Famiglia dellazoto

La famiglia dellazoto è costituita dai cinque elementi che compongono il Gruppo 15 della tavola periodica: azoto, fosforo, arsenico, antimonio e bismuto. Questi cinque elementi condividono unimportante proprietà strutturale: hanno tutti cinque elettroni nel livello di energia più esterno dei loro atomi. Tuttavia, sono sorprendentemente diversi luno dallaltro sia per le proprietà fisiche che per il comportamento chimico. Lazoto è un gas non metallico; il fosforo è un solido non metallico; larsenico e lantimonio sono metalloidi; e il bismuto è un metallo tipico.

Azoto

Lazoto è un gas incolore, inodore e insapore con un punto di fusione di -210 ° C (-346 ° F) e un punto di ebollizione di −196 ° C (−320 ° F). È lelemento più abbondante nellatmosfera, costituendo circa il 78 percento in volume dellaria che circonda la Terra. Lelemento è molto meno comune nella crosta terrestre, tuttavia, dove si colloca al trentatreesimo (insieme al gallio) in abbondanza. Gli scienziati stimano che la concentrazione media di azoto nelle rocce crostali sia di circa 19 parti per milione, inferiore a quella di elementi come neodimio, lantanio, ittrio e scandio, ma maggiore di quella di metalli ben noti come litio, uranio, tungsteno, argento, mercurio e platino.

I composti naturali più importanti di lazoto è il nitrato di potassio (salnitro), che si trova principalmente in India, e il nitrato di sodio (salnitro del Cile), che si trova principalmente nelle regioni desertiche del Cile e in altre parti del Sud America. Lazoto è anche un componente essenziale delle proteine presenti in tutti gli organismi viventi .

Il merito della scoperta dellazoto nel 1772 viene solitamente attribuito al medico scozzese Daniel Rutherford (1749-1819). Altri tre scienziati, Henry Cavendish, Joseph Priestley e Carl Scheele, potrebbero anche affermare di aver scoperto lele circa nello stesso momento. Lazoto è stato identificato per la prima volta come il prodotto lasciato quando una sostanza viene bruciata in un campione chiuso di aria (che ha rimosso la componente ossigeno dellaria).

Usi. Gli usi industriali dellazoto sono aumentati notevolmente negli ultimi decenni. Attualmente si classifica come la seconda sostanza chimica più ampiamente prodotta negli Stati Uniti

con una produzione annuale di circa 57 miliardi di libbre (26 miliardi di chilogrammi).

Le applicazioni più importanti dellelemento dipendono dalla sua inerzia chimica (inattività). È ampiamente utilizzato come atmosfera di mantello nei processi metallurgici dove la presenza di ossigeno sarebbe nociva. Nella lavorazione del ferro e dellacciaio, ad esempio, una coltre di azoto posta sopra i metalli ne impedisce reagire con lossigeno, che formerebbe ossidi indesiderati nei prodotti finali.

Anche lo spurgo (liberazione di sedimenti o aria intrappolata) di serbatoi, tubi e altri tipi di contenitori con azoto può prevenire la possibilità di incendi . Nellindustria petrolifera, ad esempio, il trattamento di composti organici in presenza di aria crea il potenziale di incendi, che possono essere evitati coprendo i reagenti con azoto puro.

Lazoto è anche usato la produzione di componenti elettronici nts. Lassemblaggio di chip per computer e altri dispositivi elettronici può avvenire con tutti i materiali immersi in unatmosfera di azoto, prevenendo lossidazione di qualsiasi materiale in uso. Lazoto è spesso usato come agente protettivo durante la lavorazione degli alimenti in modo che non si verifichi il decadimento (ossidazione).

Un altro uso critico dellazoto è nella produzione di ammoniaca mediante il processo Haber, dal nome del suo inventore , Chimico tedesco Fritz Haber (1868-1934). Il processo Haber prevede la sintesi diretta dellammoniaca dai suoi elementi: azoto e idrogeno. I due gas vengono combinati in condizioni specifiche: (1) la temperatura deve essere compresa tra 500 e 700 ° C (da 900 a 1300 ° F), (2) la pressione deve essere di diverse centinaia di atmosfere e (3) un catalizzatore (qualcosa che accelera up reazioni chimiche) come il nichel finemente suddiviso deve essere presente. Uno degli usi principali dellammoniaca prodotta con questo metodo è nella produzione di fertilizzanti sintetici.

