Familia del nitrógeno

La familia del nitrógeno consta de los cinco elementos que componen el Grupo 15 de la tabla periódica: nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio y bismuto. Estos cinco elementos comparten una propiedad estructural importante: todos tienen cinco electrones en el nivel de energía más externo de sus átomos. No obstante, son sorprendentemente diferentes entre sí tanto en propiedades físicas como en comportamiento químico. El nitrógeno es un gas no metálico; el fósforo es un no metal sólido; el arsénico y el antimonio son metaloides; y el bismuto es un metal típico.

Nitrógeno

El nitrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido con un punto de fusión de -210 ° C (-346 ° F) y un punto de ebullición de −196 ° C (−320 ° F). Es el elemento más abundante en la atmósfera, representa aproximadamente el 78 por ciento en volumen del aire que rodea la Tierra. Sin embargo, el elemento es mucho menos común en la corteza terrestre, donde ocupa el trigésimo tercer lugar (junto con el galio) en abundancia. Los científicos estiman que la concentración promedio de nitrógeno en las rocas de la corteza es de aproximadamente 19 partes por millón, menos que la de elementos como neodimio, lantano, itrio y escandio, pero mayor que el de metales conocidos como litio, uranio, tungsteno, plata, mercurio y platino.

Los compuestos naturales más importantes de el nitrógeno son el nitrato de potasio (salitre), que se encuentra principalmente en la India, y el nitrato de sodio (salitre de Chile), que se encuentra principalmente en las regiones desérticas de Chile y otras partes de América del Sur. El nitrógeno también es un componente esencial de las proteínas que se encuentran en todos los organismos vivos .

El mérito del descubrimiento del nitrógeno en 1772 se suele atribuir al médico escocés Daniel Rutherford (1749-1819). Otros tres científicos, Henry Cavendish, Joseph Priestley y Carl Scheele, también podrían afirmar haber descubierto el ele aproximadamente al mismo tiempo. El nitrógeno se identificó por primera vez como el producto que queda cuando una sustancia se quema en una muestra cerrada de aire (que elimina el componente de oxígeno del aire).

Usos. Los usos industriales del nitrógeno se han incrementado drásticamente en las últimas décadas. Ahora se ubica como el segundo producto químico de mayor producción

en los Estados Unidos con una producción anual de aproximadamente 57 mil millones de libras (26 mil millones de kilogramos).

Las aplicaciones más importantes del elemento dependen de su inercia química (inactividad). Se utiliza ampliamente como atmósfera de manta en procesos metalúrgicos donde la presencia de oxígeno sería dañina. En el procesamiento del hierro y el acero, por ejemplo, una capa de nitrógeno colocada sobre los metales previene su reaccionando con el oxígeno, que formaría óxidos indeseables en los productos finales.

La purga (liberación de sedimentos o aire atrapado) de tanques, tuberías y otros tipos de contenedores con nitrógeno también puede prevenir la posibilidad de incendios En la industria del petróleo, por ejemplo, el procesamiento de compuestos orgánicos en presencia de aire crea el potencial de incendios, incendios que pueden evitarse cubriendo los reactivos con nitrógeno puro.

El nitrógeno también se usa en la producción de componentes electrónicos nts. El ensamblaje de chips de computadora y otros dispositivos electrónicos puede realizarse con todos los materiales sumergidos en una atmósfera de nitrógeno, evitando la oxidación de cualquiera de los materiales en uso. El nitrógeno se usa a menudo como agente protector durante el procesamiento de los alimentos para que no se produzca la descomposición (oxidación).

Otro uso crítico del nitrógeno es en la producción de amoníaco mediante el proceso Haber, que lleva el nombre de su inventor , El químico alemán Fritz Haber (1868-1934). El proceso de Haber implica la síntesis directa de amoníaco a partir de sus elementos: nitrógeno e hidrógeno. Los dos gases se combinan bajo condiciones específicas: (1) la temperatura debe ser de 500 a 700 ° C (900 a 1300 ° F), (2) la presión debe ser de varios cientos de atmósferas y (3) un catalizador (algo que acelera reacciones químicas) como el níquel finamente dividido deben estar presentes. Uno de los usos principales del amoníaco producido por este método es en la producción de fertilizantes sintéticos.

