين. ولكن حالات التأكسد الأكثر شيوعًا له هي سالب ثلاثة، وصفر، وموجب ثلاثة، وموجب خمسة. يمكننا أن نرى حالة التأكسد سالب ثلاثة في فوسفيد الكالسيوم، حيث نرى الأيون P3-. وعادة ما نرى حالات التأكسد الموجبة عندما يرتبط الفوسفور بالهاليدات أو الأكسجين. يظهر الزرنيخ سلوكًا مشابهًا؛ حيث يظهر حالات التأكسد سالب ثلاثة أو صفر أو موجب ثلاثة أو موجب خمسة، بينما يظهر الأنتيمون والبزموت في المركبات عادة حالتي التأكسد موجب ثلاثة أو موجب خمسة فقط.
تتخذ بعض عناصر المجموعة 15 أشكالًا نقية مختلفة تسمى المتآصلات. سنتجاهل النيتروجين والبزموت؛ لأن هذين العنصرين لهما متآصل شائع واحد فقط. أما المتآصلات الأخرى فتتطلب ظروفًا قاسية كي تكون مستقرة. ويمكن الحصول على المتآصلات الشائعة للعناصر الثلاثة الأخرى في ظروف معقولة جدًّا. توجد أربعة متآصلات معروفة للفوسفور، وهي الأبيض والأحمر والبنفسجي والأسود، وإن كان الحصول على الأسود أصعب بكثير. يتكون الفوسفور الأبيض من جزيئات P4 رباعية الأوجه. والفوسفور الأبيض شديد التفاعلية لدرجة أنه قابل للاشتعال. فهو يتفاعل مع الأكسجين في الهواء ويحترق ذاتيًّا. كما أنه شديد السمية، ومتطاير، وغير مستقر نسبيًّا؛ فيتحول إلى فوسفور أحمر تحت تأثير الضوء والحرارة.
والفوسفور الأحمر هو مادة بوليمرية مكونة من سلاسل من ذرات الفوسفور. يمكن التسريع بتحويل الفوسفور الأبيض إلى الفوسفور الأحمر عن طريق تسخين الفوسفور الأبيض حتى درجة حرارة 250 درجة سلزية. والفوسفور البنفسجي هو ببساطة الشكل البلوري لبوليمر الفوسفور الأحمر. يمكننا تحويل الفوسفور الأحمر إلى الفوسفور البنفسجي عن طريق تسخينه عند درجة حرارة 550 درجة سلزية أو أعلى. وأخيرًا، يشبه الفوسفور الأسود الجرافيت في بنيته. والفوسفور الأسود، شأنه شأن الجرافيت، موصل للكهرباء. يتوفر الفوسفور الأسود بنسبة أقل من متآصلات الفوسفور الأخرى لأنه يتطلب عوامل حفازة أو درجات ضغط عالية للغاية لإنتاجه من الفوسفور الأبيض.
والآن لننظر إلى الزرنيخ. المتآصلات الثلاثة الأكثر شيوعًا للزرنيخ هي الرمادي، والأصفر، والأسود. الزرنيخ الرمادي له بنية متعددة الطبقات، وهو هش للغاية. وهو الأكثر استقرارًا والأكثر شيوعًا بين المتآصلات الثلاثة. الزرنيخ الرمادي هو شبه فلز، ويمكن تحويله إلى شبه موصل. الزرنيخ الأصفر ناعم، وشمعي القوام، ويتكون من جزيئات As4. وكما هو الحال مع الفوسفور الأبيض، الزرنيخ الأصفر غير مستقر، ومتطاير، وسام جدًّا. ويمكننا تحضير الزرنيخ الأصفر عن طريق تكثيف بخار الزرنيخ. وأخيرًا لدينا الزرنيخ الأسود، وهو زجاجي وهش وموصل ضعيف للكهرباء.
بعد ذلك، لنلق نظرة على الأنتيمون. أكثر صور الأنتيمون شيوعًا هي المعدني، والأسود، والأصفر. لكن هناك أيضًا نوعًا متفجرًا غريبًا منه. النوع المعدني لونه أبيض مائل إلى الفضي، وهش للغاية. والنوع المتفجر ينتج عن طريق التحليل الكهربي لثلاثي كلوريد الأنتيمون. عند حك هذا النوع، تتكون سحب بيضاء من الأنتيمون المعدني، وعند وضعه في هاون والطرق عليه بمدقة، ينفجر. الأنتيمون الأسود زجاجي وهش، والأنتيمون الأصفر لا يكون مستقرًّا إلا عند درجات حرارة منخفضة أقل من سالب 90 درجة سلزية. وعند درجات الحرارة الأعلى من ذلك، يتحول إلى أنتيمون أسود. والآن لننتقل إلى بعض مركبات عناصر المجموعة 15.
