Nitrogenfamilien

Nitrogenfamilien består av de fem elementene som utgjør gruppe 15 i det periodiske systemet: nitrogen, fosfor, arsen, antimon og vismut. Disse fem elementene deler en viktig strukturell eiendom: de har alle fem elektroner i det ytterste energinivået til atomene sine. Ikke desto mindre er de påfallende forskjellige fra hverandre i både fysiske egenskaper og kjemisk oppførsel. Nitrogen er en ikke-metallisk gass; fosfor er en solid ikke-metallisk; arsen og antimon er metalloider; og vismut er et typisk metall.

Nitrogen

Nitrogen er en fargeløs, luktfri, smakløs gass med et smeltepunkt på -210 ° C (−346 ° F) og et kokepunkt på -196 ° C (-320 ° F). Det er det mest vanlige elementet i atmosfæren, og utgjør omtrent 78 volumprosent av luften som omgir jorden. Elementet er mye mindre vanlig i jordskorpen, der det rangerer trettitredjedel (sammen med gallium) i overflod. Forskere anslår at den gjennomsnittlige konsentrasjonen av nitrogen i skorpeberg er omtrent 19 deler per million, mindre enn den til elementer som neodym, lantan, yttrium og skandium, men større enn det for kjente metaller som litium, uran, wolfram, sølv, kvikksølv og platina.

De viktigste naturlig forekommende forbindelser av nitrogen er kaliumnitrat (saltpeter), som primært finnes i India, og natriumnitrat (Chile saltpeter), som hovedsakelig finnes i ørkenregionene i Chile og andre deler av Sør-Amerika. Nitrogen er også en viktig komponent i proteinene som finnes i alle levende organismer .

Kreditt for oppdagelsen av nitrogen i 1772 gis vanligvis den skotske legen Daniel Rutherford (1749–1819). Tre andre forskere, Henry Cavendish, Joseph Priestley og Carl Scheele, kunne også hevde å ha oppdaget ele om lag samtidig. Nitrogen ble først identifisert som produktet som ble etterlatt når et stoff brennes i en lukket prøve av luft (som fjernet oksygenkomponenten i luften.).

Bruk. Den industrielle bruken av nitrogen har økt dramatisk de siste tiårene. Det rangeres nå som det nest mest produserte kjemiske stoffet

i USA med en årlig produksjon på rundt 57 milliarder pund (26 milliarder kilo).

Elementets viktigste applikasjoner avhenger av dets kjemiske inertitet (inaktivitet). Det brukes mye som en teppeatmosfære i metallurgiske prosesser der tilstedeværelsen av oksygen vil være skadelig. Ved foredling av jern og stål forhindrer for eksempel et nitrogenteppe plassert over metallene reagerer med oksygen, noe som vil danne uønskede oksider i sluttproduktene.

Rensing (frigjøring av sediment eller fanget luft) av tanker, rør og andre typer beholdere med nitrogen kan også forhindre muligheten for brann I petroleumsindustrien skaper for eksempel prosessering av organiske forbindelser i nærvær av luft potensial for branner – branner som kan unngås ved å dekke reaktantene med rent nitrogen.

Nitrogen brukes også i produksjon av elektronisk kompon nts. Montering av datamaskinbrikker og andre elektroniske enheter kan foregå med alt materiale nedsenket i en nitrogenatmosfære, og forhindrer oksidasjon av materialet som er i bruk. Nitrogen brukes ofte som et beskyttende middel under bearbeiding av matvarer slik at forfall (oksidasjon) ikke forekommer.

En annen kritisk bruk av nitrogen er i produksjonen av ammoniakk ved Haber-prosessen, oppkalt etter oppfinneren. , Tysk kjemiker Fritz Haber (1868–1934). Haber-prosessen innebærer direkte syntese av ammoniakk fra dets grunnstoffer – nitrogen og hydrogen. De to gassene kombineres under spesifikke forhold: (1) temperaturen må være 500 til 700 ° C (900 til 1300 ° F), (2) trykket må være flere hundre atmosfærer, og (3) en katalysator (noe som hastigheter opp kjemiske reaksjoner) som finfordelt nikkel må være tilstede. En av de viktigste bruksområdene av ammoniakk produsert ved denne metoden er i produksjonen av syntetisk gjødsel.

