Stikstoffamilie

De stikstoffamilie bestaat uit de vijf elementen die deel uitmaken van groep 15 van het periodiek systeem: stikstof, fosfor, arseen, antimoon en bismut. Deze vijf elementen delen één belangrijke structurele eigenschap: ze hebben allemaal vijf elektronen in het buitenste energieniveau van hun atomen. Niettemin verschillen ze opvallend van elkaar in zowel fysische eigenschappen als chemisch gedrag. Stikstof is een niet-metallisch gas; fosfor is een vaste niet-metalen; arseen en antimoon zijn metalloïden; en bismut is een typisch metaal.

Stikstof

Stikstof is een kleurloos, geurloos, smaakloos gas met een smeltpunt van −210 ° C (−346 ° F) en een kookpunt van -196 ° C (-320 ° F). Het is het meest voorkomende element in de atmosfeer en maakt ongeveer 78 procent van het volume uit van de lucht die de aarde omringt. Het element komt echter veel minder vaak voor in de aardkorst, waar het in overvloed op de drieëndertigste plaats staat (samen met gallium). Wetenschappers schatten dat de gemiddelde stikstofconcentratie in aardkorstrotsen ongeveer 19 delen per miljoen bedraagt, minder dan die van elementen zoals neodymium, lanthaan, yttrium en scandium, maar groter dan die van bekende metalen zoals lithium, uranium, wolfraam, zilver, kwik en platina.

De belangrijkste natuurlijk voorkomende verbindingen van Stikstof is kaliumnitraat (salpeter), voornamelijk gevonden in India, en natriumnitraat (Chili salpeter), voornamelijk gevonden in de woestijngebieden van Chili en andere delen van Zuid-Amerika. Stikstof is ook een essentieel onderdeel van de eiwitten die in alle levende organismen worden aangetroffen .

De eer voor de ontdekking van stikstof in 1772 wordt gewoonlijk gegeven aan de Schotse arts Daniel Rutherford (1749–1819). Drie andere wetenschappers, Henry Cavendish, Joseph Priestley en Carl Scheele, zouden ook kunnen beweren dat ze ontdekten het ele ment ongeveer tegelijkertijd. Stikstof werd voor het eerst geïdentificeerd als het product dat achterblijft wanneer een stof wordt verbrand in een gesloten luchtmonster (dat de zuurstofcomponent uit lucht verwijdert).

Toepassingen. Het industriële gebruik van stikstof is de afgelopen decennia enorm toegenomen. Het is nu de op een na meest geproduceerde chemische stof

in de Verenigde Staten met een jaarlijkse productie van ongeveer 57 miljard pond (26 miljard kilogram).

De belangrijkste toepassingen van het element afhankelijk van zijn chemische inertie (inactiviteit). Het wordt veel gebruikt als bedekkingsatmosfeer in metallurgische processen waar de aanwezigheid van zuurstof schadelijk zou zijn. Bij de verwerking van bijvoorbeeld ijzer en staal verhindert een stikstofdeken boven de metalen hun reageren met zuurstof, die ongewenste oxiden in de eindproducten zouden vormen.

Het doorspoelen (bevrijden van bezinksel of ingesloten lucht) van tanks, leidingen en andere soorten containers met stikstof kan ook de mogelijkheid van brand voorkomen In de aardolie-industrie, bijvoorbeeld, creëert de verwerking van organische verbindingen in aanwezigheid van lucht het potentieel voor branden – branden die kunnen worden vermeden door de reactanten te bedekken met zuivere stikstof.

Stikstof wordt ook gebruikt in de productie van elektronische componenten nts. De assemblage van computerchips en andere elektronische apparaten kan plaatsvinden terwijl alle materialen zijn ondergedompeld in een stikstofatmosfeer, waardoor oxidatie van de gebruikte materialen wordt voorkomen. Stikstof wordt vaak gebruikt als beschermend middel tijdens de verwerking van voedingsmiddelen zodat bederf (oxidatie) niet optreedt.