Circa un terzo di tutto lazoto prodotto viene utilizzato nella sua forma liquida. Ad esempio, lazoto liquido viene utilizzato per il congelamento rapido degli alimenti e per la conservazione degli alimenti in transito. Inoltre, le temperature molto basse dellazoto liquido rendono alcuni materiali più facili da maneggiare. Ad esempio, la maggior parte delle forme di gomma sono troppo morbide e flessibili per la lavorazione a temperatura ambiente. Possono, tuttavia, essere prima raffreddati in azoto liquido e poi trattati in una forma molto più rigida.

Tre composti dellazoto sono anche commercialmente importanti e tradizionalmente si collocano tra le prime 25 sostanze chimiche prodotte negli Stati Uniti. Sono ammoniaca (numero 6 nel 1990), acido nitrico (numero 13 nel 1990) e nitrato di ammonio (numero 14 nel 1990). Tutti e tre questi composti sono ampiamente utilizzati in agricoltura come fertilizzanti sintetici. Più dell80% dellammoniaca prodotta, ad esempio, va alla produzione di fertilizzanti sintetici.

Oltre al suo ruolo agricolo, lacido nitrico è unimportante materia prima nella produzione di esplosivi. Trinitrotoluene (TNT), polvere da sparo, nitroglicerina, dinamite e polvere senza fumo sono tutti esempi del tipo di esplosivo a base di acido nitrico. Poco più del 5% dellacido nitrico prodotto viene anche utilizzato nella sintesi dellacido adipico e dei relativi composti utilizzati nella produzione del nylon.

Fosforo

Il fosforo esiste in tre forme allotropiche (forme fisicamente o chimicamente diverse della stessa sostanza): bianco, rosso e nero. La forma bianca del fosforo è un solido ceroso altamente attivo che prende fuoco spontaneamente se esposto allaria. Al contrario, il fosforo rosso è una polvere rossastra relativamente inerte (inattiva). Non prende fuoco se non esposto a fiamme libere. Il punto di fusione del fosforo è 44 ° C (111 ° F) e il suo punto di ebollizione è 280 ° C (536 ° F). È lundicesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre.

Il fosforo si presenta sempre sotto forma di fosfato, un composto costituito da fosforo, ossigeno e almeno un altro elemento. Di gran lunga il più abbondante La fonte di fosforo sulla Terra è una famiglia di minerali noti come apatiti. Le apatiti contengono fosforo, ossigeno, calcio e un alogeno (cloro, fluoro, bromo o iodio). Lo stato della Florida è il più grande produttore mondiale di fosforo ed è responsabile di circa un terzo di tutti gli elementi prodotti nel mondo.

Il fosforo è presente anche in tutti gli organismi viventi, soprattutto nelle ossa, nei denti, nel corno e in materiali simili. Si trova in tutte le cellule, tuttavia, sotto forma di composti essenziali per la sopravvivenza di tutta la vita. Come il carbonio e lazoto, il fosforo viene riciclato nellambiente. Ma poiché non ha composti gassosi comuni, il ciclo del fosforo si verifica interamente allinterno delle porzioni solide e liquide (acqua) della crosta terrestre.

Usi. Circa il 95% di tutto il fosforo utilizzato nellindustria va a la produzione di composti di fosforo. Di gran lunga il più importante di questi è lacido fosforico, che rappresenta circa l83% di tutto luso di fosforo nellindustria. Un uso minore è nella produzione di fiammiferi di sicurezza.

Acido fosforico . Lacido fosforico (H3PO4) è tipicamente al numero sette tra le sostanze chimiche più ampiamente prodotte negli Stati Uniti. Viene convertito in una varietà di forme, che vengono poi utilizzate nella produzione di fertilizzanti sintetici, rappresentando circa l85% tutto lacido prodotto. Altre applicazioni dellacido fosforico includono la produzione di saponi e detergenti, il trattamento dellacqua, la pulizia e lantiruggine dei metalli, la produzione di additivi per benzina e la produzione di alimenti per animali.

tempo, grande quantità di acido fosforico sono state convertite in un composto noto come tripolifosfato di sodio (STPP). STPP, a sua volta, è stato utilizzato nella produzione di detergenti sintetici. Quando lSTPP viene rilasciato nellambiente, tuttavia, funge da nutriente principale per le alghe nei corpi idrici come stagni e laghi. La crescita di enormi fioriture algali negli anni 70 e 80 a seguito degli scarichi di fosfati ha portato alla fine a vietare luso di questo composto nei detergenti. Di conseguenza, il composto non è più commercialmente importante.

