Los pnicógenos [ 1] ( / ˈpnɪktədʒən / o / ˈnɪktədʒən / ; del griego antiguo : πνῑ́γω "estrangular" y -gen, "generador") son los elementos químicos del grupo 15 de la tabla periódica . Este grupo 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, en Estados Unidos se lo denominaba Grupo V A , debido a un texto de HC Deming y la Sargent-Welch Scientific Company , mientras que en Europa se lo denominaba Grupo V B , que la IUPAC había recomendado en 1970. [2] (Se pronuncia "grupo cinco A" y "grupo cinco B"; "V" es el número romano 5). En física de semiconductores , todavía se lo suele llamar 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 los ha llamado penteles .
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 una característica definitoria por la cual 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 símbolo del término 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 principal componente 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 pnictides . Las propiedades magnéticas de los compuestos pnictides 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. Otros pnictides incluyen la variedad ternaria del grupo principal de tierras raras (RE). Estos se encuentran en la forma RE a M b Pn c , donde M es un elemento del grupo de carbono o del grupo de boro y Pn es cualquier pnictógeno excepto nitrógeno. Estos compuestos están entre compuestos iónicos y covalentes y, por lo tanto, tienen propiedades de enlace inusuales. [4]
Estos elementos también se destacan por su estabilidad en compuestos debido a su tendencia a formar dobles enlaces covalentes y triples enlaces . 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 no son fácilmente procesados por el hígado, donde se acumulan. Paradójicamente, este mismo fuerte enlace provoca la menor toxicidad del nitrógeno y el bismuto (cuando están en moléculas), porque estos fuertes enlaces 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 , ya que la regla del octeto permite que un pnicógeno acepte tres electrones en un enlace covalente. Como 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 pnicógeno forma solo tres enlaces simples , los efectos del par solitario generalmente dan como resultado una geometría molecular piramidal trigonal .
Los pnicógenos ligeros (nitrógeno, fósforo y arsénico) tienden a formar cargas −3 cuando se reducen, completando su octeto. Cuando se oxidan o ionizan, los pnicógenos suelen adoptar 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 ambos electrones de la capa s en la capa de valencia). Sin embargo, los pnicógenos más pesados tienen más probabilidades de formar el estado de oxidación +3 que los más ligeros debido a que los electrones de la capa s se vuelven más estabilizados. [5]
Los pnicógenos pueden reaccionar con hidrógeno para formar hidruros de pnicógeno como el amoníaco . Bajando en el grupo, hasta el fosfano (fosfina), el arsano (arsina), el estibano (estibina) y, finalmente , el bismuto (bismutino), cada hidruro de pnicógeno se vuelve progresivamente menos estable (más inestable), más tóxico y tiene un ángulo hidrógeno-hidrógeno menor (de 107,8° en el amoníaco [6] a 90,48° en el bismuto). [7] (Además, técnicamente, solo el amoníaco y el fosfano tienen el pnicógeno en el estado de oxidación −3 porque, para el resto, el pnicógeno es menos electronegativo que el hidrógeno).
Los sólidos cristalinos que contienen nitruros totalmente reducidos incluyen nitruro de itrio , fosfuro de calcio , arseniuro de sodio , antimoniuro de indio e incluso sales dobles como fosfuro de aluminio, galio e indio . Entre ellos se encuentran 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 estables III. El óxido de nitrógeno (III) solo se puede aislar a bajas temperaturas y el ácido nitroso es inestable. El trifluoruro de nitrógeno es el único trihaluro de nitrógeno estable, siendo el tricloruro de nitrógeno , el tribromuro de nitrógeno y el triyoduro de nitrógeno explosivos; el triyoduro de nitrógeno es tan sensible a los golpes que el toque de una pluma lo detona (los tres últimos en realidad presentan nitrógeno en el estado de oxidación -3). El fósforo forma un óxido +III que es estable a temperatura ambiente, ácido fosforoso y varios triyoduro , 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 antimonito , pero no oxiácidos. Sus trihaluros, trifluoruro de antimonio , tricloruro de antimonio , tribromuro de antimonio y triyoduro de antimonio , como todos los trihaluros de pnicógeno, 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 las propiedades relativistas de los 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 predice que el moscovio (III) se comporta de manera similar al bismuto (III). Se predice que el moscovio forma los cuatro trihaluros, de los cuales se predice que todos, excepto el trifluoruro, son solubles en agua. [8] También se predice que forma un oxicloruro y un oxibromuro en el estado de oxidación +III.
