Rodina dusíku

Rodina dusíku se skládá z pěti prvků, které tvoří skupinu 15 periodické tabulky: dusík, fosfor, arsen, antimon a vizmut. Těchto pět prvků sdílí jednu důležitou strukturní vlastnost: všechny mají pět elektronů v nejvzdálenější energetické úrovni jejich atomů. Přesto se od sebe navzájem nápadně liší jak fyzikálními vlastnostmi, tak chemickým chováním. Dusík je nekovový plyn; fosfor je pevný nekov; arsen a antimon jsou metaloidy; a vizmut je typický kov.

Dusík

Dusík je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu s bodem tání -210 ° C (-346 ° F) a bodem varu -196 ° C (-320 ° F). Je to nejhojnější prvek v atmosféře a tvoří asi 78 procent objemu vzduchu, který obklopuje Zemi. Prvek je mnohem méně běžný v zemské kůře, kde je v hojnosti třicátý třetí (spolu s galliem). Vědci odhadují, že průměrná koncentrace dusíku v horninách kůry je asi 19 dílů na milion, méně než u prvky jako neodym, lanthan, yttrium a skandium, ale větší než u známých kovů, jako je lithium, uran, wolfram, stříbro, rtuť a platina.

Nejdůležitější přirozeně se vyskytující sloučeniny dusík jsou dusičnan draselný (ledek), vyskytující se především v Indii, a dusičnan sodný (chilský ledek), vyskytující se především v pouštních oblastech Chile a dalších částech Jižní Ameriky. Dusík je také nezbytnou součástí proteinů obsažených ve všech živých organismech .

Zásluhu na objevu dusíku v roce 1772 má obvykle skotský lékař Daniel Rutherford (1749–1819). Další tři vědci, Henry Cavendish, Joseph Priestley a Carl Scheele, by také mohli tvrdit, že objevili ele přibližně ve stejnou dobu. Dusík byl poprvé identifikován jako produkt, který zůstal po spálení látky v uzavřeném vzorku vzduchu (který odstranil kyslíkovou složku vzduchu).

Používá. Průmyslové využití dusíku se v posledních několika desetiletích dramaticky zvýšilo. Nyní se řadí jako druhá nejrozšířenější chemická látka ve Spojených státech s roční produkcí přibližně 26 miliard kilogramů.

Nejdůležitější aplikace prvku závisí na jeho chemické setrvačnosti (nečinnosti). Je široce používán jako krycí atmosféra v metalurgických procesech, kde by byla přítomnost kyslíku škodlivá. Například při zpracování železa a oceli zabraňuje vrstva dusíku umístěná nad kovy jejich reakce s kyslíkem, který by ve výsledných produktech vytvářel nežádoucí oxidy.

Pročišťování (uvolňování sedimentu nebo zachyceného vzduchu) nádrží, potrubí a jiných druhů nádob dusíkem může také zabránit možnosti požáru . Například v ropném průmyslu vytváří zpracování organických sloučenin za přítomnosti vzduchu potenciál pro požáry – požáry, kterým lze zabránit zakrytím reaktantů čistým dusíkem.

Dusík se také používá v výroba elektronického compone nts. Sestavování počítačových čipů a dalších elektronických zařízení může probíhat se všemi materiály ponořenými v dusíkové atmosféře, což brání oxidaci jakéhokoli použitého materiálu. Dusík se často používá jako ochranný prostředek při zpracování potravin, aby nedocházelo k rozpadu (oxidaci).

Další důležité využití dusíku je při výrobě amoniaku pomocí Haberova procesu, pojmenovaného podle jeho vynálezce , Německý chemik Fritz Haber (1868–1934). Haberův proces zahrnuje přímou syntézu amoniaku z jeho prvků – dusíku a vodíku. Tyto dva plyny jsou kombinovány za určitých podmínek: (1) teplota musí být 500 až 700 ° C (900 až 1300 ° F), (2) tlak musí být několik set atmosfér a (3) katalyzátor (něco, co urychluje chemické reakce), jako je jemně rozptýlený nikl. Jedno z hlavních použití amoniaku vyrobeného touto metodou je při výrobě syntetických hnojiv.

