Loading article…
プニクトゲン[ 1 ]（/ ˈ ( p ) nɪktədʒən / 、古代ギリシャ語のπνίγω （ pnígō ）「窒息させる」と-gen「生成者」に由来）は、周期表の15族に属する化学元素のいずれかです。15族は窒素族または窒素ファミリーとも呼ばれます。15族は、窒素（N）、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）、モスコビウム（Mc）の元素で構成されています。
IUPACは1988 年以来これをグループ 15と呼んでいます。それ以前は、アメリカではHC デミングとサージェント・ウェルチ科学会社のテキストによりグループ V Aと呼ばれていましたが、ヨーロッパではIUPAC が 1970 年に推奨したグループ V Bと呼ばれていました。 [ 2 ]（「グループ ファイブ A」と「グループ ファイブ B」と発音されます。「V」はローマ数字の5 です。）半導体物理学では、今でも通常グループ Vと呼ばれています。[ 3 ]歴史的な名称の「5」（「V」）は、窒素の「五価」に由来し、 N 2 O 5などの化合物の化学量論に反映されています。これらはペンテルとも呼ばれています。
他のグループと同様に、このファミリーのメンバーは電子配置、特に価電子殻において類似したパターンを示し、その結果、化学的挙動に傾向が現れる。
このグループの決定的な特徴は、各構成元素が価電子殻に 5 個の電子を持つことです。つまり、s 副殻に 2 個の電子、p 副殻に 3 個の不対電子があります。したがって、非イオン化 状態では価電子殻を満たすのに 3 個の電子が不足しています。このグループのすべての元素の基底状態のラッセル・ソーンダーズ項記号は4 S 3 ⁄ 2です。
このグループの中で地球上の生命にとって最も重要な元素は、二原子分子の形で空気の主成分である窒素（N）と、窒素と同様に既知のすべての生命体にとって不可欠なリン（P）である。
このグループの二元化合物はまとめてpnictidesと呼ぶことができる。pnictide化合物の磁気特性は、反磁性系（BNやGaNなど）と磁気秩序系（MnSbは高温では常磁性、室温では強磁性）に及ぶ。前者の化合物は通常透明で、後者は金属的である。その他のpnictideには、三元希土類（RE）主族元素のpnictideが含まれる。これらはRE a M b Pn cの形をしており、Mは炭素族またはホウ素族元素、Pnは窒素以外の任意のpnictogenである。これらの化合物はイオン結合化合物と共有結合化合物の中間に位置し、そのため特異な結合特性を持つ。[ 4 ]
これらの元素は、共有結合の二重結合や三重結合を形成しやすい性質から、化合物中で安定していることでも知られています。この性質が、リン、ヒ素、アンチモンに最も顕著に見られるように、これらの元素の潜在的な毒性につながっています。これらの物質が体内の様々な化学物質と反応すると、肝臓で容易に処理されない強力なフリーラジカルが生成され、肝臓に蓄積されます。逆説的ですが、この同じ強い結合が、窒素やビスマスの毒性を低下させる原因にもなっています（分子状態の場合）。これは、他の原子との強い結合が切断されにくく、非常に反応性の低い分子が形成されるためです。例えば、窒素の二原子分子であるN₂は、アルゴンや他の希ガスを使用するにはコストがかかりすぎる状況で、不活性ガスとして使用されます。
多重結合の形成は、その5つの価電子によって促進されますが、オクテット則では、プニクトゲンは共有結合で3つの電子を受け入れることができます。5 > 3であるため、周囲に正電荷がない限り（[ NH 4 ] +のように）、2つの未使用の電子が孤立電子対として残ります。プニクトゲンが3つの単結合のみを形成する場合、孤立電子対の影響により、通常は三角錐型の分子構造になります。
軽いピニクトゲン（窒素、リン、ヒ素）は還元されると−3の電荷を形成し、オクテット則を満たします。酸化またはイオン化されると、ピニクトゲンは通常、+3（価電子殻の3つのp殻電子をすべて失う）または+5（価電子殻の3つのp殻電子と2つのs殻電子をすべて失う）の酸化状態をとります。ただし、s殻電子がより安定化するため、重いピニクトゲンは軽いピニクトゲンよりも+3の酸化状態を形成しやすくなります。[ 5 ]