Aproximadamente un tercio de todo el nitrógeno producido se usa en su forma líquida. Por ejemplo, el nitrógeno líquido se utiliza para congelar rápidamente los alimentos y para conservar los alimentos en tránsito. Además, las temperaturas muy bajas del nitrógeno líquido hacen que algunos materiales sean más fáciles de manipular. Por ejemplo, la mayoría de las formas de caucho son demasiado blandas y flexibles para el mecanizado a temperatura ambiente. Sin embargo, primero pueden enfriarse en nitrógeno líquido y luego manipularse en una forma mucho más rígida.

Tres compuestos de nitrógeno también son comercialmente importantes y tradicionalmente se encuentran entre los 25 principales productos químicos producidos en los Estados Unidos. Son amoniaco (número 6 en 1990), ácido nítrico (número 13 en 1990) y nitrato de amonio (número 14 en 1990). Los tres de estos compuestos se utilizan ampliamente en la agricultura como fertilizantes sintéticos. Más del 80 por ciento del amoníaco producido, por ejemplo, se destina a la producción de fertilizantes sintéticos.

Además de su función agrícola, el ácido nítrico es una materia prima importante en la producción de explosivos. El trinitrotolueno (TNT), la pólvora, la nitroglicerina, la dinamita y el polvo sin humo son todos ejemplos del tipo de explosivos hechos de ácido nítrico. Un poco más del 5 por ciento del ácido nítrico producido también se utiliza en la síntesis de ácido adípico y compuestos relacionados utilizados en la fabricación de nailon.

Fósforo

El fósforo existe en tres formas alotrópicas (formas física o químicamente diferentes de la misma sustancia): blanco, rojo y negro. La forma blanca del fósforo es un sólido ceroso muy activo que se enciende espontáneamente cuando se expone al aire. Por el contrario, el fósforo rojo es un polvo rojizo relativamente inerte (inactivo). No se incendia a menos que se exponga a una llama abierta. El punto de fusión del fósforo es de 44 ° C (111 ° F) y su punto de ebullición es de 280 ° C (536 ° F). Es el undécimo elemento más abundante en la corteza terrestre.

El fósforo siempre se encuentra en forma de fosfato, un compuesto que consta de fósforo, oxígeno y al menos un elemento más. Con mucho, el más abundante La fuente de fósforo en la Tierra es una familia de minerales conocidos como apatitas. Las apatitas contienen fósforo, oxígeno, calcio y un halógeno (cloro, flúor, bromo o yodo). El estado de Florida es el mayor productor mundial de fósforo y es responsable de aproximadamente un tercio de todo el elemento producido en el mundo.

El fósforo también se encuentra en todos los organismos vivos, con mayor abundancia en huesos, dientes, cuernos y materiales similares. Sin embargo, se encuentra en todas las células en forma de compuestos esenciales para la supervivencia de toda la vida. Al igual que el carbono y el nitrógeno, el fósforo circula por el medio ambiente. Pero como no tiene compuestos gaseosos comunes, el ciclo del fósforo ocurre completamente dentro de las porciones sólidas y líquidas (agua) de la corteza terrestre.

Usos. Aproximadamente el 95 por ciento de todo el fósforo usado en la industria se destina a la producción de compuestos de fósforo. El más importante de ellos es, con mucho, el ácido fosfórico, que representa aproximadamente el 83 por ciento de todo el fósforo utilizado en la industria. Un uso menor es en la fabricación de fósforos de seguridad.

Ácido fosfórico . El ácido fosfórico (H3PO4) generalmente ocupa el séptimo lugar entre los productos químicos más producidos en los Estados Unidos. Se convierte en una variedad de formas, todas las cuales se utilizan luego en la fabricación de fertilizantes sintéticos, lo que representa aproximadamente el 85 por ciento de todo el ácido producido. Otras aplicaciones del ácido fosfórico incluyen la producción de jabones y detergentes, tratamiento de agua, la limpieza y anticorrosión de metales, la fabricación de aditivos de gasolina y la producción de alimentos para animales.

