Nitrogéncsalád

A nitrogéncsalád a periódusos rendszer 15. csoportját alkotó öt elemből áll: nitrogén, foszfor, arzén, antimon és bizmut. Ennek az öt elemnek egyetlen fontos szerkezeti tulajdonsága van: mindegyiknek öt elektronja van atomjaik legkülső energiaszintjén. Ennek ellenére mind fizikai tulajdonságaik, mind kémiai viselkedésük szempontjából feltűnően különböznek egymástól. A nitrogén nemfém gáz; a foszfor szilárd nemfém; az arzén és az antimon metalloidok; és a bizmut egy tipikus fém.

Nitrogén

A nitrogén színtelen, szagtalan, íztelen gáz, amelynek olvadáspontja -210 ° C (-346 ° F) és forráspontja -196 ° C (-320 ° F). Ez a légkör legelterjedtebb eleme, amely a Földet körülvevő levegő térfogatának körülbelül 78 százalékát teszi ki. Az elem sokkal ritkábban fordul elő a Föld kérgében, ahol azonban a harmincharmad részét (a galliummal együtt) foglalja el. A tudósok becslése szerint a kéreg kőzeteiben az átlagos nitrogénkoncentráció körülbelül 19 millió / millió, kevesebb, mint a olyan elemek, mint a neodímium, a lantán, az ittrium és a skandium, de nagyobbak, mint a jól ismert fémeké, mint például a lítium, urán, volfrám, ezüst, higany és platina.

A legfontosabb természetes vegyületek a nitrogén a kálium-nitrát (salétrom), elsősorban Indiában található, és a nátrium-nitrát (chilei salétrom), elsősorban Chile sivatagi régióiban és Dél-Amerika más részein található. A nitrogén az összes élő szervezetben megtalálható fehérjék nélkülözhetetlen alkotóeleme .

A nitrogén felfedezését 1772-ben általában Daniel Rutherford (1749–1819) skót orvos kapja. Három másik tudós, Henry Cavendish, Joseph Priestley és Carl Scheele is állíthatná, hogy felfedezte az ele nagyjából ugyanabban az időben. A nitrogént először a maradék termékként azonosították, amikor az anyagot egy zárt levegőmintában elégették (amely eltávolította a levegő oxigénkomponensét).

Használatok. Az elmúlt néhány évtizedben a nitrogén ipari felhasználása drámai módon megnőtt. Most az Egyesült Államokban a második legszélesebb körben előállított vegyi anyag

, amelynek éves termelése körülbelül 57 milliárd font (26 milliárd kilogramm).

Az elem legfontosabb alkalmazásai kémiai tehetetlenségétől (inaktivitásától) függenek. Széles körben alkalmazzák takaró atmoszféraként a kohászati folyamatokban, ahol az oxigén jelenléte káros lehet. A vas és acél feldolgozásakor például a fémek fölé helyezett nitrogéntakaró megakadályozza azok oxigénnel reagálva, amely nemkívánatos oxidokat képezne a végtermékekben.

A tartályok, csövek és más típusú tartályok nitrogénnel történő öblítése (üledék vagy csapdába eső levegő felszabadítása) megakadályozhatja a tűzesetek lehetőségét is . A kőolajiparban például a szerves vegyületek levegő jelenlétében történő feldolgozása tűzveszélyt jelent – olyan tüzeket, amelyek elkerülhetők a reagensek tiszta nitrogénnel történő bevonásával.

A nitrogént is használják elektronikus kompon gyártása nts. A számítógépes chipek és más elektronikus eszközök összeszerelése úgy történhet, hogy az összes anyag nitrogénatmoszférába merül, megakadályozva a felhasznált anyagok bármelyikének oxidációját. A nitrogént gyakran használják védőszerként az élelmiszerek feldolgozása során, így a bomlás (oxidáció) nem következik be.

A nitrogén másik kritikus felhasználása az ammónia előállítása a feltalálóról elnevezett Haber-eljárással. , Fritz Haber (1868–1934) német vegyész. A Haber-folyamat magában foglalja az ammónia közvetlen szintézisét elemeiből – nitrogénből és hidrogénből. A két gázt meghatározott körülmények között kombinálják: (1) a hőmérsékletnek 500–700 ° C-nak (900–1300 ° F) kell lennie, (2) a nyomásnak több száz atmoszférának kell lennie, és (3) egy katalizátornak (ami gyorsul) kémiai reakciók), például finom eloszlású nikkelnek kell jelen lennie. Az ezzel a módszerrel előállított ammónia egyik fő felhasználása a szintetikus műtrágyák előállítása.