ピニクトゲンは水素と反応して、アンモニアなどのピニクトゲン水素化物を形成する。族を下っていくと、ホスファン（ホスフィン）、アルサン（アルシン）、スチバン（スチビン）、そして最後にビスムタン（ビスムチン）となるが、それぞれのピニクトゲン水素化物は次第に不安定になり、毒性が増し、水素-水素角が小さくなる（アンモニアの107.8° [ 6 ]からビスムタンの90.48°まで）[ 7 ] 。 （また、厳密に言えば、ピニクトゲンが-3の酸化状態にあるのはアンモニアとホスファンだけであり、それ以外のピニクトゲンは水素よりも電気陰性度が低い。）
完全に還元されたプニクトゲンを含む結晶固体には、窒化イットリウム、リン化カルシウム、ヒ化ナトリウム、アンチモン化インジウム、さらにはアルミニウムガリウムインジウムリン化物のような複塩などがある。これらには、シリコンに次いで2番目に広く使用されている半導体であるヒ化ガリウムを含むIII-V族半導体が含まれる。
窒素は限られた数の安定な III 化合物を形成します。酸化窒素 (III) は低温でしか単離できず、亜硝酸は不安定です。三フッ化窒素は唯一安定な窒素三ハロゲン化物であり、三塩化窒素、三臭化窒素、三ヨウ化窒素は爆発性です。三ヨウ化窒素は衝撃に非常に敏感で、羽毛が触れただけで爆発します (最後の 3 つは実際には窒素が -3 の酸化状態にあります)。リンは室温で安定な+III 酸化物、亜リン酸、およびいくつかの三ハロゲン化物を形成しますが、三ヨウ化物は不安定です。ヒ素は酸素と +III 化合物を形成し、亜ヒ酸塩、亜ヒ酸、および酸化ヒ素 (III)を形成し、4 つの三ハロゲン化物すべてを形成します。アンチモンは酸化アンチモン (III) とアンチモン酸塩を形成しますが、オキソ酸は形成しません。その三ハロゲン化物である三フッ化アンチモン、三塩化アンチモン、三臭化アンチモン、および三ヨウ化アンチモンは、すべてのプニクトゲン三ハロゲン化物と同様に、それぞれ三角錐型の分子構造を持つ。
ビスマスの最も一般的な酸化状態は+3酸化状態です。これは、ビスマスが+5酸化状態を形成する能力が、より重い元素の相対論的性質によって妨げられるためであり、モスコビウムに関してはその影響がさらに顕著になります。ビスマス(III)は酸化物、オキシ塩化物、オキシ硝酸塩、硫化物を形成します。モスコビウム(III)はビスマス(III)と同様の挙動を示すと予測されています。モスコビウムは4つの三ハロゲン化物すべてを形成すると予測されており、そのうち三フッ化物を除くすべてが水に溶けると予測されています。また、+III酸化状態でオキシ塩化物とオキシ臭化物を形成すると予測されています。
窒素の場合、+5 の状態は、窒素の電気陰性度が高いため電子がほぼ均等に共有されるため、N 2 O 5のような分子の形式的な説明としてのみ機能します。配位数5のピニクトゲン化合物は超原子価です。窒素 (V) フッ化物は理論上のものだけで、合成されていません。「真の」+5 の状態は、本質的に非相対論的な典型的なピニクトゲンであるリン、ヒ素、アンチモンでより一般的であり、それらの酸化物であるリン (V) 酸化物、ヒ素 (V) 酸化物、アンチモン (V) 酸化物、およびそれらのフッ化物であるリン (V) フッ化物、ヒ素 (V) フッ化物、アンチモン (V) フッ化物に示されています。また、非配位性アニオンとして機能する関連するフッ化物アニオン、ヘキサフルオロリン酸塩、ヘキサフルオロヒ酸塩、ヘキサフルオロアンチモン酸塩を形成します。リンはオキシハロゲン化物として知られる酸化物ハロゲン化物（オキシ塩化リンなど）や五ハロゲン化物（三フッ化二フッ化リンなど）も形成します。五メチルプニクトゲン(V)化合物は、ヒ素、アンチモン、ビスマスに存在します。しかし、ビスマスの場合、不活性電子対効果として知られる6s軌道の相対論的安定化により+5の酸化状態はまれになり、6s電子は化学的に結合しにくくなります。このため、ビスマス(V)酸化物は不安定になり[ 8 ]、ビスマス(V)フッ化物は他のプニクトゲン五フッ化物よりも反応性が高く、非常に強力なフッ素化剤となります[ 9 ]。この効果はモスコビウムでさらに顕著になり、+5の酸化状態になることを妨げます。
