Un pnictógeno [1] ( / ˈ p n ɪ k t ə dʒ ə n / o / ˈ n ɪ k t ə dʒ ə n / ; del griego antiguo : πνῑ́γω "asfixiar" y -gen, "generador") es cualquier de los elementos químicos del grupo 15 de la tabla periódica . El grupo 15 también se conoce como grupo del nitrógeno o familia del nitrógeno . El grupo 15 está formado por los elementos nitrógeno (N), fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb), bismuto (Bi) y moscovio (Mc).
Desde 1988, la IUPAC lo denomina Grupo 15 . Antes de eso, en América se llamaba Grupo V A , debido a un texto de HC Deming y la Sargent-Welch Scientific Company , mientras que en Europa se llamaba Grupo V B y la IUPAC así lo recomendó en 1970. [2] (Se pronuncia "grupo cinco A" y "grupo cinco B"; "V" es el número romano 5). En física de semiconductores , todavía se le suele denominar Grupo V. [3] El "cinco" ("V") en los nombres históricos proviene de la " pentavalencia " del nitrógeno, reflejada por la estequiometría de compuestos como el N 2 O 5 . También se les ha llamado pentels.
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia manifiestan patrones similares en la configuración electrónica , especialmente en sus capas de valencia, lo que resulta en tendencias en el comportamiento químico.
Este grupo tiene la característica definitoria de que cada elemento componente tiene 5 electrones en su capa de valencia , es decir, 2 electrones en la subcapa s y 3 electrones desapareados en la subcapa p. Por lo tanto, les faltan 3 electrones para llenar su capa de valencia en su estado no ionizado . El término símbolo de Russell-Saunders del estado fundamental en todos los elementos del grupo es 4 S 3 ⁄ 2 .
Los elementos más importantes de este grupo para la vida en la Tierra son el nitrógeno (N), que en su forma diatómica es el componente principal del aire, y el fósforo (P), que, como el nitrógeno, es esencial para todas las formas de vida conocidas.
Los compuestos binarios del grupo pueden denominarse colectivamente pnictidas . Las propiedades magnéticas de los compuestos de pnictida abarcan los casos de sistemas diamagnéticos (como BN o GaN) y sistemas magnéticamente ordenados (MnSb es paramagnético a temperaturas elevadas y ferromagnético a temperatura ambiente); los primeros compuestos suelen ser transparentes y los segundos metálicos. Otras pnictidas incluyen la variedad de pnictidas del grupo principal de tierras raras ternarias (RE). Estos están en la forma de RE a M b Pn c , donde M es un elemento del grupo carbono o del grupo boro y Pn es cualquier pnictógeno excepto nitrógeno. Estos compuestos se encuentran entre compuestos iónicos y covalentes y, por lo tanto, tienen propiedades de enlace inusuales. [4]
Estos elementos también destacan por su estabilidad en compuestos debido a su tendencia a formar dobles enlaces y triples enlaces covalentes . Esta propiedad de estos elementos conduce a su potencial toxicidad , más evidente en el fósforo, el arsénico y el antimonio. Cuando estas sustancias reaccionan con diversas sustancias químicas del cuerpo, crean fuertes radicales libres que el hígado no procesa fácilmente, donde se acumulan. Paradójicamente, este mismo enlace fuerte causa la toxicidad reducida del nitrógeno y el bismuto (cuando están en moléculas), porque estos enlaces fuertes con otros átomos son difíciles de dividir, creando moléculas muy poco reactivas. Por ejemplo, el N 2 , la forma diatómica del nitrógeno, se utiliza como gas inerte en situaciones en las que utilizar argón u otro gas noble sería demasiado caro.
La formación de enlaces múltiples se ve facilitada por sus cinco electrones de valencia, mientras que la regla del octeto permite que un pnictógeno acepte tres electrones en un enlace covalente. Debido a que 5 > 3, deja dos electrones sin usar en un par solitario a menos que haya una carga positiva alrededor (como en [NH 4 ] + ). Cuando un pnictógeno forma sólo tres enlaces simples , los efectos del par solitario generalmente dan como resultado una geometría molecular piramidal trigonal .