Arsenico e antimonio

Arsenico e antimonio sono entrambi metalloidi. Cioè, a volte si comportano come metalli ea volte come non metalli. Larsenico è un metallo fragile grigio argento che si appanna se esposto allaria. Esiste in due forme allotropiche: nera e gialla. Il suo punto di fusione è 817 ° C (1502 ° F) a 28 atmosfere di pressione e il suo punto di ebollizione è 613 ° C (1135 ° F), a cui la temperatura sublima (passa direttamente dallo stato solido allo stato vapore).

Lantimonio si presenta anche in due forme allotropiche: nera e gialla. È un solido bianco-argento con un punto di fusione di 630 ° C (1170 ° F) e un punto di ebollizione di 1635 ° C (2980 ° F). Sia larsenico che lantimonio sono stati identificati prima della nascita della chimica moderna, almeno già nel XV secolo.

Larsenico è un elemento relativamente raro nella crosta terrestre, classificato al 51 ° posto in ordine di abbondanza. è effettivamente prodotto commercialmente dalla polvere dei fumi ottenuta dalle fonderie di rame e piombo (metalli separati per fusione) poiché generalmente si trova in combinazione con questi due elementi.

Lantimonio è molto meno comune nella crosta terrestre di quanto non lo sia. arsenico, numero 62 in classifica tra gli elementi. Si presenta più spesso come il minerale stibnite (solfuro di antimonio), da cui si ottiene in una reazione con ferro metallico.

Usi. Larsenico è ampiamente impiegato nella produzione di leghe (una miscela di due o più metalli o un metallo e un non metallo) utilizzate in pallini, batterie, rivestimenti per cavi, tubi di caldaie e tipi speciali di saldatura (una lega metallica fusa usata per unire insieme altre superfici metalliche). In una forma molto pura, è un componente essenziale di molti dispositivi elettronici.Tradizionalmente, i composti dellarsenico sono stati usati per uccidere i ratti e altri parassiti, sebbene a tale scopo sia stato ampiamente sostituito da altri prodotti.

Lantimonio è anche un popolare elemento di lega. Le sue leghe possono essere trovate in cuscinetti a sfera, batterie, munizioni, saldature, tipo di metallo, tubi in lamiera e altre applicazioni. La sua applicazione nel tipo metallo riflette una proprietà particolarmente interessante: a differenza della maggior parte dei materiali, lantimonio si espande quando si raffredda e si solidifica da un liquido. Per questo motivo, il tipo di metallo versato negli stampi a forma di lettere si espande mentre si raffredda per riempire tutte le parti dello stampo. Le lettere formate in questo processo hanno bordi chiari e affilati.

Bismuto

Il bismuto è un tipico metallo argenteo con uninteressante sfumatura rossastra. Ha un punto di fusione di 271 ° C (520 ° F) e un punto di ebollizione di 1560 ° C (2840 ° F). È uno degli elementi più rari nella crosta terrestre, classificandosi al 69 ° posto su 75 elementi per i quali sono state fatte stime. Si presenta più comunemente come il minerale bismite (ossido di bismuto), bismutinite (solfuro di bismuto) e bismutite (ossicarbonato di bismuto) . Come larsenico e lantimonio, il bismuto fu identificato già nel XV secolo dai pre-chimici noti come alchimisti.

Quasi tutto il bismuto prodotto commercialmente viene utilizzato per una delle due applicazioni: nella produzione di leghe o altri prodotti metallici e nei prodotti farmaceutici. Alcune delle sue leghe più interessanti sono quelle che fondono a basse temperature e che possono essere utilizzate, ad esempio, in sistemi automatici di irrigazione. I composti di bismuto sono usati per trattare disturbi di stomaco, eczema (a malattia della pelle), ulcere e nella produzione di ciprie.