Een ander kritisch gebruik van stikstof is bij de productie van ammoniak door het Haber-proces, genoemd naar de uitvinder ervan. , Duitse chemicus Fritz Haber (1868-1934). Het Haber-proces omvat de directe synthese van ammoniak uit zijn elementen – stikstof en waterstof. De twee gassen worden onder specifieke omstandigheden gecombineerd: (1) de temperatuur moet 500 tot 700 ° C (900 tot 1300 ° F) zijn, (2) de druk moet enkele honderden atmosfeer zijn, en (3) een katalysator (iets dat versnelt chemische reacties) zoals fijnverdeeld nikkel aanwezig moeten zijn. Een van de belangrijkste toepassingen van de ammoniak die met deze methode wordt geproduceerd, is de productie van synthetische meststoffen.

Ongeveer een derde van alle geproduceerde stikstof wordt gebruikt in vloeibare vorm. Vloeibare stikstof wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het snel invriezen van voedsel en voor het bewaren van voedsel dat onderweg is. Bovendien zorgen de zeer lage temperaturen van vloeibare stikstof ervoor dat sommige materialen gemakkelijker te hanteren zijn. De meeste soorten rubber zijn bijvoorbeeld te zacht en buigzaam om bij kamertemperatuur te bewerken. Ze kunnen echter eerst worden gekoeld in vloeibare stikstof en vervolgens in een veel stijvere vorm worden gehanteerd.

Drie stikstofverbindingen zijn ook commercieel belangrijk en behoren traditioneel tot de top 25 van chemicaliën die in de Verenigde Staten worden geproduceerd. Het zijn ammoniak (nummer 6 in 1990), salpeterzuur (nummer 13 in 1990) en ammoniumnitraat (nummer 14 in 1990). Alle drie deze verbindingen worden op grote schaal in de landbouw gebruikt als kunstmest. Zo gaat meer dan 80 procent van de geproduceerde ammoniak naar de productie van kunstmest.

Naast zijn agrarische rol is salpeterzuur een belangrijke grondstof bij de productie van explosieven. Trinitrotolueen (TNT), buskruit, nitroglycerine, dynamiet en rookloos poeder zijn allemaal voorbeelden van het soort explosieven gemaakt van salpeterzuur. Iets meer dan 5 procent van het geproduceerde salpeterzuur wordt ook gebruikt bij de synthese van adipinezuur en verwante verbindingen die worden gebruikt bij de vervaardiging van nylon.

Fosfor

Fosfor bestaat in drie allotrope vormen (fysisch of chemisch verschillende vormen van dezelfde stof): wit, rood en zwart. De witte vorm van fosfor is een zeer actieve, wasachtige vaste stof die spontaan vlam vat bij blootstelling aan lucht. Rode fosfor daarentegen is een roodachtig poeder dat relatief inert (inactief) is. Het vat geen vlam tenzij het wordt blootgesteld aan open vuur. Het smeltpunt van fosfor is 44 ° C (111 ° F) en het kookpunt is 280 ° C (536 ° F). Het is het elfde meest voorkomende element in de aardkorst.

Fosfor komt altijd voor in de vorm van een fosfaat, een verbinding die bestaat uit fosfor, zuurstof en ten minste één ander element. Verreweg het meest voorkomende element bron van fosfor op aarde is een familie van mineralen die bekend staat als de apatieten. Apatieten bevatten fosfor, zuurstof, calcium en een halogeen (chloor, fluor, broom of jodium). De staat Florida is s werelds grootste producent van fosfor en is verantwoordelijk voor ongeveer een derde van alle elementen die in de wereld worden geproduceerd.

Fosfor komt ook voor in alle levende organismen, het meest overvloedig in botten, tanden, hoorn en soortgelijke materialen. Het wordt echter in alle cellen aangetroffen in de vorm van verbindingen die essentieel zijn voor het voortbestaan van al het leven. Net als koolstof en stikstof wordt fosfor door het milieu geleid. Maar aangezien het geen gemeenschappelijke gasvormige verbindingen heeft, vindt de fosforcyclus volledig plaats in de vaste en vloeibare (water) delen van de aardkorst.

