Estructura electrónica y estados de valencia
En el nivel energético externo de los elementos del grupo VA hay cinco electrones. En el subnivel $s$ se encuentran dos electrones apareados, y en el subnivel $p$, tres desapareados. Los niveles externos están lejos de estar completos.
El estado de valencia típico para todos los elementos es trivalente (III). Ejemplos de ello son el amoníaco ($NH_3$) y el aminoetano ($C_2H_5NH_2$).
El estado pentavalente (V) es característico de todos los elementos, excepto del nitrógeno. Esto se debe a la presencia de un subnivel $d$ incompleto en el fósforo, arsénico, antimonio y bismuto. Al excitarse el átomo, los electrones del subnivel $s$ se desaparean y pasan al subnivel $d$.
- Estado fundamental: $ns^2 np^3$ (por ejemplo, $PCl_3$)
- Estado excitado: $ns^1 np^3 nd^1$ (por ejemplo, $PCl_5$)
Es importante recordar que el nitrógeno, incluso en estado de oxidación +5, forma un máximo de cuatro enlaces covalentes.
Electronegatividad
En general, los elementos del grupo VA tienen menor electronegatividad que los halógenos (grupo VII) y los calcógenos (grupo VI).
- Nitrógeno (N): Posee una alta electronegatividad (3,0), ocupando el tercer lugar después del flúor y el oxígeno.
- Fósforo (P): Su electronegatividad (2,3) es considerablemente menor que la del nitrógeno y apenas supera el valor del hidrógeno.
Dato interesante: los valores tabulados de electronegatividad del nitrógeno y del cloro son cercanos. Sin embargo, el comportamiento químico demuestra que el nitrógeno es más electronegativo. Por ejemplo, durante la hidrólisis del $NCl_3$, el átomo de nitrógeno se une al ión hidrógeno positivo, y el cloro al grupo hidroxilo negativo, formando amoníaco ($NH_3$) y ácido hipocloroso ($HClO$).
Variación de las propiedades metálicas
Al descender en el grupo de arriba hacia abajo, se observa un incremento sistemático de las propiedades metálicas:
- Nitrógeno (N) y Fósforo (P): No metales típicos.
- Arsénico (As): Forma modificaciones alotrópicas. El arsénico amarillo es un no metal inestable, mientras que el arsénico gris muestra propiedades metálicas pero es frágil.
- Antimonio (Sb) y Bismuto (Bi): Predominantemente metales.
Las propiedades ácido-base de los compuestos también varían: los compuestos de $Sb(III)$ son anfóteros, mientras que los compuestos de $Bi(III)$ poseen únicamente propiedades básicas.
Importancia biológica y práctica
Los elementos del grupo se pueden dividir en dos categorías según su importancia:
- Elementos biogénicos (N, P): El nitrógeno y el fósforo son vitales, se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen la mayor importancia.
- Subgrupo del arsénico (As, Sb, Bi): Son significativamente menos abundantes y no son esenciales para la vida. El arsénico y el antimonio se utilizan como aditivos en aleaciones y semiconductores. El bismuto se utiliza en aleaciones de bajo punto de fusión junto con plomo, estaño y cadmio.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el nitrógeno no puede ser pentavalente?
El átomo de nitrógeno carece de un subnivel d libre en su nivel energético externo, por lo que el desemparejamiento de los electrones s y la formación de cinco enlaces covalentes no son posibles. La covalencia máxima del nitrógeno es cuatro.
¿Cómo demostrar que la electronegatividad del nitrógeno es mayor que la del cloro?
Esto se demuestra mediante la reacción de hidrólisis del cloruro de nitrógeno(III) ($NCl_3$). Como resultado se forman amoníaco ($NH_3$) y ácido hipocloroso ($HClO$), lo que indica una carga negativa en el átomo de nitrógeno en el compuesto de partida.
¿Qué es el «efecto del par inerte» tomando como ejemplo el bismuto?
Para el bismuto, el estado de oxidación más alto (V) es sumamente inestable, a diferencia de los elementos más ligeros del grupo. Los compuestos de $Bi(V)$ actúan como oxidantes muy fuertes (por ejemplo, $Bi_2O_5$).
Qué más repasar sobre el tema
- Estructura y propiedades de las modificaciones alotrópicas del fósforo
- Propiedades del amoníaco y de las sales de amonio
- Características del ácido nítrico y de sus sales
- Aplicación de materiales semiconductores a base de arsénico y antimonio
- Reacciones de hidrólisis de los halogenuros de los elementos del grupo V
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