ピクトゲン類は、周期表を下るにつれて非金属から金属へと移行する例を示しています。気体の二原子非金属（N）、さまざまな導電率と構造を持つ多くの同素体を示す2つの元素（PとAs）、そしてバルクでのみ金属構造を形成する少なくとも2つの元素（SbとBi、おそらくMcも）です。このグループのすべての元素は室温で固体ですが、室温では窒素は気体です。窒素とビスマスはどちらもピクトゲン類ですが、物理的性質は大きく異なります。たとえば、標準状態では窒素は透明な非金属ガスですが、ビスマスは銀白色の金属です。[ 11 ]
窒素の密度は、重い窒素ほど高くなります。窒素の密度は、標準状態 (STP) で 0.001251 g/cm 3です。[ 11 ]リンの密度は、標準状態 (STP) で 1.82 g/ cm 3、ヒ素は 5.72 g/ cm 3、アンチモンは 6.68 g/cm 3、ビスマスは 9.79 g/cm 3です。[ 12 ]
窒素の融点は-210 ℃、沸点は-196 ℃です。リンの融点は44 ℃、沸点は280 ℃です。ヒ素は標準圧力で昇華する 2つの元素のうちの1つで、603 ℃で昇華します。アンチモンの融点は631 ℃、沸点は1587 ℃です。ビスマスの融点は271 ℃、沸点は1564 ℃です。[ 12 ]
窒素の結晶構造は六方晶系です。リンの結晶構造は立方晶系です。ヒ素、アンチモン、ビスマスはすべて菱面体晶系です。[ 12 ]
アンチモンまでのすべてのピクトゲンには少なくとも1つの安定同位体が存在する。ビスマスには安定同位体は存在しないが、宇宙の年齢よりもはるかに長い半減期を持つ原始放射性同位体（ 209Bi）が存在する。また、モスコビウムの既知の同位体はすべて合成であり、放射能が非常に高い。これらの同位体に加えて、微量の13N、32P、33Pが自然界に存在し、トリウムとウランの崩壊系列には、209Bi以外のさまざまなビスマス同位体も存在する。
窒素化合物である塩化アンモニウムは、古代エジプト時代から知られていました。1760年代に、ヘンリー・キャベンディッシュとジョセフ・プリーストリーという2人の科学者が空気から窒素を分離しましたが、どちらも未発見の元素の存在に気づきませんでした。数年後の1772年になってようやく、ダニエル・ラザフォードがそのガスが実際に窒素であることに気づきました。[ 13 ]
錬金術師ヘニッヒ・ブラントは1669年にハンブルクでリンを初めて発見した。ブラントは蒸発させた尿を加熱し、発生したリン蒸気を水で凝縮させることでこの元素を作り出した。ブラントは当初、自分が賢者の石を発見したと思っていたが、最終的にはそうではないことに気づいた。[ 13 ]
ヒ素化合物は少なくとも5000年前から知られており、古代ギリシャのテオフラストスは、鶏冠石と雄黄と呼ばれるヒ素鉱物を認識していた。元素ヒ素は13世紀にアルベルトゥス・マグヌスによって発見された。[ 13 ]
アンチモンは古代の人々によく知られていた。ほぼ純粋なアンチモンで作られた5000年前の壺がルーブル美術館にある。アンチモン化合物はバビロニア時代に染料に使われていた。アンチモン鉱物である輝安鉱はギリシャ火の成分だった可能性がある。[ 13 ]
ビスマスは1400年に錬金術師によって初めて発見されました。ビスマスの発見から80年以内に、印刷や装飾された小箱にビスマスが使用されるようになりました。インカ帝国も1500年までにナイフにビスマスを使用していました。ビスマスは当初鉛と同じものと考えられていましたが、1753年にクロード・フランソワ・ジェフロワがビスマスは鉛とは異なることを証明しました。[ 13 ]
モスコビウムは、2003年にアメリシウム243原子にカルシウム48原子を照射することによって正常に生成された。[ 13 ]