Asi jedna třetina veškerého vyrobeného dusíku se používá v kapalné formě. Například kapalný dusík se používá k rychlému zmrazování potravin a ke konzervaci přepravovaných potravin. Velmi nízké teploty kapalného dusíku navíc usnadňují manipulaci s některými materiály. Například většina forem gumy je příliš měkká a poddajná pro obrábění při pokojové teplotě. Mohou však být nejprve chlazeny kapalným dusíkem a poté zpracovány v mnohem tvrdší formě.

Tři sloučeniny dusíku jsou také komerčně důležité a tradičně se řadí mezi 25 nejlepších chemikálií vyráběných ve Spojených státech. Jsou to amoniak (číslo 6 v roce 1990), kyselina dusičná (číslo 13 v roce 1990) a dusičnan amonný (číslo 14 v roce 1990). Všechny tři tyto sloučeniny se hojně používají v zemědělství jako syntetická hnojiva. Například více než 80 procent vyrobeného amoniaku jde na výrobu syntetických hnojiv.

Kromě své zemědělské role je kyselina dusičná důležitou surovinou při výrobě výbušnin. Trinitrotoluen (TNT), střelný prach, nitroglycerin, dynamit a bezdýmný prášek jsou všechny příklady druhů výbušnin vyrobených z kyseliny dusičné. Mírně více než 5 procent vyrobené kyseliny dusičné se také používá při syntéze kyseliny adipové a příbuzných sloučenin používaných při výrobě nylonu.

Fosfor

Fosfor existuje ve třech alotropních formách (fyzicky nebo chemicky různé formy stejné látky): bílá, červená a černá. Bílá forma fosforu je vysoce aktivní voskovitá pevná látka, která se při působení vzduchu samovolně vznítí. Naproti tomu červený fosfor je načervenalý prášek, který je relativně inertní (neaktivní). Nezapaluje se, pokud není vystaven otevřenému plameni. Teplota tání fosforu je 44 ° C (111 ° F) a jeho teplota varu je 280 ° C (536 ° F). Je to jedenáctý nejhojnější prvek v zemské kůře.

Fosfor se vždy vyskytuje ve formě fosfátu, sloučeniny skládající se z fosforu, kyslíku a alespoň jednoho dalšího prvku. Zdaleka nejhojnější zdrojem fosforu na Zemi je rodina minerálů známá jako apatity. Apatity obsahují fosfor, kyslík, vápník a halogen (chlor, fluor, brom nebo jod). Stát Florida je největším světovým producentem fosforu a je zodpovědný za asi třetinu všech prvků vyprodukovaných na světě.

Fosfor se také vyskytuje ve všech živých organismech, nejvíce v kostech, zubech, rohu a podobných materiálech. Nachází se ve všech buňkách, ale ve formě sloučenin nezbytných pro přežití celého života. Stejně jako uhlík a dusík i fosfor prochází cyklem prostředím. Ale protože nemá žádné běžné plynné sloučeniny, cyklus fosforu probíhá zcela v pevné a kapalné (vodní) části zemské kůry.

Používá. Asi 95 procent veškerého fosforu použitého v průmyslu jde na výroba sloučenin fosforu. Nejdůležitější z nich je kyselina fosforečná, která představuje asi 83 procent veškerého použití fosforu v průmyslu. Menší použití je ve výrobě bezpečnostních zápalek.

Kyselina fosforečná Kyselina fosforečná (H3PO4) se obvykle řadí mezi číslo sedm mezi chemikálie nejčastěji vyráběné ve Spojených státech. Je přeměňována na různé formy, které se všechny používají při výrobě syntetických hnojiv, což představuje přibližně 85 procent veškerá vyrobená kyselina. Mezi další aplikace kyseliny fosforečné patří výroba mýdel a detergentů, úprava vody, čištění a ochrana proti korozi kovů, výroba benzinových přísad a výroba krmiv pro zvířata.

