Nitrogenfamilie

Nitrogenfamilien består af de fem elementer, der udgør gruppe 15 i det periodiske system: nitrogen, fosfor, arsen, antimon og vismut. Disse fem elementer deler en vigtig strukturel egenskab: de har alle fem elektroner i deres atomers yderste energiniveau. Ikke desto mindre er de påfaldende forskellige fra hinanden i både fysiske egenskaber og kemisk adfærd. Kvælstof er en ikke-metallisk gas; fosfor er et fast ikke-metal; arsen og antimon er metalloider; og vismut er et typisk metal.

Kvælstof

Kvælstof er en farveløs, lugtfri, smagløs gas med et smeltepunkt på -210 ° C (-346 ° F) og et kogepunkt af -196 ° C (-320 ° F). Det er det mest rigelige element i atmosfæren og udgør omkring 78 volumenprocent af den luft, der omgiver Jorden. Elementet er meget mindre almindeligt i jordskorpen, men hvor det rangerer tredive tredive (sammen med gallium) i overflod. Forskere vurderer, at den gennemsnitlige koncentration af kvælstof i jordskorpen er ca. 19 dele pr. Million, mindre end den af grundstoffer som neodym, lanthan, yttrium og scandium, men større end for velkendte metaller som lithium, uran, wolfram, sølv, kviksølv og platin.

De vigtigste naturligt forekommende forbindelser af nitrogen er kaliumnitrat (saltpeter), der primært findes i Indien, og natriumnitrat (Chile saltpeter), der primært findes i ørkenregionerne i Chile og andre dele af Sydamerika. Kvælstof er også en væsentlig bestanddel af proteinerne, der findes i alle levende organismer. .

Kredit for opdagelsen af kvælstof i 1772 gives normalt til den skotske læge Daniel Rutherford (1749–1819). Tre andre forskere, Henry Cavendish, Joseph Priestley og Carl Scheele, kunne også hævde at have opdaget elen på samme tid. Kvælstof blev først identificeret som det produkt, der blev efterladt, når et stof brændes i en lukket luftprøve (som fjernede luftens iltkomponent).

Anvendelser. Den industrielle anvendelse af kvælstof er steget dramatisk i de sidste par årtier. Det rangeres nu som det næststørst producerede kemikalie

i USA med en årlig produktion på ca. 57 milliarder pund (26 milliarder kg).

Elementets vigtigste applikationer afhænger af dets kemiske inaktivitet (inaktivitet). Det bruges i vid udstrækning som en tæppeatmosfære i metallurgiske processer, hvor tilstedeværelsen af ilt ville være skadelig. Ved forarbejdning af jern og stål forhindrer f.eks. et tæppe af nitrogen placeret over metaller deres at reagere med ilt, hvilket ville danne uønskede oxider i slutprodukterne.

Rensning (frigørelse af sediment eller fanget luft) af tanke, rør og andre slags beholdere med kvælstof kan også forhindre muligheden for brande I olieindustrien skaber for eksempel forarbejdning af organiske forbindelser i nærvær af luft potentiale for brande – brande, der kan undgås ved at dække reaktanterne med rent nitrogen.

Kvælstof bruges også i produktion af elektronisk komponent nts. Samling af computerchips og andre elektroniske enheder kan finde sted med alle materialer nedsænket i en nitrogenatmosfære, hvilket forhindrer oxidation af ethvert af de anvendte materialer. Kvælstof bruges ofte som et beskyttende middel under forarbejdningen af fødevarer, så der ikke forekommer forfald (oxidation).

En anden kritisk anvendelse af nitrogen er i produktionen af ammoniak ved Haber-processen, opkaldt efter opfinderen , Tysk kemiker Fritz Haber (1868–1934). Haber-processen involverer direkte syntese af ammoniak fra dets grundstoffer – nitrogen og hydrogen. De to gasser kombineres under specifikke betingelser: (1) temperaturen skal være 500 til 700 ° C (900 til 1300 ° F), (2) trykket skal være flere hundrede atmosfærer og (3) en katalysator (noget der hastighed kemiske reaktioner) såsom findelt nikkel skal være til stede. En af de vigtigste anvendelser af ammoniak produceret ved denne metode er til produktion af syntetisk gødning.