Los pnictógenos ligeros (nitrógeno, fósforo y arsénico) tienden a formar cargas −3 cuando se reducen, completando su octeto. Cuando se oxidan o ionizan, los pnictógenos suelen tomar un estado de oxidación de +3 (al perder los tres electrones de la capa p en la capa de valencia) o +5 (al perder los tres electrones de la capa p y los dos electrones de la capa s en la capa de valencia). . Sin embargo, es más probable que los pnictógenos más pesados formen el estado de oxidación +3 que los más ligeros debido a que los electrones de la capa s se estabilizan más. [5]
Los pnictógenos pueden reaccionar con el hidrógeno para formar hidruros de pnictógeno como el amoníaco . Bajando de grupo, hasta fosfano (fosfina), arsano (arsina), estibano (estibina) y finalmente bismutano (bismutina), cada hidruro de pnictógeno se vuelve progresivamente menos estable (más inestable), más tóxico y tiene una relación hidrógeno-hidrógeno más pequeña. ángulo (de 107,8° en amoníaco [6] a 90,48° en bismutano). [7] (Además, técnicamente, sólo el amoníaco y el fosfano tienen el pnictógeno en el estado de oxidación −3 porque, para el resto, el pnictógeno es menos electronegativo que el hidrógeno).
Los sólidos cristalinos que presentan pnictógenos completamente reducidos incluyen nitruro de itrio , fosfuro de calcio , arseniuro de sodio , antimonuro de indio e incluso sales dobles como el fosfuro de aluminio, galio e indio . Entre ellos se incluyen los semiconductores III-V , incluido el arseniuro de galio , el segundo semiconductor más utilizado después del silicio.
El nitrógeno forma un número limitado de compuestos III estables. El óxido de nitrógeno (III) sólo se puede aislar a bajas temperaturas y el ácido nitroso es inestable. El trifluoruro de nitrógeno es el único trihaluro de nitrógeno estable; el tricloruro de nitrógeno , el tribromuro de nitrógeno y el triyoduro de nitrógeno son explosivos; el triyoduro de nitrógeno es tan sensible a los golpes que el toque de una pluma lo detona (los últimos tres en realidad contienen nitrógeno en el estado de oxidación -3). ). El fósforo forma un óxido +III que es estable a temperatura ambiente, ácido fosforoso y varios trihaluros , aunque el triyoduro es inestable. El arsénico forma compuestos +III con oxígeno como arsenitos , ácido arsénico y óxido de arsénico (III) , y forma los cuatro trihaluros. El antimonio forma óxido de antimonio (III) y antimonita , pero no oxiácidos. Sus trihaluros, trifluoruro de antimonio , tricloruro de antimonio , tribromuro de antimonio y triyoduro de antimonio , como todos los trihaluros de pnictógeno, tienen cada uno una geometría molecular piramidal trigonal .
El estado de oxidación +3 es el estado de oxidación más común del bismuto porque su capacidad para formar el estado de oxidación +5 se ve obstaculizada por propiedades relativistas de elementos más pesados , efectos que son aún más pronunciados en el caso del moscovio. El bismuto (III) forma un óxido , un oxicloruro , un oxinitrato y un sulfuro . Se prevé que el moscovio (III) se comportará de manera similar al bismuto (III). Se predice que Moscovium formará los cuatro trihaluros, de los cuales se prevé que todos, excepto el trifluoruro, sean solubles en agua. También se prevé que forme un oxicloruro y un oxibromuro en el estado de oxidación +III.
Para el nitrógeno, el estado +5 normalmente sirve sólo como una explicación formal de moléculas como el N 2 O 5 , ya que la alta electronegatividad del nitrógeno hace que los electrones se compartan casi de manera uniforme. [ se necesita aclaración ] Los compuestos pnictógenos con número de coordinación 5 son hipervalentes . El fluoruro de nitrógeno (V) es sólo teórico y no ha sido sintetizado. El estado "verdadero" +5 es más común para los pnictógenos típicos esencialmente no relativistas fósforo , arsénico y antimonio , como se muestra en sus óxidos, óxido de fósforo (V) , óxido de arsénico (V) y óxido de antimonio (V) . y sus fluoruros, fluoruro de fósforo(V) , fluoruro de arsénico(V) , fluoruro de antimonio(V) . También forman aniones fluoruro relacionados, hexafluorofosfato , hexafluoroarsenato , hexafluoroantimoniato , que funcionan como aniones no coordinantes . El fósforo incluso forma óxido-haluros mixtos, conocidos como oxihaluros , como el oxicloruro de fósforo , y pentahaluros mixtos, como el trifluorodicloruro de fósforo . Existen compuestos de pentametilpnictógeno (V) para el arsénico , el antimonio y el bismuto . Sin embargo, para el bismuto, el estado de oxidación +5 se vuelve raro debido a la estabilización relativista de los orbitales 6s conocida como efecto del par inerte , de modo que los electrones 6s son reacios a unirse químicamente. Esto hace que el óxido de bismuto (V) sea inestable [8] y el fluoruro de bismuto (V) sea más reactivo que los otros pentafluoruros pnictógenos, lo que lo convierte en un agente fluorante extremadamente poderoso . [9] Este efecto es aún más pronunciado para el moscovio, ya que le impide alcanzar un estado de oxidación +5.
