窒素ファミリー

窒素ファミリーは、周期表のグループ15を構成する5つの元素、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、ビスマスで構成されています。これらの5つの元素は、1つの重要な構造特性を共有しています。それらはすべて、原子の最も外側のエネルギーレベルに5つの電子を持っています。それにもかかわらず、それらは物理的性質と化学的挙動の両方で互いに著しく異なっています。窒素は非金属ガスです。リンは固体の非金属です。ヒ素とアンチモンは半金属です。ビスマスは典型的な金属です。

窒素

窒素は無色、無臭、無味のガスで、融点は-210°C（-346°F）、沸点は-210°Cです。 -196°C（-320°F）の。これは大気中で最も豊富な元素であり、地球を取り巻く空気の約78体積パーセントを占めています。この元素は地球の地殻ではあまり一般的ではありませんが、豊富にあると33番目にランクされています。科学者は、地殻の岩石中の窒素の平均濃度は約19パーツパーミリオンであり、それよりも少ないと推定しています。ネオジム、ランタン、イットリウム、スカンジウムなどの元素ですが、リチウム、ウラン、タングステン、銀、水銀、プラチナなどのよく知られた金属よりも大きいです。

最も重要な天然に存在する化合物窒素は、主にインドで見られる硝酸カリウム（saltpeter）と、主にチリの砂漠地帯や南アメリカの他の地域で見られる硝酸ナトリウム（Chile saltpeter）です。窒素は、すべての生物に見られるタンパク質の必須成分でもあります。 。

1772年に窒素を発見したことに対するクレジットは、通常、スコットランドの医師ダニエルラザフォード（1749–1819）に与えられます。他の3人の科学者、ヘンリーキャベンディッシュ、ジョセフプリーストリー、カールシーレも発見したと主張できます。エレほぼ同時に。窒素は、物質が空気の閉じたサンプル（空気の酸素成分を除去した）で燃焼したときに残された生成物として最初に特定されました。

用途。窒素の産業利用は過去数十年で劇的に増加しました。現在、米国で2番目に広く生産されている化学物質としてランク付けされています

年間生産量は約570億ポンド（260億キログラム）です。

この元素の最も重要な用途不活性（不活性）に依存します。酸素の存在が有害となる冶金プロセスのブランケット雰囲気として広く使用されています。たとえば、鉄や鋼の処理では、金属の上に配置された窒素のブランケットがそれらを防ぎます。酸素と反応すると、最終製品に望ましくない酸化物が形成されます。

タンク、パイプ、その他の種類の容器を窒素でパージ（沈殿物や閉じ込められた空気を取り除く）することで、火災の可能性を防ぐこともできます。 。たとえば、石油産業では、空気の存在下で有機化合物を処理すると、火災が発生する可能性があります。火災は、反応物を純粋な窒素で覆うことで回避できます。

窒素は電子コンポーネの製造nts。コンピュータチップやその他の電子機器の組み立ては、すべての材料を窒素雰囲気に沈めた状態で行うことができ、使用中の材料の酸化を防ぎます。窒素は、腐敗（酸化）が起こらないように食品の加工中に保護剤としてよく使用されます。

窒素のもう1つの重要な用途は、発明者にちなんで名付けられたハーバープロセスによるアンモニアの生成です。 、ドイツの化学者フリッツハーバー（1868–1934）。ハーバープロセスでは、窒素と水素という元素からアンモニアを直接合成します。 2つのガスは、特定の条件下で組み合わされます。（1）温度は500〜700°C（900〜1300°F）である必要があり、（2）圧力は数百気圧である必要があり、（3）触媒（速度を上げるもの）細かく分割されたニッケルなどの化学反応が存在する必要があります。この方法で生成されるアンモニアの主な用途の1つは、合成肥料の製造です。

生成される全窒素の約3分の1は、液体の形で使用されます。たとえば、液体窒素は、食品の急速冷凍や輸送中の食品の保存に使用されます。さらに、液体窒素の温度が非常に低いため、一部の材料は取り扱いが容易になります。たとえば、ほとんどの形態のゴムは、室温での機械加工には柔らかすぎて柔軟性があります。ただし、最初に液体窒素で冷却してから、はるかに堅固な形で取り扱うことができます。

窒素の3つの化合物も商業的に重要であり、伝統的に米国で生産される化学物質の上位25位にランクされています。それらは、アンモニア（1990年に6番）、硝酸（1990年に13番）、および硝酸アンモニウム（1990年に14番）です。これら3つの化合物はすべて、合成肥料として農業で広く使用されています。たとえば、生成されたアンモニアの80％以上が、合成肥料の生産に使用されます。

その農業的役割に加えて、硝酸は爆発物の生産における重要な原料です。トリニトロトルエン（TNT）、火薬、ニトログリセリン、ダイナマイト、および無煙火薬はすべて、硝酸から作られた種類の爆発物の例です。生成された硝酸の5％強は、ナイロンの製造に使用されるアジピン酸および関連化合物の合成にも使用されます。

リン

リンは3つの同素体で存在します（同じ物質の物理的または化学的に異なる形態）：白、赤、および黒。リンの白い形は、空気にさらされると自然に発火する非常に活性の高いワックス状の固体です。対照的に、赤リンは比較的不活性（不活性）な赤みがかった粉末です。直火にさらさないと発火しません。リンの融点は44°C（111°F）で、沸点は280°C（536°F）です。これは、地球の地殻で11番目に豊富な元素です。