Omkring en tredjedel af alt produceret kvælstof anvendes i flydende form. F.eks. Bruges flydende nitrogen til hurtigfrysning af fødevarer og til konservering af fødevarer under transport. Derudover gør de meget lave temperaturer af flydende nitrogen nogle materialer lettere at håndtere. For eksempel er de fleste former for gummi for blød og bøjelig til bearbejdning ved stuetemperatur. De kan dog først afkøles i flydende nitrogen og derefter håndteres i en meget mere stiv form.

Tre nitrogenforbindelser er også kommercielt vigtige og er traditionelt blandt de 25 bedste kemikalier, der produceres i USA. De er ammoniak (nummer 6 i 1990), salpetersyre (nummer 13 i 1990) og ammoniumnitrat (nummer 14 i 1990). Alle tre af disse forbindelser anvendes i vid udstrækning i landbruget som syntetisk gødning. Mere end 80 procent af den producerede ammoniak går f.eks. Til produktion af syntetisk gødning.

Udover sin landbrugs rolle er salpetersyre et vigtigt råmateriale i produktionen af sprængstoffer. Trinitrotoluen (TNT), krudt, nitroglycerin, dynamit og røgfrit pulver er alle eksempler på den slags sprængstoffer fremstillet af salpetersyre. Lidt mere end 5 procent af den producerede salpetersyre bruges også til syntesen af adipinsyre og relaterede forbindelser, der anvendes til fremstilling af nylon.

Phosphor

Phosphor findes i tre allotrope former (fysisk eller kemisk forskellige former for det samme stof): hvid, rød og sort. Den hvide form af fosfor er et meget aktivt voksagtigt fast stof, der spontant antænder, når det udsættes for luft. I modsætning hertil er rødt fosfor et rødligt pulver, der er relativt inaktivt (inaktivt). Det går ikke i brand, medmindre det udsættes for åben ild. Smeltepunktet for fosfor er 44 ° C (111 ° F), og dets kogepunkt er 280 ° C (536 ° F). Det er det ellevte mest forekommende element i jordens skorpe.

Fosfor forekommer altid i form af et fosfat, en forbindelse bestående af fosfor, ilt og mindst et element mere. Langt den mest rigelige kilde til fosfor på Jorden er en familie af mineraler kendt som apatitterne. Apatitter indeholder fosfor, ilt, calcium og et halogen (klor, fluor, brom eller iod). Florida er verdens største producent af fosfor. og er ansvarlig for omkring en tredjedel af alt det grundstof, der produceres i verden.

Fosfor forekommer også i alle levende organismer, mest i knogler, tænder, horn og lignende materialer. Det findes i alle celler, dog i form af forbindelser, der er vigtige for overlevelsen af hele livet. Ligesom kulstof og kvælstof cykler fosfor gennem miljøet. Men da den ikke har nogen almindelige gasformige forbindelser, forekommer fosforcyklussen udelukkende inden for de faste og flydende (vand) dele af jordskorpen.

Anvendelser. Ca. 95 procent af alt fosfor, der anvendes i industrien, går til produktionen af fosforforbindelser. Langt den vigtigste af disse er fosforsyre, der tegner sig for omkring 83 procent af al fosforbrug i industrien. En mindre anvendelse er til fremstilling af sikkerhedskampe.

Fosforsyre Phosphorsyre (H3PO4) er typisk omkring nummer syv blandt de kemikalier, der er mest produceret i USA. Det omdannes til en række forskellige former, som alle derefter bruges til fremstilling af syntetisk gødning, der tegner sig for ca. 85 procent af al den producerede syre. Andre anvendelser af fosforsyre inkluderer produktion af sæber og rengøringsmidler, vandbehandling, rengøring og rustbeskyttelse af metaller, fremstilling af benzinadditiver og produktion af dyrefoder.