Los pnictógenos ejemplifican la transición de no metal a metal en la tabla periódica: un no metal diatómico gaseoso (N), dos elementos que muestran muchos alótropos de diferentes conductividades y estructuras (P y As), y luego al menos dos elementos que solo forman estructuras metálicas. a granel (Sb y Bi; probablemente también Mc). Todos los elementos del grupo son sólidos a temperatura ambiente , excepto el nitrógeno que es gaseoso a temperatura ambiente. El nitrógeno y el bismuto, a pesar de ser ambos pnictógenos, son muy diferentes en sus propiedades físicas. Por ejemplo, en STP el nitrógeno es un gas no metálico transparente, mientras que el bismuto es un metal de color blanco plateado. [11]
Las densidades de los pnictógenos aumentan hacia los pnictógenos más pesados. La densidad del nitrógeno es 0,001251 g/cm 3 a temperatura ambiente. [11] La densidad del fósforo es 1,82 g/cm 3 a temperatura ambiente, la del arsénico es 5,72 g/cm 3 , la del antimonio es 6,68 g/cm 3 y la del bismuto es 9,79 g/cm 3 . [12]
El punto de fusión del nitrógeno es −210 °C y su punto de ebullición es −196 °C. El fósforo tiene un punto de fusión de 44 °C y un punto de ebullición de 280 °C. El arsénico es uno de los dos únicos elementos que se subliman a presión estándar; lo hace a 603 °C. El punto de fusión del antimonio es de 631 °C y su punto de ebullición es de 1587 °C. El punto de fusión del bismuto es 271 °C y su punto de ebullición es 1564 °C. [12]
La estructura cristalina del nitrógeno es hexagonal . La estructura cristalina del fósforo es cúbica . El arsénico, el antimonio y el bismuto tienen estructuras cristalinas romboédricas . [12]
Todos los pnictógenos hasta el antimonio tienen al menos un isótopo estable ; el bismuto no tiene isótopos estables, pero tiene un radioisótopo primordial con una vida media mucho más larga que la edad del universo ( 209 Bi ); y todos los isótopos conocidos de moscovio son sintéticos y altamente radiactivos. Además de estos isótopos, en la naturaleza se encuentran trazas de 13 N , 32 P y 33 P , junto con varios isótopos de bismuto (distintos del 209 Bi) en las cadenas de desintegración del torio y el uranio.
El compuesto nitrogenado sal amoniacal (cloruro de amonio) se conoce desde la época de los antiguos egipcios. En la década de 1760, dos científicos, Henry Cavendish y Joseph Priestley , aislaron nitrógeno del aire, pero ninguno se dio cuenta de la presencia de un elemento no descubierto. No fue hasta varios años después, en 1772, que Daniel Rutherford se dio cuenta de que el gas era efectivamente nitrógeno. [13]
El alquimista Hennig Brandt descubrió por primera vez el fósforo en Hamburgo en 1669. Brandt produjo el elemento calentando orina evaporada y condensando el vapor de fósforo resultante en agua. Brandt inicialmente pensó que había descubierto la Piedra Filosofal , pero finalmente se dio cuenta de que no era así. [13]
Los compuestos de arsénico se conocen desde hace al menos 5000 años, y el antiguo griego Teofrasto reconoció los minerales de arsénico llamados rejalgar y oropimente . El arsénico elemental fue descubierto en el siglo XIII por Alberto Magno . [13]
El antimonio era bien conocido por los antiguos. En el Louvre existe un jarrón de 5.000 años de antigüedad hecho de antimonio casi puro . Los compuestos de antimonio se utilizaban en tintes en la época babilónica . El mineral de antimonio estibina puede haber sido un componente del fuego griego . [13]
El bismuto fue descubierto por primera vez por un alquimista en 1400. 80 años después de su descubrimiento, tenía aplicaciones en la impresión y en ataúdes decorados . Los incas también usaban bismuto en cuchillos en 1500. Originalmente se pensaba que el bismuto era lo mismo que el plomo, pero en 1753, Claude François Geoffroy demostró que el bismuto era diferente del plomo. [13]
Moscovium se produjo con éxito en 2003 bombardeando átomos de americio-243 con átomos de calcio-48 . [13]