Az összes termelt nitrogén körülbelül egyharmadát folyékony formában használják fel. Például a folyékony nitrogént az élelmiszerek gyorsfagyasztására és a szállítás közbeni élelmiszerek tartósítására használják. Ezenkívül a folyékony nitrogén nagyon alacsony hőmérséklete megkönnyíti egyes anyagok kezelését. Például a gumi legtöbb formája túl puha és hajlékony szobahőmérsékleten történő megmunkáláshoz. Ezeket azonban először folyékony nitrogénben lehűtik, majd sokkal merevebb formában kezelhetik őket.

Három nitrogénvegyület szintén kereskedelmi szempontból fontos, és hagyományosan az Egyesült Államokban előállított 25 legjobb vegyszer közé tartozik. Ezek ammónia (1990-ben 6-os szám), salétromsav (1990-ben 13-as szám) és ammónium-nitrát (1990-ben 14-es szám). Mindhárom vegyületet széles körben használják a mezőgazdaságban szintetikus műtrágyaként. A megtermelt ammónia több mint 80 százaléka például szintetikus műtrágyák előállítására fordul.

Mezőgazdasági szerepe mellett a salétromsav fontos alapanyag a robbanóanyagok előállításában. A trinitrotoluol (TNT), a puskapor, a nitroglicerin, a dinamit és a füst nélküli por mind a salétromsavból előállított robbanóanyagok példái. Az előállított salétromsav valamivel több mint 5 százalékát felhasználják az adipinsav és a nejlon gyártásához használt rokon vegyületek szintézisében is.

Foszfor

A foszfor három allotróp formában létezik (ugyanazon anyag fizikailag vagy kémiailag különböző formái): fehér, vörös és fekete. A foszfor fehér formája rendkívül aktív, viaszos szilárd anyag, amely levegő hatására spontán lángra lobban. Ezzel szemben a vörös foszfor egy vöröses por, amely viszonylag inert (inaktív). Csak akkor gyullad ki, ha nyílt láng érte. A foszfor olvadáspontja 44 ° C (111 ° F), forráspontja 280 ° C (536 ° F). Ez a tizenegyedik leggyakoribb elem a Föld kérgében.

A foszfor mindig foszfát, foszforból, oxigénből és legalább még egy elemből álló vegyület formájában fordul elő. Messze a legelterjedtebb A foszfor forrása a Földön az ásványi anyagok családja, az apatitok néven ismert. Az apatitok foszfort, oxigént, kalciumot és halogént (klór, fluor, bróm vagy jód) tartalmaznak. Florida állam a világ legnagyobb foszfortermelője és a világon termelődő elemek körülbelül egyharmadáért felelős.

A foszfor minden élő szervezetben is előfordul, leginkább a csontokban, a fogakban, a szarvban és hasonló anyagokban. Minden sejtben megtalálható, azonban az egész élet túléléséhez elengedhetetlen vegyületek formájában. A szénhöz és a nitrogénhez hasonlóan a foszfor is körbe kering a környezetben. De mivel nincsenek közös gáznemű vegyületei, a foszforkörforgás teljes egészében a Föld kérgének szilárd és folyékony (víz) részeiben megy végbe.

Felhasználások. Az iparban használt foszfor körülbelül 95 százaléka foszforvegyületek előállítása. Ezek közül messze a legfontosabb a foszforsav, amely az iparban az összes foszforfelhasználás körülbelül 83% -át teszi ki. Kisebb jelentőségű a biztonsági gyufák gyártása.

Foszforsav . A foszforsav (H3PO4) általában a hetedik helyet foglalja el az Egyesült Államokban legáltalánosabban előállított vegyi anyagok között. Különböző formákká alakul, amelyeket azután a szintetikus műtrágya gyártásához használnak fel, ami a A foszforsav egyéb alkalmazásai közé tartozik a szappanok és mosószerek előállítása, a vízkezelés, a fémek tisztítása és rozsdamentesítése, a benzin-adalékanyagok gyártása és az állati takarmányok előállítása.

