Grupo 15

Elementos do Grupo 15
ELEMENTOS DO GRUPO 15
OCORRÊNCIA
nitrogênio constitui 78% da atmosfera terrestre, sendo o 33o
elemento em abundância relativa;
todos os nitratos são solúveis em água  não são comuns na
crosta terrestre; exceção: depósitos de salitre do Chile, NaNO3;
o nitrogênio é um constituinte essencial (17% em peso) de proteínas
e aminoácidos;
Fósforo
ocorre
[3(Ca3(PO4)2)·Ca(OH)2]
(fluorapatita)
como
rochas
fosfáticas:
Ca3(PO4)2,
(hidroxiapatita),
([3(Ca3(PO4)2)·CaF2]
As, Sb e Bi não são muito abundantes. Sua principal fonte são os
sulfetos, que ocorrem em pequenas quantidades combinados com
outros minérios;
os minérios comuns de arsênio são: as arsenopiritas (FeAsS) de cor
branca acinzentada, o realgar (As4S4) de cor vermelho alaranjada e o
orpimento (As2S3) de cor amarela;
OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DOS ELEMENTOS
Nitrogênio
o nitrogênio é obtido em escala industrial liquefazendo-se o ar e então
realizando a destilação fracionada; (outros gases industriais são
obtidos desta maneira como O2, Ne, Ar, Kr e Xe);
o nitrogênio pode ser obtido em menor escala
D
NH4NO2  N2 + 2H2O
2NaN3
D

3N2 + 2Na (usada para inflar air-bags)
o gás nitrogênio é usado em grandes quantidades como atmosfera
inerte;
 o nitrogênio líquido é usado como agente refrigerante;
nitratos (NH4NO3, NaNO3) e NH3 tem sido usados como
fertilizantes e constituintes de explosivos;
OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DOS ELEMENTOS
Fósforo
fósforo é obtido pela redução de Ca3(PO4)2 com coque, num
forno elétrico a 1400-1500 oC, na presença de SiO2:
2Ca3(PO4)2(s) + 10C(s) + 6SiO2(s)  6CaSiO3(s) + P4(s) + 10CO(g)
o fósforo na forma de de adenosina-trifosfato ATP e
adenosina difosfato, ADP, é de importância vital no processo de
produção de energia nas células;
85% do P4 é empregado na síntese de ácido fosfórico, H3PO4; 10% na
fabricação de P4S10 usado na fabricação de organofosforados e P4S3
usado na fabricação de fósforos de segurança:
P4 (s) + 5O2(g)  P4O10(s) + 6H2O(l)  4H3PO4(l)
P4(s) + 10S(s)  P4S10(s)
P4(s) + 3S(s)  P4S3(s)
OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DOS ELEMENTOS
Arsênio, Antimônio e Bismuto
M2O3 (M = As, Sb ou Bi) é obtido a partir das poeiras de exaustão
liberadas na ustulação de PbS, FeS, CoS, NiS, CuS e ZnS; M2O3
pode ser reduzido com coque para a produção de As, Sb e Bi.
As na forma elementar é obtido industrialmente aquecendo-se
arsenetos como NiAs, NiAs2, FeAs2 ou arsenopiritas, FeAsS, à 700
oC
na ausência de ar. Nestas condições o As sublima:
4FeAsS(s) + calor  As4(g) + 4FeS(s)
OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DOS ELEMENTOS
Arsênio, Antimônio e Bismuto
Há poucos usos para o As metálico:
usado em ligas de chumbo para torná-las mais duras;
na dopagem de semicondutores e na fabricação de LED;
Sb é empregado em ligas de Sn e Pb;
 usado como camada protetora contra corrosão sobre aços
compostos de Sb são usados como retardantes de chama em
espumas para colchões e outros móveis
 Bi é usado em ligas de baixo ponto de fusão;
fabricação
de
dispositivos
“sprinklers”
 em baterias, mancais e soldas.