El término "pnictógeno" (o "pnigogen") se deriva de la antigua palabra griega πνίγειν ( pnígein ) que significa "asfixiar", en referencia a la propiedad asfixiante o asfixiante del gas nitrógeno. [14] También se puede utilizar como mnemónico para los dos miembros más comunes, P y N. El término "pnictógeno" fue sugerido por el químico holandés Anton Eduard van Arkel a principios de la década de 1950. También se escribe "pnicogen" o "pnigogen". El término "pnicógeno" es más raro que el término "pnictógeno", y la proporción de trabajos de investigación académica que usan "pnictógeno" con respecto a aquellos que usan "pnicógeno" es de 2,5 a 1. [4] Proviene de la raíz griega πνιγ- (estrangular, estrangular), por lo que la palabra "pnictógeno" también es una referencia a los nombres holandés y alemán del nitrógeno ( stikstof y Stickstoff , respectivamente, "sustancia asfixiante": es decir, sustancia en el aire que no favorece la respiración). De ahí que "pnictógeno" podría traducirse como "fabricante de asfixia". La palabra "pnictida" también proviene de la misma raíz. [14]
El nombre pentels (del griego πέντε , pénte , cinco) también representó en algún momento a este grupo. [15]
El nitrógeno constituye 25 partes por millón de la corteza terrestre , 5 partes por millón del suelo en promedio, de 100 a 500 partes por billón de agua de mar y el 78% del aire seco. La mayor parte del nitrógeno de la Tierra se encuentra en forma de gas nitrógeno, pero existen algunos minerales de nitrato . El nitrógeno constituye el 2,5% del peso de un ser humano típico. [ cita necesaria ]
El fósforo constituye el 0,1% de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el undécimo elemento más abundante . El fósforo se encuentra en 0,65 partes por millón del suelo y entre 15 y 60 partes por mil millones del agua de mar. Hay 200 Mt de fosfatos accesibles en la Tierra. El fósforo constituye el 1,1% del peso de un ser humano típico. [13] El fósforo se encuentra en minerales de la familia de la apatita , que son los componentes principales de las rocas de fosfato.
El arsénico constituye 1,5 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 53º elemento más abundante. Los suelos contienen de 1 a 10 partes por millón de arsénico y el agua de mar contiene 1,6 partes por mil millones de arsénico. El arsénico comprende 100 partes por mil millones en peso de un ser humano típico. Existe algo de arsénico en forma elemental, pero la mayor parte del arsénico se encuentra en los minerales de arsénico oropimento , rejalgar , arsenopirita y enargita . [13]
El antimonio constituye 0,2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 63º elemento más abundante. Los suelos contienen una media de 1 parte por millón de antimonio y el agua de mar contiene una media de 300 partes por billón. Un ser humano típico tiene 28 partes por mil millones de antimonio en peso. Algo de antimonio elemental se encuentra en los depósitos de plata. [13]
El bismuto constituye 48 partes por mil millones de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento número 70 más abundante. Los suelos contienen aproximadamente 0,25 partes por millón de bismuto y el agua de mar contiene 400 partes por billón de bismuto. El bismuto se presenta más comúnmente como mineral bismutinita , pero también se presenta en forma elemental o en minerales de sulfuro. [13]
El moscovio se produce varios átomos a la vez en aceleradores de partículas. [13]
El nitrógeno se puede producir mediante destilación fraccionada del aire. [dieciséis]
El método principal para producir fósforo es reducir los fosfatos con carbono en un horno de arco eléctrico . [17]
La mayor parte del arsénico se prepara calentando el mineral arsenopirita en presencia de aire. Esto forma As 4 O 6 , del cual se puede extraer arsénico mediante reducción de carbono. Sin embargo, también es posible producir arsénico metálico calentando arsenopirita entre 650 y 700 °C sin oxígeno. [18]
En el caso de los minerales de sulfuro, el método mediante el cual se produce el antimonio depende de la cantidad de antimonio en el mineral en bruto. Si el mineral contiene entre un 25% y un 45% de antimonio en peso, entonces el antimonio crudo se produce fundiendo el mineral en un alto horno . Si el mineral contiene entre un 45 % y un 60 % de antimonio en peso, el antimonio se obtiene calentando el mineral, lo que también se conoce como liquidación. Los minerales con más del 60% de antimonio en peso se desplazan químicamente con virutas de hierro del mineral fundido, lo que da como resultado un metal impuro.
Si un mineral de óxido de antimonio contiene menos del 30% de antimonio en peso, el mineral se reduce en un alto horno. Si el mineral contiene cerca del 50% de antimonio en peso, el mineral se reduce en un horno de reverbero .