Egyben idő, nagy mennyiségű foszforsavat alakítottunk át nátrium-tripolifoszfát (STPP) néven ismert vegyületté. Az STPP-t viszont szintetikus mosószerek gyártásához használták. Amikor az STPP a környezetbe kerül, ez az elsődleges tápanyag az algák számára a víztestekben, például tavakban és tavakban. Az 1970-es és 1980-as években az óriási algavirágzás növekedése a foszfátkibocsátás eredményeként végül betiltotta ennek a vegyületnek a mosószerekben való alkalmazását. Ennek következtében a vegyület már nem kereskedelmi szempontból fontos.

Az arzén és az antimon

Az arzén és az antimon egyaránt metalloid. Vagyis időnként úgy viselkednek, mint a fémek, időnként pedig a nemfémek. Az arzén ezüstszürke, törékeny fém, amely levegő hatására elcsúnyul. Két allotrop formában létezik: fekete és sárga. Olvadáspontja 2817 atmoszféra nyomáson 817 ° C (1502 ° F), forráspontja 613 ° C (1135 ° F), amely hőmérsékleten szublimálódik (közvetlenül a szilárd anyagból a gőzállapotba kerül). / p>

Az antimon két allotrop formában is előfordul: fekete és sárga. Ezüstfehér szilárd anyag, olvadáspontja 630 ° C (1170 ° F) és forráspontja 1635 ° C (2980 ° F). Az arzént és az antimonot a modern kémia születése előtt – legalábbis a XV. Században – azonosították.

Az arzén a Föld kérgében viszonylag ritka elem, a bőség sorrendjében az 51. helyet foglalja el. tulajdonképpen a rézből és ólomolvasztókból (olvadással elválasztott fémek) nyert füstgázporból származik, mivel általában e két elemmel együtt fordul elő.

Az antimon sokkal ritkábban fordul elő a Föld kérgében, mint általában arzén, a 62. helyet foglalja el az elemek között. Leggyakrabban ásványi sztibnitként (antimon-szulfid) fordul elő, amelyből a vasfémmel való reakció során nyerik.

Felhasználások. Az arzént széles körben használják ötvözetek (két vagy több fém keveréke vagy egy fém és nemfém keveréke) gyártásához, amelyeket lövésekben, akkumulátorokban, kábelburkolatokban, kazáncsövekben és speciális forrasztásokban (olvadt fémötvözetet kötnek össze) gyártanak egyéb fémes felületek). Nagyon tiszta formában számos elektronikai eszköz nélkülözhetetlen eleme.Hagyományosan arzénvegyületeket használtak patkányok és más kártevők elpusztítására, bár ezt a célt nagyrészt más termékek helyettesítették.

Az antimon szintén népszerű ötvözőelem. Ötvözetei megtalálhatók golyóscsapágyakban, elemekben, lőszerekben, forrasztókban, típusú fémekben, lemezcsövekben és más alkalmazásokban. Fém típusú alkalmazása különösen érdekes tulajdonságot tükröz: a legtöbb anyaggal ellentétben az antimon tágul, miközben folyadékból hűl és megszilárdul. Emiatt a matricákba öntött betű alakú fém kitágul, miközben hűl és megtölti a szerszám összes részét. Az ebben a folyamatban képződött betűknek világos, éles élei vannak.

Bizmut

A bizmut tipikus ezüstös fém, érdekes vöröses árnyalattal. Olvadáspontja 271 ° C (520 ° F), forráspontja 1560 ° C (2840 ° F). Ez a Föld kérgének egyik legritkább eleme, 69-et rangsorol a 75 elem közül, amelyre becsléseket készítettek. Leggyakrabban ásványi bizmutként (bizmut-oxid), bizmutitinként (bizmut-szulfid) és bizmutként (bizmut-oxikarbonát) fordul elő . Az arzénhoz és az antimonhoz hasonlóan a bizmutot már a XV. Században azonosították az alkimisták néven ismert elővegyészek.

A kereskedelemben előállított bizmutot majdnem az összeset felhasználják a két alkalmazás egyikére: a gyártásban ötvözetek vagy más fémet termékek és gyógyszerek. Legérdekesebb ötvözetei azok, amelyek alacsony hőmérsékleten olvadnak meg, és amelyeket például automatikus öntözőberendezésekben lehet használni. A bizmut vegyületeit gyomorpanaszok, ekcéma ( bőrbetegség) és fekélyek, valamint az arcporok gyártása során.