de
segurança
contra
incêndios,
Nitrogênio e Fósforo
Nitrogênio é um gás inerte, com uma ligação tripla NN com
comprimento 1,09 Å e energia de dissociação de 945 kJ.mol-1;
o fósforo branco é mole, bastante reativo e encontrado na forma de
moléculas tetraédricas P4;
250 oC
 fósforo branco  fósforo vermelho;
fósforo vermelho é um sólido polimérico muito menos reativo que o
fósforo branco;
D (alta pressão)
fósforo branco  fósforo preto
 o fósforo preto é uma forma altamente polimerizada e mais
estável termodinamicamente;
CARÁTER METÁLICO
os elementos do grupo 15 seguem a tendência geral  o caráter
metálico aumenta de cima para baixo;
 N e P são não-metais, As e Sb são metalóides e Bi é um metal 
propriedades que se refletem nos óxidos;
o nitrogênio também difere dos demais elementos do grupo
porque forma ligações múltiplas pp-pp fortes, formando diversos
compostos sem análogos como por ex. NO3-, NO2-, N3-, N2, N2O, NO,
NO2, N2O4, N2O5, N2O3;
Nitrogênio e Fósforo - COMPOSTOS IMPORTANTES
Amônia
Amônia é um gás tóxico e bastante solúvel em água;
 Usada como fertilizante; na produção de HNO3, N2H4 e uréia;
 Amônia é uma base fraca:
NH3(g) + H2O(l)  NH4+ (aq) + OH-(aq) K = 1,8x10-5
Preparação no laboratório e na indústria:
D
NH4Cl(aq) + NaOH(s)  NaCl(aq) + NH3(g) + H2O(l) (laboratório)
Fe/200 atm, 450 oC
3H2(g) + N2(g)  2NH3(g) + calor
(indústria - Processo Haber-Bosch)
Nitrogênio e Fósforo - COMPOSTOS IMPORTANTES
Amônia
Nitrogênio e Fósforo - COMPOSTOS IMPORTANTES
Amônia
Amônia é um gás tóxico e bastante solúvel em água;
 Usada como fertilizante; na produção de HNO3, N2H4 e uréia;
 Amônia é uma base fraca:
NH3(g) + H2O(l)  NH4+ (aq) + OH-(aq) K = 1,8x10-5
Preparação no laboratório e na indústria:
D
NH4Cl(aq) + NaOH(s)  NaCl(aq) + NH3(g) + H2O(l) (laboratório)
Fe/200 atm, 450 oC
3H2(g) + N2(g)  2NH3(g) + calor
(indústria - Processo Haber-Bosch)
Amônia Líquida
-33 oC
NH3(g) 
NH3(l)
é o solvente não-aquoso mais estudado dissovendo uma grande
quantidade de sais;
sofre reação de auto-dissociação:
2H2O ⇋ H3O+ + OH2NH3(l) ⇋ NH4+(am) + NH2-(am)
NH4Cl + NaNH2  NaCl + 2NH3 (em amônia líquida);
NH3(l) é um solvente muito apropriado para metais alcalinos e alc.
terrosos:
Na(s) + NH3(l)
 [Na(NH3)n]+ + [e(NH3)n]-
Nitrogênio e Fósforo
PROPRIEDADES DOS HIDRETOS
P.F.
oC
P.E.
oC
Energia de
ligação de
kJ.mol-1
Ângulo
de
ligação
Comprimento
de ligação (Å)
NH3
-77,8
-34,5
389
107º48’
1,017
PH3
-133,5
-87,5
318
93º36’
1,419
AsH3
-116,3
-62,4
247
91º48’
1,519
SbH3
-88,0
-18,4
255
91º18’
1,707
Hidrazina e Hidroxilamina
hidrazina (N2H4) é um líquido com odor semelhante ao da NH3;
150 oC
Obtenção: 3NH3 + NaOCl  NH2NH2 + NaOH + NH4Cl
N2H4(l) + O2(g)  N2(g) + 2H2O DH = -621 kJ mol-1  usado como
combustível de foguetes;
N2H4 é um redutor forte:
N2H4 + 2I2  4HI + N2(g)
N2H4 + 2CuSO4  Cu + N2(g) + 2H2SO4
Hidroxilamina, NH2OH
 Obtenção:
NH4NO2 + NH4HSO3 + SO2 + 2H2O  [NH3OH][HSO4] + (NH4)2SO4
CH3NO2 + H2SO4  [NH3OH][HSO4] + CO
 é uma base mais fraca que a amônia ou hidrazina:
NH2OH + HCl  [NH3OH]+ + Cl é instável termicamente;
Uréia
Uréia
 2NH3 + CO2  NH2COONH4  NH2C(O)NH2 + H2O
 a uréia sofre hidrólise no solo:
NH2C(O)NH2 + 2H2O  (NH4)2CO3
Óxidos de Nitrogênio
todos os óxidos e oxo-ácidos de nitrogênio apresentam
ligações múltiplas pp-pp;
nitrogênio forma uma variedade grande de óxidos onde o NOX
do N varia de +1 a +6;
Óxido nitroso, N2O
N2O é um gás estável e pouco reativo, inodoro, não tóxico e
insípido; conhecido como gás hilariante, porque a inalação de
pequenas quantidades provoca euforia – usado como
anestésico por dentistas.