Los minerales de antimonio con una mezcla de sulfuros y óxidos se funden en un alto horno. [19]
Los minerales de bismuto se encuentran, en particular en forma de sulfuros y óxidos, pero es más económico producir bismuto como subproducto de la fundición de minerales de plomo o, como en China, de minerales de tungsteno y zinc. [20]
El moscovio se produce unos pocos átomos a la vez en aceleradores de partículas disparando un haz de iones calcio-48 al americio-243 hasta que los núcleos se fusionan. [21]
El nitrógeno es un componente de moléculas críticas para la vida en la Tierra, como el ADN y los aminoácidos . Los nitratos se producen en algunas plantas debido a las bacterias presentes en los nudos de la planta. Esto se observa en leguminosas como los guisantes [ es necesario aclarar ] o las espinacas y la lechuga. [ cita necesaria ] Un ser humano típico de 70 kg contiene 1,8 kg de nitrógeno. [13]
El fósforo en forma de fosfatos se encuentra en compuestos importantes para la vida, como el ADN y el ATP . Los seres humanos consumimos aproximadamente 1 g de fósforo al día. [24] El fósforo se encuentra en alimentos como el pescado, el hígado, el pavo, el pollo y los huevos. La deficiencia de fosfato es un problema conocido como hipofosfatemia . Un ser humano típico de 70 kg contiene 480 g de fósforo. [13]
El arsénico promueve el crecimiento en pollos y ratas y puede ser esencial para los humanos en pequeñas cantidades . Se ha demostrado que el arsénico es útil para metabolizar el aminoácido arginina . Hay 7 mg de arsénico en un ser humano típico de 70 kg. [13]
No se sabe que el antimonio tenga un papel biológico. Las plantas sólo absorben pequeñas cantidades de antimonio. Hay aproximadamente 2 mg de antimonio en un ser humano típico de 70 kg. [13]
No se sabe que el bismuto tenga un papel biológico. Los seres humanos ingerimos una media de menos de 20 μg de bismuto al día. Hay menos de 500 μg de bismuto en un ser humano típico de 70 kg. [13]
Moscovium es demasiado inestable para ocurrir en la naturaleza o tener un papel biológico conocido. Moscovium no suele encontrarse en los organismos en cantidades significativas.
El gas nitrógeno no es tóxico en absoluto , pero respirar gas nitrógeno puro es mortal porque provoca asfixia por nitrógeno . [22] La acumulación de burbujas de nitrógeno en la sangre, como las que pueden ocurrir durante el buceo , puede causar una condición conocida como "curvas" ( enfermedad de descompresión ). Muchos compuestos de nitrógeno, como el cianuro de hidrógeno y los explosivos a base de nitrógeno, también son muy peligrosos. [13]
El fósforo blanco , un alótropo del fósforo, es tóxico, siendo 1 mg por kg de peso corporal una dosis letal. [11] El fósforo blanco generalmente mata a los humanos una semana después de su ingestión al atacar el hígado . La inhalación de fósforo en su forma gaseosa puede provocar una enfermedad industrial llamada " mandíbula fossy ", que devora la mandíbula. El fósforo blanco también es muy inflamable. Algunos compuestos organofosforados pueden bloquear fatalmente ciertas enzimas en el cuerpo humano. [13]
El arsénico elemental es tóxico, al igual que muchos de sus compuestos inorgánicos ; sin embargo, algunos de sus compuestos orgánicos pueden promover el crecimiento de los pollos. [11] La dosis letal de arsénico para un adulto típico es de 200 mg y puede causar diarrea, vómitos, cólicos, deshidratación y coma. La muerte por envenenamiento por arsénico suele ocurrir en el plazo de un día. [13]
El antimonio es levemente tóxico. [22] Además, el vino macerado en recipientes de antimonio puede provocar el vómito . [11] Cuando se toma en grandes dosis, el antimonio provoca vómitos en la víctima, que luego parece recuperarse antes de morir varios días después. El antimonio se adhiere a ciertas enzimas y es difícil desalojar. La estibina , o SbH 3 , es mucho más tóxica que el antimonio puro. [13]
El bismuto en sí no es en gran medida tóxico , aunque su consumo excesivo puede dañar el hígado. Sólo se ha informado de la muerte de una persona por intoxicación por bismuto. [13] Sin embargo, el consumo de sales solubles de bismuto puede hacer que las encías de una persona se vuelvan negras. [11]
Moscovium es demasiado inestable para realizar cualquier toxicidad química.