På én gang tid, stor mængder af phosphorsyre blev omdannet til en forbindelse kendt som natriumtripolyphosphat (STPP). STPP blev igen brugt til fremstilling af syntetiske rengøringsmidler. Når STPP frigives til miljøet, tjener det dog som et primært næringsstof for alger i vandområder som damme og søer. Væksten af store algblomstringer i 1970erne og 1980erne som følge af fosfatudledninger førte til sidst til forbud mod brugen af denne forbindelse i vaskemidler. Som en konsekvens er forbindelsen ikke længere kommercielt vigtig.

Arsen og antimon

Arsen og antimon er begge metalloider. Det vil sige, de opfører sig til tider som metaller og til tider som ikke-metaller. Arsen er et sølvgråt skørt metal, der pletter, når det udsættes for luft. Den findes i to allotrope former: sort og gul. Dets smeltepunkt er 817 ° C (1502 ° F) ved 28 atmosfæres tryk, og kogepunktet er 613 ° C (1135 ° F), ved hvilken temperatur det sublimerer (passerer direkte fra det faste stof til damptilstanden). / p>

Antimon forekommer også i to allotrope former: sort og gul. Det er et sølvhvidt fast stof med et smeltepunkt på 630 ° C (1170 ° F) og et kogepunkt på 1635 ° C (2980 ° F). Både arsen og antimon blev identificeret før fødslen af moderne kemi – i det mindste så tidligt som det 15. århundrede.

Arsen er et relativt usædvanligt element i jordskorpen og rangerer nummer 51 i rækkefølge efter overflod. produceres faktisk kommercielt fra røggasstøv fra kobber og blysmelter (metaller adskilt ved smeltning), da det generelt forekommer i kombination med disse to elementer.

Antimon er meget mindre almindeligt i jordskorpen, end det er arsen, som nummer 62 blandt elementerne. Det forekommer oftest som mineralet stibnit (antimonsulfid), hvorfra det opnås ved en reaktion med jernmetal.

Anvendelser. Arsen anvendes i vid udstrækning til fremstilling af legeringer (en blanding af to eller flere metaller eller et metal og et ikke-metal), der anvendes i skud, batterier, kabeldækning, kedelrør og specielle lodder (en smeltet metallegering, der bruges til at forbinde sig andre metaloverflader). I en meget ren form er det en væsentlig komponent i mange elektroniske enheder.Traditionelt er arsenforbindelser blevet brugt til at dræbe rotter og andre skadedyr, selvom det stort set er blevet erstattet til dette formål af andre produkter.

Antimon er også et populært legeringselement. Dens legeringer findes i kuglelejer, batterier, ammunition, lodde, type metal, arkrør og andre applikationer. Dens anvendelse i metalmetal afspejler en særlig interessant egenskab: i modsætning til de fleste materialer udvides antimon, når det afkøles og størkner fra en væske. På grund af dette faktum udvides type metal, der hældes i matricer i form af bogstaver, når det afkøles for at fylde alle dele af matricen. Bogstaver dannet i denne proces har klare, skarpe kanter.

Bismuth

Bismuth er et typisk sølvfarvet metal med et interessant rødligt skær. Det har et smeltepunkt på 271 ° C (520 ° F) og et kogepunkt på 1560 ° C (2840 ° F). Det er et af de sjældneste grundstoffer i jordskorpen og rangerer 69 ud af 75 elementer, for hvilke der er foretaget skøn. Det forekommer mest almindeligt som mineralet bismit (bismuthoxid), bismuthinite (bismuth sulfide) og bismutite (bismuth oxycarbonate) Ligesom arsen og antimon blev bismuth identificeret allerede i det femtende århundrede af præ-kemikere kendt som alkymisterne.

Næsten al den vismut, der produceres kommercielt, bruges til en af to anvendelser: i produktionen af legeringer eller andre metalliske produkter og i farmaceutiske produkter. Nogle af dets mest interessante legeringer er dem, der smelter ved lave temperaturer, og som f.eks. kan bruges i automatiske sprinklersystemer. Forbindelser med vismut anvendes til behandling af mavebesvær, eksem (en hudlidelse) og sår og ved fremstilling af ansigtspulver.