リンは常にリン酸塩、リン、酸素、および少なくとももう1つの元素からなる化合物の形で発生します。これまでで最も豊富な元素です。地球上のリンの供給源は、アパタイトと呼ばれる鉱物のファミリーです。アパタイトには、リン、酸素、カルシウム、およびハロゲン（塩素、フッ素、臭素、またはヨウ素）が含まれています。フロリダ州は、世界最大のリン生産国です。そして、世界で生産されるすべての元素の約3分の1を占めています。

リンは、すべての生物にも発生し、骨、歯、角などの物質に最も多く含まれています。しかし、それはすべての細胞に見られ、すべての生命の生存に不可欠な化合物の形で見られます。炭素や窒素と同様に、リンは環境を循環します。しかし、一般的なガス状化合物がないため、リン循環は完全に地球の地殻の固体および液体（水）部分で発生します。

用途。産業で使用されるすべてのリンの約95％はリン化合物の生産。これらの中で最も重要なのはリン酸であり、これは産業で使用されるすべてのリンの約83％を占めます。マイナーな用途は安全マッチの製造です。

リン酸。リン（H3PO4）は通常、米国で最も広く生産されている化学物質の中で約7位にランクされています。さまざまな形態に変換され、そのすべてが合成肥料の製造に使用され、その約85％を占めています。リン酸の他の用途には、石鹸と洗剤の製造、水処理、金属の洗浄と防錆、ガソリン添加剤の製造、動物飼料の製造などがあります。

時間、大きいある量のリン酸は、トリポリリン酸ナトリウム（STPP）として知られる化合物に変換されました。次に、STPPは合成洗剤の製造に使用されました。ただし、STPPが環境に放出されると、池や湖などの水域の藻類の主要な栄養素として機能します。リン酸塩の排出の結果としての1970年代と1980年代の巨大なアオコの成長は、最終的に洗剤でのこの化合物の使用の禁止につながりました。結果として、この化合物はもはや商業的に重要ではありません。

ヒ素とアンチモン

ヒ素とアンチモンは両方とも半金属です。つまり、金属のように振る舞うこともあれば、非金属のように振る舞うこともあります。ヒ素は銀灰色の脆い金属で、空気に触れると変色します。黒と黄色の2つの同素体で存在します。その融点は28気圧で817°C（1502°F）であり、その沸点は613°C（1135°F）であり、その温度で昇華します（固体から蒸気状態に直接移行します）。

アンチモンは、黒と黄色の2つの同素体でも発生します。これは、融点が630°C（1170°F）、沸点が1635°C（2980°F）の銀白色の固体です。ヒ素とアンチモンはどちらも、現代の化学が誕生する前、少なくとも15世紀には特定されていました。

ヒ素は地球の地殻では比較的珍しい元素であり、存在量の順に51位にランクされています。は、銅と鉛の精錬所（溶融によって分離された金属）から得られる煙道ダストから実際に商業的に生産されています。これは、一般にこれら2つの元素と組み合わせて発生するためです。

アンチモンは、地球の地殻では一般的ではありません。砒素、元素の中で62位。最も頻繁に発生するのは鉱物輝安鉱（硫化アンチモン）で、鉄金属との反応で得られます。

用途。ヒ素は、ショット、バッテリー、ケーブルカバー、ボイラーチューブ、および特殊な種類のはんだ（互いに結合するために使用される溶融金属合金）に使用される合金（2つ以上の金属または金属と非金属の混合物）の製造に広く使用されています他の金属表面）。非常に純粋な形で、それは多くの電子機器の不可欠なコンポーネントです。伝統的に、ヒ素の化合物はネズミや他の害虫を殺すために使用されてきましたが、その目的のために他の製品に大部分が置き換えられました。

アンチモンも人気のある合金元素です。その合金は、ボールベアリング、バッテリー、弾薬、はんだ、活字合金、板金、およびその他の用途に使用されています。活字合金への応用は、特に興味深い特性を反映しています。ほとんどの材料とは異なり、アンチモンは冷却されて液体から固化するにつれて膨張します。そのため、ダイに文字の形で注入された活字合金は、冷却されると膨張してダイのすべての部分を満たします。このプロセスで形成された文字には、はっきりとした鋭いエッジがあります。

ビスマス

ビスマスは、興味深い赤みがかった典型的な銀色の金属です。融点は271°C（520°F）、沸点は1560°C（2840°F）です。これは、地球の地殻で最も希少な元素の1つであり、推定が行われた75の元素のうち69にランク付けされています。最も一般的には、ミネラルビスマイト（酸化ビスマス）、ビスムチナイト（硫化ビスマス）、ビスマスタイト（オキシ炭酸ビスマス）として発生します。 。ヒ素やアンチモンと同様に、ビスマスは早くも15世紀に、錬金術師として知られる前化学者によって特定されました。

商業的に生産されたビスマスのほぼすべてが、次の2つの用途のいずれかに使用されます。その最も興味深い合金のいくつかは、低温で溶融し、たとえば自動スプリンクラーシステムで使用できるものです。ビスマスの化合物は、胃のむかつき、湿疹を治療するために使用されます（皮膚障害）、および潰瘍、およびフェイスパウダーの製造において。