Structure électronique et états de valence
Le niveau énergétique externe des éléments du groupe VA comporte cinq électrons. La sous-couche $s$ contient deux électrons appariés, et la sous-couche $p$ en contient trois célibataires. Les couches externes sont loin d'être complètement remplies.
L'état de valence typique de tous les éléments est trivalent (III). L'ammoniac ($NH_3$) et l'aminoéthane ($C_2H_5NH_2$) en sont des exemples.
L'état pentavalent (V) est caractéristique de tous les éléments, à l'exception de l'azote. Cela est dû à la présence d'un sous-niveau $d$ vacant chez le phosphore, l'arsenic, l'antimoine et le bismuth. Lors de l'excitation de l'atome, les électrons du sous-niveau $s$ se séparent et passent au sous-niveau $d$.
- État fondamental : $ns^2 np^3$ (par exemple, $PCl_3$)
- État excité : $ns^1 np^3 nd^1$ (par exemple, $PCl_5$)
Il est important de se rappeler que même au degré d'oxydation +5, l'azote forme au maximum quatre liaisons covalentes.
Électronégativité
De manière générale, les éléments du groupe VA ont une électronégativité inférieure à celle des halogènes (groupe VII) et des chalcogènes (groupe VI).
- Azote (N) : Possède une forte électronégativité (3,0), occupant la troisième place après le fluor et l'oxygène.
- Phosphore (P) : Son électronégativité (2,3) est nettement inférieure à celle de l'azote et ne dépasse que légèrement celle de l'hydrogène.
Fait intéressant : les valeurs tabulées de l'électronégativité de l'azote et du chlore sont proches. Cependant, le comportement chimique prouve que l'azote est plus électronégatif. Par exemple, lors de l'hydrolyse de $NCl_3$, l'atome d'azote se lie à l'ion hydrogène positif et le chlore au groupe hydroxyle négatif, formant de l'ammoniac ($NH_3$) et de l'acide hypochloreux ($HClO$).
Variation des propriétés métalliques
En descendant le groupe de haut en bas, on observe une augmentation régulière des propriétés métalliques :
- Azote (N) et Phosphore (P) : Non-métaux typiques.
- Arsenic (As) : Forme des modifications allotropiques. L'arsenic jaune est un non-métal instable, tandis que l'arsenic gris présente des propriétés métalliques mais demeure fragile.
- Antimoine (Sb) et Bismuth (Bi) : Principalement des métaux.
Les propriétés acido-basiques des composés varient également : les composés de l'$-Sb(III)$ sont amphotères, tandis que ceux du $-Bi(III)$ ne possèdent que des propriétés basiques.
Importance biologique et pratique
Les éléments du groupe peuvent être divisés en deux catégories selon leur importance :
- Éléments biogènes (N, P) : L'azote et le phosphore sont indispensables à la vie, largement répandus dans la nature et d'une importance majeure.
- Sous-groupe de l'arsenic (As, Sb, Bi) : Nettement moins abondants et non essentiels à la vie. L'arsenic et l'antimoine sont utilisés comme additifs dans les alliages et les semi-conducteurs. Le bismuth entre dans la composition d'alliages à très bas point de fusion avec le plomb, l'étain et le cadmium.
Questions des cours et des examens
Pourquoi l'azote ne peut-il pas être pentavalent ?
L'atome d'azote ne possède pas de sous-niveau d d'énergie libre sur sa couche externe, de sorte que le déappariement des électrons s et la formation de cinq liaisons covalentes sont impossibles. La covalence maximale de l'azote est de quatre.
Comment prouver que l'électronégativité de l'azote est supérieure à celle du chlore ?
Cela est démontré par la réaction d'hydrolyse du chlorure d'azote(III) ($NCl_3$). Il en résulte la formation d'ammoniac ($NH_3$) et d'acide hypochloreux ($HClO$), ce qui indique une charge négative sur l'atome d'azote dans le composé initial.
Qu'est-ce que l'« effet de la paire inerte » illustré par le bismuth ?
Pour le bismuth, le degré d'oxydation maximal (V) est extrêmement instable, contrairement aux éléments plus légers du groupe. Les composés $Bi(V)$ agissent comme des oxydants très puissants (par exemple, $Bi_2O_5$).
À étudier également sur le sujet
- Structure et propriétés des modifications allotropiques du phosphore
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- Réactions d'hydrolyse des halogénures des éléments du groupe V
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