Typpiperhe

Typpiperhe koostuu viidestä elementistä, jotka muodostavat jaksollisen järjestelmän ryhmän 15: typpi, fosfori, arseeni, antimoni ja vismutti. Näillä viidellä elementillä on yksi tärkeä rakenteellinen ominaisuus: niillä kaikilla on viisi elektronia atomiensa uloimmassa energiatasossa. Ne eroavat kuitenkin silmiinpistävästi toisistaan sekä fysikaalisten ominaisuuksien että kemiallisen käyttäytymisen suhteen. Typpi on ei-metallinen kaasu; fosfori on kiinteä epämetalli; arseeni ja antimoni ovat metalloideja; ja vismutti on tyypillinen metalli.

Typpi

Typpi on väritöntä, hajutonta, mautonta kaasua, jonka sulamispiste on -210 ° C (-346 ° F) ja kiehumispiste lämpötila -196 ° C (-320 ° F). Se on ilmakehän runsas elementti, joka muodostaa noin 78 tilavuusprosenttia maapalloa ympäröivästä ilmasta. Elementti on paljon harvinaisempi maapallon kuoressa, jossa se on kuitenkin runsaasti kolmannes kolmanneksessa (yhdessä galliumin kanssa). Tutkijoiden arvion mukaan keskimääräinen typpipitoisuus maankuoressa on noin 19 miljoonasosaa, vähemmän kuin neodyymi, lantaani, yttrium ja skandium, mutta suurempia kuin tunnettujen metallien kuten litium, uraani, volframi, hopea, elohopea ja platina.

Tärkeimmät luonnossa esiintyvät typpeä ovat pääasiassa Intiassa esiintyvä kaliumnitraatti (suolapeturi) ja natriumnitraatti (Chilen suolapitoinen aine), joita esiintyy pääasiassa autiomaassa Chilessä ja muualla Etelä-Amerikassa.Typpi on myös olennainen osa proteiineja, joita löytyy kaikista elävistä organismeista .

Luotto typen löytämisestä vuonna 1772 annetaan yleensä skotlantilaiselle lääkärille Daniel Rutherfordille (1749–1819). Kolme muuta tutkijaa, Henry Cavendish, Joseph Priestley ja Carl Scheele, voivat myös väittää löytäneensä ele suunnilleen samaan aikaan. Typpi tunnistettiin ensin jätetyksi tuotteeksi, kun aine poltettiin suljetussa ilmanäytteessä (joka poisti ilman happikomponentin).

Käyttää. Typen teollinen käyttö on lisääntynyt dramaattisesti viime vuosikymmeninä. Se on nyt toiseksi eniten tuotettu kemikaali Yhdysvalloissa. Sen vuotuinen tuotanto on noin 57 miljardia puntaa (26 miljardia kiloa).

Elementin tärkeimmät sovellukset riippuu sen kemiallisesta inertiteetistä (passiivisuudesta) .Sitä käytetään yleisesti peittävänä ilmakehänä metallurgisissa prosesseissa, joissa hapen läsnäolo olisi haitallista. Esimerkiksi raudan ja teräksen prosessoinnissa metallien yläpuolelle asetettu typpipeite estää niiden reagoi hapen kanssa, joka muodostaisi lopputuotteissa ei-toivottuja oksideja.

Säiliöiden, putkien ja muun tyyppisten säiliöiden puhdistus (sakan tai loukkuun joutuneen ilman tyhjentäminen) typellä voi myös estää tulipalojen mahdollisuuden. Esimerkiksi öljyteollisuudessa orgaanisten yhdisteiden käsittely ilman läsnä ollessa luo tulipalon – tulipalot, jotka voidaan välttää peittämällä reagoivat aineet puhtaalla typellä.

Typpiä käytetään myös elektronisen komponentin tuotanto nts. Tietokonepiirien ja muiden elektronisten laitteiden kokoaminen voi tapahtua kaikkien materiaalien ollessa upotettuina typpi-ilmakehään, mikä estää minkä tahansa käytössä olevan materiaalin hapettumisen. Typpiä käytetään usein suoja-aineena elintarvikkeiden prosessoinnissa, jotta hajoamista (hapettumista) ei tapahdu.

Toinen typen kriittinen käyttö on ammoniakin tuotannossa Haber-prosessilla, joka on nimetty keksijänsä mukaan , Saksalainen kemisti Fritz Haber (1868–1934). Haber-prosessi sisältää ammoniakin suoran synteesin sen alkuaineista – typestä ja vedystä. Nämä kaksi kaasua yhdistetään erityisolosuhteissa: (1) lämpötilan on oltava 500-700 ° C (2) paineen on oltava useita satoja ilmakehiä ja (3) katalysaattori (mikä nopeuttaa) kemialliset reaktiot), kuten hienojakoista nikkeliä. Yksi tällä menetelmällä tuotetun ammoniakin tärkeimmistä käyttötarkoituksista on synteettisten lannoitteiden tuotanto.