سنبدأ بالأكاسيد. بالهبوط لأسفل في هذه المجموعة، تزيد قاعدية أكاسيد هذه العناصر. فيكون النيتروجين الموجود في قمة المجموعة الأكاسيد الأكثر حمضية. وجميع هذه الأكاسيد، بدءًا من أكسيد النيتروز إلى خامس أكسيد ثنائي النيتروجين، هي أكاسيد حمضية إلى حد ما. يمكن أن ينتج الكثير من هذه الأكاسيد عن طريق التفاعل المباشر بين النيتروجين وغاز الأكسجين. على سبيل المثال، يمكن أن ينتج ثاني أكسيد النيتروجين عن طريق تفاعل حصة من النيتروجين مع حصتين من الأكسجين. ويمكن أن يتفاعل ثاني أكسيد النيتروجين مع الماء لتكوين خليط من حمضي النيتروز والنيتريك.
والآن لنلق نظرة على الفوسفور. أكثر أكاسيد الفوسفور شيوعًا هما أكسيد الفوسفور الثلاثي وأكسيد الفوسفور الخماسي. وكلاهما حمضي ويكونان حمض الفوسفوروز وحمض الفوسفوريك، على الترتيب. يتفاعل الفوسفور الأبيض مع الأكسجين في الهواء ليكون أكسيد الفوسفور الخماسي في صورة مسحوق أبيض. تتفاعل وحدة واحدة من P4O10 مع ستة جزيئات من الماء لإنتاج أربعة جزيئات من حمض الفوسوريك.
بعد ذلك، لنلق نظرة على الزرنيخ. يكون الزرنيخ عادة أكسيد الزرنيخ الثلاثي أكثر من أكسيد الزرنيخ الخماسي. لكن كليهما حمضي. يمكن إنتاج أكسيد الزرنيخ الثلاثي عن طريق حرق كبريتيد الزرنيخ الثلاثي. والآن لنلق نظرة على الأنتيمون. كما هو الحال مع الزرنيخ، يكون الأنتيمون عادة أكسيد الأنتيمون الثلاثي أكثر من أكسيد الأنتيمون الخماسي. هذان الأكسيدان متذبذبان؛ حيث يكونان قاعديين في بعض الظروف، وحمضيين في ظروف أخرى. وأخيرًا لدينا البزموت. يتفاعل البزموت مع الأكسجين ليكون أكسيد البزموت الثلاثي. لكن تكوين أكسيد البزموت الخماسي أصعب بكثير. وهذان الأكسيدان قاعديان. يتفاعل أكسيد البزموت الثلاثي مع الماء ليكون هيدروكسيد البزموت الثلاثي.
بعد ذلك، سنلقي نظرة على الهيدريدات. بالهبوط لأسفل في المجموعة 15، تصبح الهيدريدات أقل قطبية. ونتيجة لذلك، تصبح أقل قابلية للذوبان في الماء. من ناحية المبدأ، الأمونيا ليست هيدريد. فللنيتروجين حالة تأكسد سالب ثلاثة، والهيدروجين لديه حالة تأكسد موجب واحد. سنترك هذه التفاصيل الدقيقة جانبًا في الوقت الحالي. يمكننا توقع حالة تأكسد عناصر المجموعة 15 باستخدام سالبيتها الكهربية بالنسبة إلى الهيدروجين. السالبية الكهربية للنيتروجين هي ثلاثة، وهي أعلى من سالبية الهيدروجين التي تساوي 2.2. والسالبية الكهربية للفوسفور والزرنيخ تكاد تكون مماثلة تمامًا للهيدروجين، بينما السالبية الكهربية للأنتيمون والبزموت أقل من الهيدروجين.
يوفر الزوج الحر على ذرة النيتروجين في الأمونيا مساحة من الشحنة السالبة المركزة. في الروابط بين النيتروجين والهيدروجين، ينتهي المطاف بالإلكترونات بالقرب من ذرة النيتروجين ذات السالبية الكهربية الأعلى، ما يزيد من ثنائية القطب الكلية. وثنائية القطب العالية للأمونيا هي التي تجعلها قابلة للذوبان في الماء بدرجة كبيرة. للفوسفور في مركب الفوسفين، PH3، زوج حر أيضًا، ما يوفر القليل من ثنائية القطب. لكن الفوسفور والهيدروجين لهما السالبية الكهربية نفسها تقريبًا، ومن ثم فإن الروابط بين الفوسفور والهيدروجين غير قطبية ولا تساهم في ثنائية القطب الكلية.
