Мышьяк, сурьма и висмут

Элементы группы мышьяка (As), сурьмы (Sb) и висмута (Bi) занимают пятою группу периодической системы, демонстрируя закономерное изменение физических и химических свойств при переходе от легкого к тяжелому элементу. Все три элемента относятся к полуметаллам (металлоидам), однако степень металличности увеличивается от мышьяка к висмуту. Они проявляют сходство в образовании три- и пентвалентных соединений, но устойчивость степеней окисления изменяется в сторону увеличения металличности: As и Sb наиболее устойчивы в степени окисления +3, Bi – в +3 и слабо в +5.

Физические свойства

Мышьяк (As) существует в аллотропных модификациях: серый (металлоидный, наиболее устойчивый), жёлтый (аморфный) и черный (мономорфная полиморфная форма). Серый мышьяк обладает металлическим блеском, хрупкий, плохо проводит электрический ток. Температура плавления около 817 °C. Ядовит, летуч при нагревании.

Сурьма (Sb) имеет металлический блеск, хрупкая, плотность 6,7 г/см³, температура плавления 631 °C. В химических реакциях проявляет слабые металлические свойства, легко образует сплавы с другими металлами.

Висмут (Bi) тяжёлый металл с плотностью 9,78 г/см³, температура плавления 271 °C, низкая теплопроводность и высокое сопротивление окислению. Имеет характерный металлический блеск, кристаллизуется в ромбической сингонии. Висмут нетоксичен в отличие от мышьяка и сурьмы, что определяет его промышленное использование.

Химические свойства

Степени окисления:

Мышьяк: +3, +5 (реакционно активен в соединениях +3, +5 проявляется в устойчивых оксидах и солях).
Сурьма: +3, +5 (степень +3 более стабильна, соединения +5 легко восстанавливаются до +3).
Висмут: +3, +5 (степень +3 крайне устойчива, Bi⁵⁺ соединения редки и сильные окислители).

Взаимодействие с кислородом:

As + O₂ → As₂O₃ (при ограниченном доступе кислорода)
As + 5/2 O₂ → As₂O₅ (при полном сгорании)
Sb + O₂ → Sb₂O₃ или Sb₂O₅, в зависимости от условий
Bi + O₂ → Bi₂O₃ (степень +3 стабилизирована, Bi₂O₅ нестабилен, разлагается при нагревании)

Взаимодействие с галогенами:

Формируются тривалентные и пентвалентные галогениды: AsCl₃, AsCl₅, SbCl₃, SbCl₅, BiCl₃.
Соединения мышьяка и сурьмы с галогенами легко гидролизуются водой, образуя соответствующие кислоты.

Водные растворы и кислотность:

Триоксиды мышьяка и сурьмы являются амфотерными: As₂O₃ + NaOH → Na₃AsO₃; Sb₂O₃ + NaOH → Na₃SbO₃.
Пентаокcиды выступают как сильные кислоты: As₂O₅ + H₂O → H₃AsO₄; Sb₂O₅ + H₂O → H₃SbO₄.
Оксид висмута Bi₂O₃ также амфотерен, образует соли Bi³⁺: Bi₂O₃ + 6 HCl → 2 BiCl₃ + 3 H₂O.

Соединения с серой и другими неметаллами:

Сульфиды: As₂S₃, Sb₂S₃, Bi₂S₃ — характерны низкой растворимостью, термической устойчивостью, применяются как пигменты и полупроводники.
Селениды и теллуриды образуются аналогично, свойства зависят от металлической природы элементов.

Восстановительные и окислительные реакции:

Мышьяк и сурьма способны выступать как восстановители (например, As₂O₃ + 3 C → 2 As + 3 CO).
Висмут в степени +3 стабильнее, чем +5, что делает Bi²⁺/Bi³⁺ редуцирующим агентом в некоторых реакциях.

Промышленное и лабораторное значение

Мышьяк применяется в полупроводниковой промышленности (As₄ в легировании GaAs), в производстве пестицидов и консервантов, хотя его токсичность ограничивает использование.

Сурьма используется в сплавах (баббит, припои), огнеупорных материалах, катализаторах, в органических соединениях как стабилизатор полимеров.

Висмут применяется в медицине (висмутсодержащие препараты), косметике, сплавах с низкой температурой плавления, в качестве нетоксичной альтернативы свинцу.

Закономерности химических свойств

Увеличение металличности: от As → Sb → Bi.
Снижение летучести: As летучий, Bi практически не летуч.
Стабильность степени окисления +3 возрастает в той же последовательности.
Амфотерность оксидов и гидроксидов усиливается от мышьяка к висмуту.
Растворимость сульфидов снижается по мере увеличения атомной массы.

Классификация соединений

Трилантовые соединения (степень окисления +3): AsCl₃, SbCl₃, BiCl₃, As₂O₃, Sb₂O₃, Bi₂O₃. Пенталантовые соединения (степень окисления +5): AsCl₅, SbCl₅, As₂O₅, Sb₂O₅. Соли аммония и металлов: Na₃AsO₃, K₃SbO₄, Bi(NO₃)₃ — образуются в реакциях с основаниями и кислотами.

Мышьяк, сурьма и висмут демонстрируют типичную эволюцию свойств элементов V группы: переход от неметаллической активности к металлической, усиление устойчивости низшей степени окисления, изменение растворимости соединений и термической стабильности. Эти закономерности лежат в основе их химического поведения и промышленного применения.