「pnictogen」（または「pnigogen」）という用語は、古代ギリシャ語のπνίγειν（pnígein）「窒息させる」に由来し、窒素ガスの窒息性または息苦しさを表しています。[ 14 ]また、最も一般的な2つの元素であるPとNの記憶術としても使用できます。「pnictogen」という用語は、1950年代初頭にオランダの化学者アントン・エドゥアルト・ファン・アルケルによって提案されました。「pnicogen」または「pnigogen」と綴られることもあります。 「pnicogen」という用語は「pnictogen」という用語よりもまれで、「pnictogen」を使用する学術研究論文と「pnicogen」を使用する学術研究論文の比率は 2.5 対 1 です。[ 4 ]これはギリシャ語の語根πνιγ- (窒息させる、絞め殺す) に由来し、したがって「pnictogen」という単語は、窒素のオランダ語とドイツ語の名称 (それぞれstikstofとStickstoff、「窒息性物質」: つまり、空気中の物質で、呼吸を支えない) にも言及しています。したがって、「pnictogen」は「窒息させるもの」と訳すことができます。「pnictide」という単語も同じ語根に由来します。[ 14 ]
ペンテル（ギリシャ語のπέντε、pénte 、5に由来）という名前も、かつてはこのグループを指していた。[ 15 ]
窒素は、地殻の25ppm 、土壌の平均5ppm、海水の100～500ppt、乾燥空気の78%を占めています。地球上の窒素のほとんどは窒素ガスとして存在しますが、硝酸塩鉱物も存在します。窒素は、一般的な人間の体重の2.5%を占めています。
リンは地殻の0.1%を占め、11番目に豊富な元素です。リンは土壌の0.65ppm、海水の15～60ppbに含まれています。地球上には2億トンの利用可能なリン酸塩があります。リンは一般的な人間の体重の1.1%を占めています。[ 13 ]リンはリン鉱石の主成分であるアパタイト族の鉱物に含まれています。
ヒ素は地殻の1.5ppmを占め、53番目に豊富な元素です。土壌には1～10ppmのヒ素が含まれており、海水には1.6ppbのヒ素が含まれています。一般的な人間の体重の100ppbにはヒ素が含まれています。ヒ素は元素状で存在するものもありますが、ほとんどのヒ素はヒ素鉱物である雄黄、鶏冠石、砒鉄鉱、および砒鉄鉱に含まれています。[ 13 ]
アンチモンは地殻の0.2ppmを占め、63番目に豊富な元素です。土壌には平均1ppmのアンチモンが含まれており、海水には平均300pptのアンチモンが含まれています。一般的な人間の体内には、重量比で28ppbのアンチモンが含まれています。一部の元素アンチモンは銀鉱床に存在します。[ 13 ]
ビスマスは地殻の48ppbを占め、70番目に豊富な元素です。土壌には約0.25ppmのビスマスが含まれており、海水には400pptのビスマスが含まれています。ビスマスはビスマス鉱石として最も一般的に産出されますが、元素状または硫化物鉱石としても産出されます。[ 13 ]
モスコビウムは粒子加速器で一度に数個の原子として生成される。[ 13 ]
ほとんどのヒ素は、砒鉄鉱を空気中で加熱することによって製造されます。これによりAs 4 O 6が生成され、そこから炭素還元によってヒ素を抽出できます。しかし、酸素のない状態で砒鉄鉱を 650 ～ 700 °C で加熱することによって金属ヒ素を作ることも可能です 。[ 18 ]
硫化物鉱石の場合、アンチモンの製造方法は、原料鉱石中のアンチモン含有量によって異なります。鉱石中のアンチモン含有量が重量比で25%～45%の場合は、高炉で鉱石を精錬して粗アンチモンを製造します。鉱石中のアンチモン含有量が重量比で45%～60%の場合は、鉱石を加熱してアンチモンを精製します（溶解法とも呼ばれます）。重量比で60%を超えるアンチモン含有量の鉱石は、溶融鉱石から鉄くずを化学的に置換することで、不純物を含む金属を精製します。