Para el nitrógeno, el estado +5 normalmente sirve solo como una explicación formal de moléculas como N 2 O 5 , ya que la alta electronegatividad del nitrógeno hace que los electrones se compartan casi de manera uniforme. [ aclaración necesaria ] Los compuestos pnictógenos con número de coordinación 5 son hipervalentes . El fluoruro de nitrógeno (V) es solo teórico y no ha sido sintetizado. El estado +5 "verdadero" 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 haluros de óxido 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 de par inerte , de modo que los electrones 6s son reacios a unirse químicamente. Esto hace que el óxido de bismuto(V) sea inestable [9] y el fluoruro de bismuto(V) sea más reactivo que los otros pentafluoruros de pnictógeno, lo que lo convierte en un agente fluorante extremadamente poderoso . [10] Este efecto es aún más pronunciado para el moscovio, lo que le impide alcanzar un estado de oxidación +5.
Los pnicógenos ejemplifican la transición de no metal a metal a lo largo de la tabla periódica: un no metal diatómico gaseoso (N), dos elementos que muestran muchos alótropos de conductividades y estructuras variables (P y As), y luego al menos dos elementos que solo forman estructuras metálicas en masa (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 pnicógenos, son muy diferentes en sus propiedades físicas. Por ejemplo, en condiciones normales, el nitrógeno es un gas no metálico transparente, mientras que el bismuto es un metal blanco plateado. [12]
Las densidades de los pnicógenos aumentan hacia los más pesados. La densidad del nitrógeno es 0,001251 g/cm 3 en condiciones normales. [12] La densidad del fósforo es 1,82 g/cm 3 en condiciones normales, 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 . [13]
El punto de fusión del nitrógeno es de -210 °C y su punto de ebullición es de -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 sublima 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 de 271 °C y su punto de ebullición es de 1564 °C. [13]
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 . [13]
Todos los pnicógenos 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 del moscovio son sintéticos y altamente radiactivos. Además de estos isótopos, existen trazas de 13 N , 32 P y 33 P en la naturaleza, junto con varios isótopos de bismuto (distintos del 209 Bi) en las cadenas de desintegración del torio y el uranio.
El compuesto nitrogenado llamado sal amónica (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 el nitrógeno del aire, pero ninguno de ellos se dio cuenta de la presencia de un elemento desconocido. No fue hasta varios años después, en 1772, cuando Daniel Rutherford se dio cuenta de que el gas era, en efecto, nitrógeno. [14]
El alquimista Hennig Brandt descubrió el fósforo por primera vez 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. [14]
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 . [14]
El antimonio era bien conocido por los antiguos. En el Louvre existe un jarrón de 5000 años de antigüedad hecho de antimonio casi puro . Los compuestos de antimonio se usaban en tintes en la época babilónica . El mineral de antimonio estibina puede haber sido un componente del fuego griego . [14]
El bismuto fue descubierto por primera vez por un alquimista en 1400. Ochenta años después de su descubrimiento, ya se utilizaba en la impresión y la decoración de ataúdes . En 1500, los incas también utilizaban bismuto en cuchillos. En un principio 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. [14]
El moscovio se produjo con éxito en 2003 bombardeando átomos de americio-243 con átomos de calcio-48 . [14]
El término "pnictógeno" (o "pnigógeno") se deriva de la antigua palabra griega πνίγειν ( pnígein ) que significa "estrangular", refiriéndose a la propiedad asfixiante o sofocante del gas nitrógeno. [15] También se puede utilizar como una regla mnemotécnica 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 artículos de investigación académica que utilizan "pnictógeno" con respecto a los que utilizan "pnicogen" es de 2,5 a 1. [4] Proviene de la raíz griega πνιγ- (estrangular, ahogar), y por lo tanto la palabra "pnictógeno" también es una referencia a los nombres holandés y alemán para el nitrógeno ( stikstof y Stickstoff , respectivamente, "sustancia sofocante": es decir, sustancia en el aire, que no ayuda a respirar). Por lo tanto, "pnictógeno" podría traducirse como "fabricante de asfixia". La palabra "pnictida" también proviene de la misma raíz. [15]
Anteriormente, el nombre pentels (del griego πέντε , pénte , cinco) también se utilizaba para este grupo. [16]
El nitrógeno constituye 25 partes por millón de la corteza terrestre , 5 partes por millón del suelo en promedio, entre 100 y 500 partes por billón del 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 requerida ]
El fósforo representa el 0,1% de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el undécimo elemento más abundante . El fósforo comprende 0,65 partes por millón del suelo y de 15 a 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 humano típico. [14] El fósforo se encuentra en minerales de la familia de la apatita , que son los principales componentes de las rocas fosfóricas.