čas, velký množství kyseliny fosforečné byla převedena na sloučeninu známou jako tripolyfosfát sodný (STPP). STPP se zase používal při výrobě syntetických detergentů. Když se STPP uvolňuje do životního prostředí, slouží jako primární živina pro řasy ve vodních útvarech, jako jsou rybníky a jezera. Růst obrovských květů řas v 70. a 80. letech v důsledku vypouštění fosfátů nakonec vedl k zákazu používání této sloučeniny v detergentech. V důsledku toho již sloučenina není komerčně důležitá.

Arsen a antimon

Arsen i antimon jsou metaloidy. To znamená, že se někdy chovají jako kovy a někdy jako nekovy. Arsen je stříbrošedý křehký kov, který při působení vzduchu zakalí. Existuje ve dvou alotropních formách: černé a žluté. Jeho teplota tání je 817 ° C (1502 ° F) při tlaku 28 atmosfér a jeho teplota varu je 613 ° C (1135 ° F), při které sublimuje (přechází přímo z pevné látky do stavu páry).

Antimon se vyskytuje také ve dvou alotropních formách: černé a žluté. Je to stříbro-bílá pevná látka s bodem tání 630 ° C (1170 ° F) a bodem varu 1635 ° C (2980 ° F). Arsen i antimon byly identifikovány před zrozením moderní chemie – přinejmenším již v patnáctém století.

Arsen je relativně neobvyklý prvek v zemské kůře a je v pořadí podle počtu 51. Je se ve skutečnosti komerčně vyrábí z kouřového prachu získaného z hutí na měď a olovo (kovy oddělené tavením), protože se obvykle vyskytuje v kombinaci s těmito dvěma prvky.

Antimon je v zemské kůře mnohem méně běžný než je arsen, pořadí číslo 62 mezi prvky. Vyskytuje se nejčastěji jako minerál stibnit (sulfid antimonitý), ze kterého se získává při reakci s kovovým železem.

Používá. Arsen se široce používá při výrobě slitin (směs dvou nebo více kovů nebo kovů a nekovů) používaných v brokech, bateriích, kabelových krytech, trubkách kotlů a speciálních druzích pájky (roztavená kovová slitina používaná ke spojování dohromady jiné kovové povrchy). Ve velmi čisté podobě je podstatnou součástí mnoha elektronických zařízení.Tradičně se sloučeniny arsenu používají k zabíjení krys a jiných škůdců, i když je z tohoto důvodu do značné míry nahrazen jinými produkty.

Antimon je také oblíbeným legujícím prvkem. Jeho slitiny lze nalézt v kuličkových ložiscích, bateriích, střelivu, pájkách, kovech, plechových trubkách a dalších aplikacích. Jeho aplikace v kovovém typu odráží obzvláště zajímavou vlastnost: na rozdíl od většiny materiálů se antimon rozpíná, jak se ochlazuje a tuhne z kapaliny. Z tohoto důvodu se kovový typ nalitý do matric ve tvaru písmen rozšiřuje, jak se ochlazuje, aby vyplnil všechny části matrice. Písmena vytvořená v tomto procesu mají jasné, ostré hrany.

Vizmut

Vizmut je typický stříbřitý kov se zajímavým červenavým nádechem. Má bod tání 271 ° C (520 ° F) a bod varu 1560 ° C (2840 ° F). Jedná se o jeden z nejvzácnějších prvků v zemské kůře, který má 69 ze 75 prvků, pro které byly provedeny odhady. Vyskytuje se nejčastěji jako minerál bismit (oxid bismutitý), bismuthinit (sulfid bismutitý) a bismutit (bismut oxykarbonát) . Stejně jako arsen a antimon byl bismut identifikován již v patnáctém století předchemiky známými jako alchymisté.

Téměř veškerý komerčně vyrobený vizmut se používá pro jednu ze dvou aplikací: při výrobě slitin nebo jiných kovových výrobků a ve farmaceutických přípravcích. Mezi nejzajímavější slitiny patří ty, které se taví při nízkých teplotách a které lze použít například v automatických sprinklerových systémech. Sloučeniny vizmutu se používají k léčbě podrážděného žaludku, ekzému ( kožní onemocnění) a vředy a při výrobě pudrů na obličej.