Noin kolmasosa kaikesta tuotetusta typestä käytetään nestemäisessä muodossa. Esimerkiksi nestemäistä typpeä käytetään pakastettaviin elintarvikkeisiin ja kuljetettavien elintarvikkeiden säilyttämiseen. Lisäksi nestemäisen typen erittäin alhaiset lämpötilat tekevät joistakin materiaaleista helpompia käsitellä. Esimerkiksi useimmat kumimuodot ovat liian pehmeitä ja taipuvia työstettäviksi huoneen lämpötilassa. Ne voidaan kuitenkin ensin jäähdyttää nestemäisessä typessä ja sitten käsitellä paljon jäykemmässä muodossa. Ne ovat ammoniakki (numero 6 vuonna 1990), typpihappo (numero 13 vuonna 1990) ja ammoniumnitraatti (numero 14 vuonna 1990). Kaikkia näitä kolmea yhdistettä käytetään laajasti maataloudessa synteettisinä lannoitteina. Esimerkiksi yli 80 prosenttia tuotetusta ammoniakista menee synteettisten lannoitteiden tuotantoon.

Maatalouden roolin lisäksi typpihappo on tärkeä raaka-aine räjähteiden tuotannossa. Trinitrotolueeni (TNT), ruuti, nitroglyseriini, dynamiitti ja savuton jauhe ovat kaikki esimerkkejä typpihaposta valmistetuista räjähteistä. Hieman yli 5 prosenttia tuotetusta typpihaposta käytetään myös nailonin valmistuksessa käytettyjen adipiinihapon ja vastaavien yhdisteiden synteesissä.

Fosfori

Fosforia on kolmessa allotrooppisessa muodossa (saman aineen fyysisesti tai kemiallisesti erilaiset muodot): valkoinen, punainen ja musta. Fosforin valkoinen muoto on erittäin aktiivinen, vahamainen kiinteä aine, joka syttyy itsestään palamaan ilmassa. Punainen fosfori on sitä vastoin punertavaa jauhetta, joka on suhteellisen inertti (inaktiivinen). Se ei syty palamaan, ellei sitä altisteta avotulelle. Fosforin sulamispiste on 44 ° C (111 ° F) ja sen kiehumispiste on 280 ° C (536 ° F). Se on maapallon kuoren yhdennentoista yleisimpiä elementtejä.

Fosforia esiintyy aina fosfaatin muodossa, yhdisteenä, joka koostuu fosforista, hapesta ja ainakin yhdestä muusta alkuaineesta. Ylivoimaisesti eniten Maapallon fosforilähde on mineraaliperhe, joka tunnetaan nimellä apatiitit. Apatiitit sisältävät fosforia, happea, kalsiumia ja halogeenia (klooria, fluoria, bromia tai jodia). Floridan osavaltio on maailman suurin fosforin tuottaja ja on vastuussa noin kolmanneksesta kaikesta maailmassa tuotetusta alkuaineesta. Sitä esiintyy kuitenkin kaikissa soluissa yhdisteiden muodossa, jotka ovat välttämättömiä koko elämän selviytymiselle. Hiilen ja typen tavoin fosfori kierrätetään ympäristön läpi. Mutta koska sillä ei ole yhteisiä kaasumaisia yhdisteitä, fosforikierto tapahtuu kokonaan maankuoren kiinteissä ja nestemäisissä (vesi) osissa.

Käyttö. Noin 95 prosenttia teollisuudessa käytetystä fosforista menee fosforiyhdisteiden tuotanto. Ylivoimaisesti tärkein näistä on fosforihappo, jonka osuus on noin 83 prosenttia teollisuuden koko fosforin käytöstä. Pienempi käyttö on turvatulppien valmistuksessa.

Fosforihappo Fosforihappo (H3PO4) kuuluu tyypillisesti noin seitsemänneksi Yhdysvalloissa eniten tuotettujen kemikaalien joukossa.Se muunnetaan erilaisiksi muodoiksi, joita kaikkia käytetään sitten synteettisten lannoitteiden valmistuksessa, mikä on noin 85 prosenttia Fosforihapon muita sovelluksia ovat saippuoiden ja pesuaineiden tuotanto, vedenkäsittely, metallien puhdistus ja ruostesuojaus, bensiinilisäaineiden valmistus ja eläinrehujen tuotanto.