Método de Obtenção:
280 OC
NH4NO3  N2O + 2H2O
é um óxido neutro; a molécula é linear N=N-O;
pode ser usado para obter NaN3 (azida de sódio):
N2O + 2NaNH2  NaN3 + NH3 + NaOH
Óxido Nítrico, NO
Obtenção:
3Cu + 8HNO3  2NO + 3Cu(NO3)2 + 4H2O
2HNO2 + 2I- + 2H+  2NO + I2 + 2H2O
NO é um óxido neutro;
NO possui 11 elétrons de valência  muito reativo;
2NO + O2  2NO2
2NO + Cl2  NOCl
NO forma compostos de coordenação com íons de metais de
transição, exemplo: [Fe(H2O)5NO]2+ ;
NO está relacionado ao mecanismo de vaso dilatação de veias e
vasos sanguineos;
Dióxido de nitrogênio, NO2 e tetróxido de dinitrogênio, N2O4
 NO2 é um gás castanho;
 2Pb(NO3)2  2PbO + 4NO2 + O2 (laboratório)
NO + ½ O2  NO2 (na indústria)
 sofre dimerização a baixas temperaturas:
2NO2
⇋
paramagnético
castanho
N2O4
diagmagnético
incolor
 N2O4 é um anidrido misto; reage com água formando uma mistura
de ácidos:
N2O4 + H2O  HNO3 + HNO2
 N2O4 líquido pode ser usado como solvente não-aquoso; sofre autodissociação:
N2O4 ⇋ NO+ + NO3nitrosônio
(ácido)
nitrato
(base)
Sesquióxido de nitrogênio N2O3
N2O3 é um composto azul estável apenas a baixas temperaturas;
 NO + NO2  N2O3
é um óxido ácido:
N2O3 + H2O  2HNO2
N2O3 + 2NaOH  2NaNO2 + H2O
Pentóxido de dinitrogênio, N2O5
N2O5 é um sólido incolor deliqüescente, altamente reativo e sensível à
luz; é um forte agente oxidante;
N2O5 sólido é iônico, sendo constituído por unidades NO2+ e NO3- ; porém
comporta-se como uma molécula covalente quando em solução e no
estado gasoso;
Obtenção: pela desidratação cuidadosa de HNO3 com P2O5 a baixas
temperaturas:
P2O5
2HNO3  N2O5 + H2O
 N2O5 é o anidrido do ácido nítrico, HNO3;
NO2+ (íon nitrônio)
NO2+ é a espécia ativa na mistura HNO3/H2SO4 e é
responsável
aromáticos
pela

nitração
etapa
de
compostos
importante
na
orgânicos
fabricação
explosivos como nitroglicerina e trinitrotolueno (TNT);
de
OXIÁCIDOS DO NITROGÊNIO
Ácido nitroso, HNO2
 HNO2, só é estável em soluções diluídas;
 Obtenção:
N2O3 + H2O  2HNO2
Ba(NO2)2 (aq) + H2SO4(aq)  2HNO2(aq) + BaSO4(s)
 os nitritos
D
2NaNO3  2NaNO2 + O2 ou
D
NaNO3 + Pb  NaNO2 + PbO
HNO2 e os NO2- são oxidantes fracos;
USOS
grande parte do HNO2 é usada para preparar diazocompostos, que por sua
vez são convertidos em corantes e produtos farmacêuticos;
NaNO2 é usado como aditivo de alimentos (carnes, salsichas, bacon),
inibindo o crescimento de bactérias como a Clostridium botulinum que
causa botulismo;
a decomposição redutiva do NO2- produz NO que forma um complexo
vermelho com a hemoglobina do sangue;
OXIÁCIDOS DO NITROGÊNIO
Ácido Nítrico, HNO3
Ácido nítrico, HNO3 é oxoácido mais importante do nitrogênio;