Omtrent en tredjedel av alt produsert nitrogen brukes i flytende form. For eksempel brukes flytende nitrogen til hurtigfrysing av matvarer og til konservering av matvarer under transport. I tillegg gjør de svært lave temperaturene av flytende nitrogen noen materialer lettere å håndtere. For eksempel er de fleste former for gummi for myke og smidige for bearbeiding ved romtemperatur. De kan imidlertid først avkjøles i flytende nitrogen og deretter håndteres i en mye mer stiv form.

Tre nitrogenforbindelser er også kommersielt viktige og rangerer tradisjonelt blant de 25 beste kjemikaliene produsert i USA. De er ammoniakk (nummer 6 i 1990), salpetersyre (nummer 13 i 1990) og ammoniumnitrat (nummer 14 i 1990). Alle disse tre forbindelsene brukes mye i jordbruket som syntetisk gjødsel. Mer enn 80 prosent av den produserte ammoniakken går for eksempel til produksjon av kunstgjødsel.

I tillegg til sin landbruksrolle, er salpetersyre et viktig råstoff i produksjonen av eksplosiver. Trinitrotoluen (TNT), krutt, nitroglyserin, dynamitt og røykfritt pulver er alle eksempler på den typen eksplosiver laget av salpetersyre. Litt mer enn 5 prosent av salpetersyren som produseres, brukes også i syntesen av adipinsyre og relaterte forbindelser som brukes til fremstilling av nylon.

Fosfor

Fosfor finnes i tre allotrope former (fysisk eller kjemisk forskjellige former av samme stoff): hvit, rød og svart. Den hvite fosforformen er et høyt aktivt, voksaktig fast stoff som tar fyr selv spontant når det utsettes for luft. I kontrast er rød fosfor et rødlig pulver som er relativt inert (inaktivt). Den tar ikke fyr med mindre den er utsatt for åpen ild. Smeltepunktet for fosfor er 44 ° C (111 ° F), og kokepunktet er 280 ° C (536 ° F). Det er det ellevte mest utbredte elementet i jordskorpen.

Fosfor forekommer alltid i form av et fosfat, en forbindelse som består av fosfor, oksygen og minst ett element til. Langt det mest rikelig kilden til fosfor på jorden er en familie av mineraler kjent som apatittene. apatittene inneholder fosfor, oksygen, kalsium og et halogen (klor, fluor, brom eller jod). Florida er verdens største produsent av fosfor. og er ansvarlig for omtrent en tredjedel av alt elementet som produseres i verden.

Fosfor forekommer også i alle levende organismer, mest i bein, tenner, horn og lignende materialer. Det finnes i alle celler, men i form av forbindelser som er essensielle for overlevelsen av hele livet. I likhet med karbon og nitrogen sykles fosfor gjennom miljøet. Men siden det ikke har noen vanlige gassforbindelser, forekommer fosforsyklusen helt innenfor de faste og flytende (vann) delene av jordskorpen.

Bruk. Omtrent 95 prosent av all fosfor som brukes i industrien går til produksjonen av fosforforbindelser. Den viktigste av disse er fosforsyre, som står for om lag 83 prosent av all fosforbruk i industrien. En mindre bruk er til fremstilling av sikkerhetskamper.

Fosforsyre . Fosforsyre (H3PO4) er vanligvis rundt sju blant kjemikaliene som er mest produsert i USA. Den omdannes til en rekke former, som alle deretter brukes til fremstilling av syntetisk gjødsel, og står for omtrent 85 prosent av all den produserte syren. Andre anvendelser av fosforsyre inkluderer produksjon av såper og vaskemidler, vannbehandling, rengjøring og rustbeskyttelse av metaller, produksjon av bensintilsetningsstoffer og produksjon av dyrefôr.

tid, stor mengder fosforsyre ble omdannet til en forbindelse kjent som natriumtripolyfosfat (STPP). STPP ble i sin tur brukt til fremstilling av syntetiske vaskemidler. Når STPP slippes ut i miljøet, tjener det imidlertid som et primært næringsstoff for alger i vannmasser som dammer og innsjøer. Veksten av store algblomstringer på 1970- og 1980-tallet som et resultat av fosfatutslipp førte til slutt til forbud mot bruk av denne forbindelsen i vaskemidler. Som en konsekvens er forbindelsen ikke lenger kommersielt viktig.