وكما هو الحال مع الفوسفين، للأرسين زوج حر، لكنه أكثر انتشارًا. وبذلك، تكون ثنائية القطب الكلية أقل. بالنسبة إلى الأنتيمون، فللمرة الأولى في المجموعة 15 يكون لدينا عنصر سالبيته الكهربية أقل من السالبية الكهربية للهيدروجين. فيأخذ الهيدروجين حالة التأكسد سالب واحد. يعرف هيدريد الأنتيمون باسم الاستيبين. وفي الاستيبين، تتنافس قطبية روابط الهيدروجين والأنتيمون ضد ثنائية القطب الناتجة عن الزوج الحر. بوجه عام، للاستيبين ثنائية قطب منخفضة للغاية. ويستمر النمط نفسه مع البزموثين.
والآن سنلقي نظرة على الأهمية الاقتصادية لكل عنصر من هذه العناصر. يتمثل الاستخدام الصناعي الرئيسي للنيتروجين في إنتاج الأمونيا، وهي مكون أساسي في صناعة الأسمدة. ولكنه يستخدم أيضًا في نفخ إطارات السيارات، والحفاظ على رقائق البطاطس طازجة، والحفاظ على عينات الأنسجة، وإجراء العمليات الكيميائية الحساسة للهواء. والفوسفور، شأنه شأن النيتروجين، مكون أساسي في صناعة الأسمدة. كما أنه مكون رئيسي في رءوس أعواد الثقاب وعلبها، وفي السبائك مثل البرونز الفوسفوري، ويوجد كذلك في بعض مكونات الألعاب النارية.
من المعروف أن الزرنيخ والعديد من مركباته سامة. ومع ذلك للزرنيخ بضعة استخدامات، مثل استخدامه في المواد الحافظة للأخشاب حيث يقتل الفطريات والبكتيريا والفيروسات. بل ويستخدم في الطب أيضًا. على سبيل المثال، يستخدم أكسيد الزرنيخ الثلاثي في علاج سرطان الدم. يمكن العثور على الأنتيمون في سبائك مختلفة؛ فيوجد مثلًا مع الرصاص في سبائك بطاريات السيارات. كما يوجد في بعض أشباه الموصلات. يوجد البزموت أيضًا في سبائك مختلفة، فيستخدم مثلًا مع الرصاص والكادميوم لإنتاج سبائك ذات درجة انصهار منخفضة في الصمامات.
والآن حان الوقت لتلخيص النقاط الأساسية. عناصر المجموعة 15، التي تعرف أيضًا باسم عناصر المجموعة الخامسة، هي النيتروجين، والفوسفور، والزرنيخ، والأنتيمون، والبزموت، والموسكوفيوم. وأعدادها الذرية هي سبعة، و15، و33، و51، و83، و115، على الترتيب. ينتهي التوزيع الإلكتروني لذرات جميع هذه العناصر بالتوزيع s2 p3. نحتاج إلى استكشاف التوزيعات الإلكترونية لذرات هذه العناصر حتى البزموت فقط. فالموسكوفيوم هو عنصر اصطناعي، ولم تدرس طبيعته الكيميائية بشكل كامل. في المركبات، نرى أن حالات تأكسد للنيتروجين تتراوح ما بين سالب ثلاثة وموجب خمسة. وبالهبوط لأسفل في هذه المجموعة، يتناقص نطاق حالات التأكسد، والمركبات التي تحتوي على عناصر المجموعة 15 ذات حالة التأكسد موجب خمسة تكون أقل استقرارًا.
متآصلات الفوسفور هي الأبيض، والأحمر، والبنفسجي، والأسود. ويمكننا الحصول على زرنيخ رمادي أو أصفر أو أسود. والمتآصلات الأكثر شيوعًا للأنتيمون هي المعدني، والأسود، والأصفر، بينما يوجد متآصل شائع واحد فقط لكل من النيتروجين والبزموت. في حالة النيتروجين، المتآصل هو غاز N2، وفي حالة البزموت، المتآصل هو شكل معدني. أكاسيد النيتروجين والفوسفور جميعها حمضية. وأكاسيد الزرنيخ أقل حمضية منها. أما أكاسيد الأنتيمون فقاعدية في بعض الظروف، وحمضية في ظروف أخرى. فهي أكاسيد متذبذبة، بينما أكاسيد البزموت قاعدية. والمركبات التي تحتوي على عناصر المجموعة 15 مع الهيدروجين في صورة XH3 تصبح أقل قطبية وأقل قابلية للذوبان كلما هبطنا لأسفل في المجموعة.