En uno tiempo, grande cantidades de ácido fosfórico se convirtieron en un compuesto conocido como tripolifosfato de sodio (STPP). STPP, a su vez, se utilizó en la fabricación de detergentes sintéticos. Sin embargo, cuando STPP se libera al medio ambiente, sirve como un nutriente principal para las algas en cuerpos de agua como estanques y lagos. El crecimiento de grandes floraciones de algas en los años setenta y ochenta como resultado de las descargas de fosfato finalmente condujo a la prohibición del uso de este compuesto en detergentes. Como consecuencia, el compuesto ya no es comercialmente importante.

Arsénico y antimonio

El arsénico y el antimonio son ambos metaloides. Es decir, se comportan en ocasiones como metales y en ocasiones como no metales. El arsénico es un metal quebradizo de color gris plateado que se empaña cuando se expone al aire. Existe en dos formas alotrópicas: negro y amarillo. Su punto de fusión es de 817 ° C (1502 ° F) a 28 atmósferas de presión, y su punto de ebullición es de 613 ° C (1135 ° F), a cuya temperatura se sublima (pasa directamente del estado sólido al estado de vapor).

El antimonio también se presenta en dos formas alotrópicas: negro y amarillo. Es un sólido blanco plateado con un punto de fusión de 630 ° C (1170 ° F) y un punto de ebullición de 1635 ° C (2980 ° F). Tanto el arsénico como el antimonio se identificaron antes del nacimiento de la química moderna, al menos ya en el siglo XV.

El arsénico es un elemento relativamente poco común en la corteza terrestre, ocupando el puesto 51 en orden de abundancia. se produce comercialmente a partir del polvo de la combustión obtenido de las fundiciones de cobre y plomo (metales separados por fusión), ya que generalmente se produce en combinación con estos dos elementos.

El antimonio es mucho menos común en la corteza terrestre que arsénico, ocupando el puesto 62 entre los elementos. Se presenta con mayor frecuencia como el mineral estibina (sulfuro de antimonio), del cual se obtiene en una reacción con el hierro metálico.

Usos. El arsénico se emplea ampliamente en la producción de aleaciones (una mezcla de dos o más metales o un metal y un no metal) que se utilizan en perdigones, baterías, cubiertas de cables, tubos de calderas y tipos especiales de soldadura (una aleación metálica fundida que se utiliza para unir otras superficies metálicas). En una forma muy pura, es un componente esencial de muchos dispositivos electrónicos.Tradicionalmente, los compuestos de arsénico se han utilizado para matar ratas y otras plagas, aunque en gran medida ha sido reemplazado con ese propósito por otros productos.

El antimonio también es un elemento de aleación popular. Sus aleaciones se pueden encontrar en rodamientos de bolas, baterías, municiones, soldaduras, tipos de metal, tubos de chapa y otras aplicaciones. Su aplicación en tipo metal refleja una propiedad especialmente interesante: a diferencia de la mayoría de los materiales, el antimonio se expande a medida que se enfría y solidifica a partir de un líquido. Debido a ese hecho, el tipo de metal vertido en troqueles en forma de letras se expande a medida que se enfría para llenar todas las partes del troquel. Las letras formadas en este proceso tienen bordes nítidos y afilados.

Bismuto

El bismuto es un metal plateado típico con un interesante tinte rojizo. Tiene un punto de fusión de 271 ° C (520 ° F) y un punto de ebullición de 1560 ° C (2840 ° F). Es uno de los elementos más raros en la corteza terrestre, ocupando el puesto 69 de 75 elementos para los cuales se han hecho estimaciones. Se presenta más comúnmente como el mineral bismito (óxido de bismuto), bismutinita (sulfuro de bismuto) y bismutita (oxicarbonato de bismuto). . Al igual que el arsénico y el antimonio, el bismuto fue identificado ya en el siglo XV por los prequímicos conocidos como alquimistas.

Casi todo el bismuto producido comercialmente se utiliza para una de dos aplicaciones: en la producción de aleaciones u otros productos metálicos y en productos farmacéuticos. Algunas de sus aleaciones más interesantes son las que se funden a bajas temperaturas y que se pueden utilizar, por ejemplo, en sistemas de aspersión automática. trastorno cutáneo) y úlceras, y en la fabricación de polvos faciales.