Arsen og antimon

Arsen og antimon er begge metalloider. Det vil si at de oppfører seg til tider som metaller og til tider som ikke-metaller. Arsen er et sølvgrått sprøtt metall som sverter når det utsettes for luft. Den eksisterer i to allotrope former: svart og gul. Dens smeltepunkt er 817 ° C (1502 ° F) ved 28 atmosfærers trykk, og kokepunktet er 613 ° C (1135 ° F), ved hvilken temperatur det sublimerer (går direkte fra faststoff til damptilstand). / p>

Antimon forekommer også i to allotrope former: svart og gult. Det er et sølvhvitt fast stoff med et smeltepunkt på 630 ° C (1170 ° F) og et kokepunkt på 1635 ° C (2980 ° F). Både arsen og antimon ble identifisert før fødselen av moderne kjemi – i det minste så tidlig som det femtende århundre.

Arsen er et relativt uvanlig element i jordskorpen, og rangerer nummer 51 i rekkefølge etter overflod. produseres faktisk kommersielt fra røykstøvet fra kobber og blysmelter (metaller separert ved smelting) siden det vanligvis forekommer i kombinasjon med disse to elementene.

Antimon er mye mindre vanlig i jordskorpen enn det er arsen, rangering nummer 62 blant elementene. Det forekommer oftest som mineralet stibnitt (antimensulfid), hvorfra det oppnås i en reaksjon med jernmetall.

Bruksområder. Arsen er mye brukt i produksjonen av legeringer (en blanding av to eller flere metaller eller et metall og et ikke-metall) som brukes i skudd, batterier, kabeldekning, kjelerør og spesielle loddetyper (en smeltet metalllegering som brukes til å slå sammen andre metalloverflater). I en veldig ren form er det en viktig komponent i mange elektroniske enheter.Tradisjonelt har arsenforbindelser blitt brukt til å drepe rotter og andre skadedyr, selv om det i stor grad er erstattet for det formålet med andre produkter.

Antimon er også et populært legeringselement. Dens legeringer finnes i kulelagre, batterier, ammunisjon, loddetinn, type metall, arkrør og andre applikasjoner. Anvendelsen i type metall gjenspeiler en spesielt interessant egenskap: I motsetning til de fleste materialer utvides antimon når det avkjøles og stivner fra en væske. På grunn av det faktum utvides type metall som helles i matriser i form av bokstaver når det avkjøles for å fylle alle deler av matrisen. Bokstaver dannet i denne prosessen har klare, skarpe kanter.

Vismut

Vismut er et typisk sølvfarget metall med en interessant rødaktig fargetone. Den har et smeltepunkt på 271 ° C (520 ° F) og et kokepunkt på 1560 ° C (2840 ° F). Det er et av de sjeldneste elementene i jordskorpen, og rangerer 69 av 75 elementer som det er gjort estimater for. Det forekommer hyppigst som mineralet vismitt (vismutoksid), vismutinitt (vismutsulfid) og vismutitt (vismutoksykarbonat) I likhet med arsen og antimon ble vismut identifisert allerede på det femtende århundre av forkjemikerne kjent som alkymistene.

Nesten all vismut produsert kommersielt brukes til en av to applikasjoner: i produksjonen av legeringer eller andre metallprodukter og i legemidler. Noen av dets mest interessante legeringer er de som smelter ved lave temperaturer og som kan brukes, for eksempel i automatiske sprinkleranlegg. Forbindelser med vismut brukes til å behandle urolig mage, eksem (en hudlidelse), og sår, og ved fremstilling av ansiktspulver.