É um ácido forte: HNO3(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + NO3-(aq)
Obtenção através do Processo Ostwald: oxidação catalítica da
amônia a NO, seguida da oxidação do NO a NO2:
Pt/Rh/5 atm, 850 oC
4NH3(g) + 5O2(g)

4NO(g) + 6H2O(g)
NO(g) + ½O2(g)  NO2(g)
3NO2(g) + H2O(g)  2HNO3(aq) + NO(g)
NH3(g) + 2O2(g)  HNO3(aq) + H2O(g) (reação global)
ÓXIDOS DE FÓSFORO, ARSÊNIO E BISMUTO
os óxidos dos demais elementos do Grupo 15 ocorrem em menor
número devido à incapacidade de formar ligações duplas pp-pp fortes;
todos os óxidos de fósforo (ao contrário dos óxidos de nitrogênio)
podem ser obtidos pela combustão do fósforo no ar:
P4(s) + 3O2(g)  P4O6(s)
P4(s) + 5O2(g)  P4O10(s)
OXIÁCIDOS DO FÓSFORO
Ácido fosfórico
3Ca3(PO4)2·CaF2(g) + 10H2SO4(aq)  6H3PO4(aq) + 10CaSO4(s) + 2HF(g)
P4 é queimado com ar na presença de vapor d’água:
P4(s) + 5O2(g)  P4O10(s)
P4O10(s) + 6H2O(l)  4H3PO4(aq) (85%)
H3PO4 também pode ser preparado pela reação entre HNO3 e P:
P4 + 20HNO3  4H3PO4 + 20NO2 + 4H2O
H3PO4 é um ácido triprótico:
H3PO4  H+ + H2PO4H2PO4-  H+ + HPO42HPO42-  H+ + PO43-
Ka1 = 7,5x10-3
Ka2 = 6,2x10-8
Ka3 = 1,0x10-12
 forma três séries de sais: monohidrogenofosfatos (Na2HPO4),
dihidrogenofosfatos (NaH2PO4) e os fosfatos normais (Na3PO4);
ÁCIDOS POLIFOSFÓRICOS E POLIFOSFATOS
H3PO4 perde água gradativamente quando aquecido:
220 oC
H3PO4
ácido
ortofosfórico
 H4P2O7
320 oC
ácido
pirofosfórico
são formados por cadeias
compartilhando os átomos de O;
de
 (HPO3)n
ácido
metafosfórico
tetraedros,
cada
um
deles
a análise das estruturas permite acesso ao número de hidrogênios
ionizáveis;
Polifosfatos
 Na2H2P2O7 (hidrogenopirofosfato de sódio) é usado na fabricação
industrial de pães:
Na2H2P2O7 + 2NaHCO3  Na4P2O7 + 2CO2 + 2H2O
Ca2P2O7 (pirofosfato de cálcio) é usado como
abrasivo em cremes dentais;
Na5P3O10 (tripolifosfato) é adicionado a detergentes em pó e líquidos
para uso doméstico para remoção da “dureza” da água; há a
complexação dos íons de Mg2+ e Ca2+ formando espécies solúveis e
estáveis; Na5P3O10 também deixa a solução alcalina facilitando a
limpeza de gordura;
Obtenção do Na5P3O10:
450 oC
2Na2HPO4 + NaH2PO4  Na5P3O10 + 2H2O
1000 oC
10 Na2O + 3P4O10  4 Na5P3O10
Ácidos Fosforosos
os ácidos fosforosos são menos conhecidos;
contém P com NOX +III;
Ácido ortofosforoso, H3PO3
H3PO3 contém dois H ácidos:
H3PO3 ⇋ H+ + H2PO3- Ka1 = 1,6x10-2
H2PO3- ⇋ H+ + HPO32- Ka2 = 7,0x10-7
o terceiro H é redutor (P-H);
Ácido hipofosforoso H3PO2
 H3PO2 contém P com NOX +I;
obtido pela hidrólise alcalina do fósforo:
P4 + 3OH- + 3H2O  PH3 + 3H2PO2-
 H3PO2 é um ácido monoprótico e um redutor muito forte;