Yhdessä aika, suuri määrät fosforihappoa muutettiin yhdisteeksi, joka tunnetaan nimellä natriumtripolyfosfaatti (STPP). STPP: tä puolestaan käytettiin synteettisten pesuaineiden valmistuksessa. Kun STPP vapautuu ympäristöön, se toimii kuitenkin levien ensisijaisena ravintoaineena vesimuodoissa, kuten lampissa ja järvissä. Laajojen leväkukintojen kasvu 1970- ja 1980-luvuilla fosfaattipäästöjen seurauksena johti lopulta tämän yhdisteen käytön pesuaineissa kieltoon. Tämän seurauksena yhdiste ei ole enää kaupallisesti tärkeä.

Arseeni ja antimoni

Arseeni ja antimoni ovat molemmat metalloideja. Toisin sanoen he käyttäytyvät toisinaan kuten metallit ja toisinaan kuin ei-metallit. Arseeni on hopeanharmaa hauras metalli, joka tahraantuu altistettaessa ilmalle. Se esiintyy kahdessa allotrooppisessa muodossa: mustana ja keltaisena. Sen sulamispiste on 817 ° C (1502 ° F) 28 ilmakehän paineessa ja kiehumispiste on 613 ° C (1135 ° F), jossa lämpötilassa se sublimoituu (kulkee suoraan kiinteästä aineesta höyrytilaan). / p>

Antimonia esiintyy myös kahdessa allotrooppisessa muodossa: mustana ja keltaisena. Se on hopeanvalkoinen kiinteä aine, jonka sulamispiste on 630 ° C (1170 ° F) ja kiehumispiste 1635 ° C (2980 ° F). Sekä arseeni että antimoni tunnistettiin ennen modernin kemian syntymää – ainakin jo 1500-luvulla.

Arseeni on suhteellisen harvinainen elementti maapallon kuoressa, sijoittuen numeroon 51 runsauden mukaan. tuotetaan tosiasiallisesti kaupallisesti kupari- ja lyijysulattimista (sulattamalla erotetut metallit) peräisin olevasta savupölystä, koska sitä esiintyy yleensä yhdessä näiden kahden elementin kanssa.

Antimoni on paljon harvinaisempi maapallon kuoressa kuin on arseeni, sijoittuen numero 62 alkuaineiden joukkoon. Se esiintyy useimmiten mineraalisena stibniteinä (antimonisulfidi), josta se saadaan reaktiossa rautametallin kanssa.

Käyttää. Arseenia käytetään laajalti metalliseosten (kahden tai useamman metallin tai metallin ja ei-metallin seoksen) tuotannossa, joita käytetään ammuissa, paristoissa, kaapelipäällysteissä, kattilaputkissa ja erityyppisissä juotoksissa (sulatettu metalliseos, jota käytetään liittymään yhteen) muut metallipinnat). Erittäin puhtaassa muodossaan se on olennainen osa monia elektronisia laitteita.Arseenin yhdisteitä on perinteisesti käytetty rottien ja muiden tuholaisten tappamiseen, vaikka se on suurelta osin korvattu tätä tarkoitusta varten muilla tuotteilla.

Antimoni on myös suosittu seosaine. Sen seoksia löytyy kuulalaakereista, paristoista, ampumatarvikkeista, juotoksesta, tyypin metallista, ohutputkesta ja muista sovelluksista. Sen käyttö tyypin metallissa heijastaa erityisen mielenkiintoista ominaisuutta: toisin kuin useimmat materiaalit, antimoni laajenee jäähtyessään ja kiinteytyessään nesteestä. Tämän vuoksi kirjeiden muotoisiin muotteihin kaadettu tyyppimetalli laajenee jäähtyessään täyttämään muotin kaikki osat. Tässä prosessissa muodostetuilla kirjeillä on selkeät, terävät reunat.

Vismutti

Vismutti on tyypillinen hopeanhohtoinen metalli, jolla on mielenkiintoinen punertava sävy. Sen sulamispiste on 271 ° C (520 ° F) ja kiehumispiste 1560 ° C (2840 ° F). Se on yksi harvinaisimmista maapallon kuoren osista, sijoittuen 69: een 75: stä elementistä, joille on tehty arvioita. Sitä esiintyy yleisimmin mineraalivismitinä (vismuttioksidi), vismutiniittina (vismuttisulfidi) ja vismutiittina (vismuttioksikarbonaatti). Kuten arseeni ja antimoni, myös alkemisteina tunnetut esikemistit tunnistivat vismuttin jo 1500-luvulla.

Lähes kaikkea kaupallisesti tuotettua vismuttia käytetään yhdessä kahdesta sovelluksesta: tuotannossa seosten tai muiden metallituotteiden sekä farmaseuttisten tuotteiden joukossa. Jotkut sen mielenkiintoisimmista seoksista ovat sulavia alhaisissa lämpötiloissa ja joita voidaan käyttää esimerkiksi automaattisissa sprinklerijärjestelmissä. Vismuttiyhdisteitä käytetään vatsavaivojen, ekseeman ( ihosairaus), ja haavaumat, ja jauheiden valmistuksessa.