El arsénico constituye 1,5 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 53.º 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 representa 100 partes por mil millones de peso de un ser humano típico. Existe algo de arsénico en forma elemental, pero la mayor parte se encuentra en los minerales de arsénico oropimente , rejalgar , arsenopirita y enargita . [14]
El antimonio constituye 0,2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 63.º elemento más abundante. Los suelos contienen una parte por millón de antimonio en promedio, y el agua de mar contiene 300 partes por billón en promedio. Un ser humano típico tiene 28 partes por billón de antimonio en peso. Algo de antimonio elemental se encuentra en los depósitos de plata. [14]
El bismuto constituye 48 partes por mil millones de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 70.º elemento 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 el mineral bismutinita , pero también se encuentra en forma elemental o en minerales de sulfuro. [14]
El moscovio es un elemento sintético que no se produce de forma natural.
El nitrógeno se puede producir mediante destilación fraccionada del aire. [17]
El método principal para producir fósforo es reducir los fosfatos con carbono en un horno de arco eléctrico . [18]
La mayor parte del arsénico se prepara calentando el mineral arsenopirita en presencia de aire. Esto forma As 4 O 6 , del que se puede extraer el arsénico mediante reducción con carbono. Sin embargo, también es posible producir arsénico metálico calentando la arsenopirita a una temperatura de entre 650 y 700 °C sin oxígeno. [19]
En el caso de los minerales de sulfuro, el método de producción de antimonio depende de la cantidad de antimonio presente en el mineral en bruto. Si el mineral contiene entre un 25% y un 45% de antimonio en peso, el antimonio en bruto se produce fundiéndolo 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 de un 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 sulfuros y óxidos mezclados se funden en un alto horno. [20]
Los minerales de bismuto existen, 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. [21]
El moscovio se produce de a unos pocos átomos a la vez en aceleradores de partículas disparando un haz de iones de calcio-48 al americio-243 hasta que los núcleos se fusionan. [22]
El nitrógeno es un componente de moléculas fundamentales para la vida en la Tierra, como el ADN y los aminoácidos . Los nitratos se encuentran en algunas plantas debido a las bacterias presentes en los nudos de la planta. Esto se observa en plantas leguminosas como los guisantes [ aclaración necesaria ] o las espinacas y la lechuga. [ cita requerida ] Un ser humano típico de 70 kg contiene 1,8 kg de nitrógeno. [14]
El fósforo en forma de fosfatos se encuentra en compuestos importantes para la vida, como el ADN y el ATP . Los seres humanos consumen aproximadamente 1 g de fósforo al día. [25] 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. [14]
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 humano típico de 70 kg. [14]
No se sabe si el antimonio cumple una función biológica. Las plantas absorben solo cantidades mínimas de antimonio. En un ser humano típico de 70 kg hay aproximadamente 2 mg de antimonio. [14]
No se sabe si el bismuto cumple una función biológica. Los seres humanos ingieren en promedio menos de 20 μg de bismuto por día. En un ser humano típico de 70 kg hay menos de 500 μg de bismuto. [14]
El moscovio es demasiado inestable para existir en la naturaleza o tener un papel biológico conocido. El moscovio no suele estar presente en los organismos en cantidades significativas.
El gas nitrógeno es completamente no tóxico , pero respirar gas nitrógeno puro es mortal, porque causa asfixia por nitrógeno . [23] La acumulación de burbujas de nitrógeno en la sangre, como las que pueden producirse durante el buceo , puede provocar una afección conocida como " enfermedad por descompresión " . Muchos compuestos de nitrógeno, como el cianuro de hidrógeno y los explosivos a base de nitrógeno, también son muy peligrosos. [14]
El fósforo blanco , un alótropo del fósforo, es tóxico, y una dosis letal de 1 mg por kg de peso corporal [12] . El fósforo blanco suele matar a los seres humanos en el plazo de una semana tras su ingestión, atacando el hígado . La inhalación de fósforo en su forma gaseosa puede provocar una enfermedad industrial llamada " mandíbula fosilizada ", que corroe la mandíbula. El fósforo blanco también es muy inflamable. Algunos compuestos organofosforados pueden bloquear de forma fatal ciertas enzimas del cuerpo humano [14] .
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. [12] 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 generalmente ocurre en el plazo de un día. [14]
El antimonio es ligeramente tóxico. [23] Además, el vino empapado en recipientes de antimonio puede inducir el vómito . [12] 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 de desprender. La estibina , o SbH 3 , es mucho más tóxica que el antimonio puro. [14]
El bismuto en sí no es tóxico , aunque consumirlo en exceso puede dañar el hígado. Solo se ha informado de una persona que haya muerto por envenenamiento con bismuto. [14] Sin embargo, el consumo de sales solubles de bismuto puede hacer que las encías de una persona se vuelvan negras. [12]
El moscovio es demasiado inestable para provocar cualquier reacción química tóxica.