アンチモンの酸化鉱石中のアンチモン含有量が重量比で30%未満の場合、高炉で還元処理が行われる。一方、アンチモン含有量が重量比で50%に近い場合は、反射炉で還元処理が行われる。
硫化物と酸化物が混在するアンチモン鉱石は高炉で製錬される。[ 19 ]
ビスマス鉱物は、特に硫化物や酸化物の形で産出するが、鉛鉱石の製錬の副産物として、あるいは中国のようにタングステン鉱石や亜鉛鉱石の製錬の副産物としてビスマスを生産する方が経済的である。[ 20 ]
モスコビウムは、粒子加速器でカルシウム48イオンのビームをアメリシウム243に照射して原子核が融合するまで、一度に数個の原子を生成する。 [ 21 ]
窒素は、 DNAやアミノ酸など、地球上の生命にとって重要な分子の構成要素です。硝酸塩は、植物の節に存在する細菌によって、一部の植物に存在します。これは、エンドウ豆やほうれん草、レタスなどのマメ科植物に見られます。典型的な70kg （150ポンド）の人間は、1.8kgの窒素を含んでいます。[ 13 ]
リンは、DNAやATPなど、生命にとって重要な化合物のリン酸塩の形で存在します。人間は1日に約1gのリンを摂取します。[ 24 ]リンは、魚、レバー、七面鳥、鶏肉、卵などの食品に含まれています。リン欠乏症は低リン血症として知られています。典型的な70kgの人間は480gのリンを含んでいます。[ 13 ]
ヒ素はニワトリやラットの成長を促進し、少量であれば人間にとって必須である可能性がある。ヒ素はアミノ酸アルギニン の代謝に役立つことが示されている。典型的な体重70kgの人間には7mgのヒ素が含まれている 。[ 13 ]
アンチモンには生物学的役割があるとは知られていない。植物はごく微量のアンチモンしか吸収しない。 一般的な体重70kgの人間には約2mgのアンチモンが含まれている 。[ 13 ]
ビスマスには生物学的役割があるとは知られていない。人間は平均して1日に20μg未満 のビスマスを摂取する。典型的な70kgの人間の体内には500μg未満 のビスマスが存在する 。[ 13 ]
モスコビウムは不安定すぎるため、自然界に存在したり、既知の生物学的役割を担ったりすることはまずありません。モスコビウムは通常、生物体内で意味のある量で存在することはありません。
窒素ガスは完全に無毒ですが、純粋な窒素ガスを吸い込むと窒素窒息を引き起こすため、致命的です。[ 22 ]スキューバダイビング中に発生するような、血液中に窒素の気泡が蓄積すると、「減圧症」として知られる状態を引き起こす可能性があります。シアン化水素や窒素系爆発物などの多くの窒素化合物も非常に危険です。[ 13 ]
リンの同素体である白リンは毒性があり、 体重1kgあたり1mgが致死量です。[ 11 ]白リンは通常、肝臓を攻撃することで摂取後1週間以内に人を死に至らしめます。気体状のリンを吸入すると、 「リン顎症」と呼ばれる職業病を引き起こし、顎の骨を侵食します。白リンは可燃性も非常に高いです。一部の有機リン化合物は、人体内の特定の酵素を致命的に阻害する可能性があります。 [ 13 ]
元素ヒ素は有毒であり、その無機化合物の多くも同様に有毒です。しかし、その有機化合物の中には鶏の成長を促進するものもあります。[ 11 ]一般的な成人に対するヒ素の致死量は200mgで 、下痢、嘔吐、疝痛、脱水症状、昏睡を引き起こす可能性があります。ヒ素中毒による死亡は通常1日以内に起こります。[ 13 ]
アンチモンは軽度の毒性があります。[ 22 ]さらに、アンチモン容器に浸したワインは嘔吐を引き起こす可能性があります。[ 11 ]大量に摂取すると、被害者は嘔吐し、その後回復したように見えますが、数日後に死亡します。アンチモンは特定の酵素に付着し、除去するのが困難です。スチビン、またはSbH3は、純粋なアンチモンよりもはるかに毒性が強いです。[ 13 ]
ビスマス自体はほとんど無毒ですが、過剰摂取すると肝臓に損傷を与える可能性があります。ビスマス中毒で死亡したという報告はこれまで1件のみです。[ 13 ]ただし、水溶性ビスマス塩を摂取すると歯茎が黒くなることがあります。[ 11 ]
モスコビウムは不安定すぎるため、毒性化学実験を行うことはできない。