Toepassingen. Ongeveer 95 procent van alle fosfor die in de industrie wordt gebruikt, gaat naar de productie van fosforverbindingen. Verreweg de belangrijkste hiervan is fosforzuur, dat goed is voor ongeveer 83 procent van al het fosforgebruik in de industrie. Een kleine toepassing is bij de productie van veiligheidslucifers.

Fosforzuur . Fosforzuur (H3PO4) staat doorgaans op nummer zeven van de chemicaliën die het meest in de Verenigde Staten worden geproduceerd. Het wordt omgezet in een verscheidenheid aan vormen, die vervolgens allemaal worden gebruikt bij de vervaardiging van synthetische mest, goed voor ongeveer 85 procent van de al het geproduceerde zuur. Andere toepassingen van fosforzuur zijn de productie van zeep en detergenten, waterbehandeling, het reinigen en roestwerend maken van metalen, de productie van benzinetoevoegingen en de productie van diervoeders.

In één tijd, groot hoeveelheden fosforzuur werden omgezet in een verbinding die bekend staat als natriumtripolyfosfaat (STPP). STPP werd op zijn beurt gebruikt bij de vervaardiging van synthetische wasmiddelen. Wanneer STPP vrijkomt in het milieu, dient het echter als een primaire voedingsstof voor algen in watermassas zoals vijvers en meren. De groei van enorme algenbloei in de jaren zeventig en tachtig als gevolg van fosfaatlozingen leidde uiteindelijk tot een verbod op het gebruik van deze stof in wasmiddelen. Als gevolg hiervan is de verbinding niet langer commercieel belangrijk.

Arseen en antimoon

Arseen en antimoon zijn beide metalloïden. Dat wil zeggen, ze gedragen zich soms als metalen en soms als niet-metalen. Arseen is een zilvergrijs bros metaal dat verkleurt bij blootstelling aan lucht. Het bestaat in twee allotrope vormen: zwart en geel. Het smeltpunt is 817 ° C (1502 ° F) bij 28 atmosfeer druk, en het kookpunt is 613 ° C (1135 ° F), bij welke temperatuur het sublimeert (gaat direct over van de vaste naar de damptoestand). / p>

Antimoon komt ook voor in twee allotrope vormen: zwart en geel. Het is een zilverwitte vaste stof met een smeltpunt van 630 ° C (1170 ° F) en een kookpunt van 1635 ° C (2980 ° F). Zowel arseen als antimoon werden geïdentificeerd vóór de geboorte van de moderne chemie – in ieder geval al in de vijftiende eeuw.

Arseen is een relatief ongebruikelijk element in de aardkorst, met nummer 51 in volgorde van overvloed. wordt eigenlijk commercieel geproduceerd uit het rookgas dat wordt verkregen uit koper- en loodsmelterijen (metalen gescheiden door smelten), aangezien het meestal voorkomt in combinatie met deze twee elementen.

Antimoon komt veel minder vaak voor in de aardkorst dan het is arseen, rangnummer 62 onder de elementen. Het komt het meest voor als het mineraal stibniet (antimoonsulfide), waaruit het wordt verkregen in een reactie met ijzermetaal.

Toepassingen. Arseen wordt veel gebruikt bij de productie van legeringen (een mengsel van twee of meer metalen of een metaal en een niet-metaal) die worden gebruikt in hagel, batterijen, kabelafdekkingen, ketelbuizen en speciale soorten soldeer (een gesmolten metaallegering die wordt gebruikt om andere metalen oppervlakken). In zeer zuivere vorm is het een essentieel onderdeel van veel elektronische apparaten.Traditioneel worden arseenverbindingen gebruikt om ratten en ander ongedierte te doden, hoewel het voor dat doel grotendeels is vervangen door andere producten.

Antimoon is ook een populair legeringselement. De legeringen zijn te vinden in kogellagers, batterijen, munitie, soldeer, typemetaal, plaatstaal en andere toepassingen. De toepassing ervan in type metaal weerspiegelt een bijzonder interessante eigenschap: in tegenstelling tot de meeste materialen zet antimoon uit als het afkoelt en stolt uit een vloeistof. Vanwege dat feit zet het type metaal dat in de vorm van letters in matrijzen wordt gegoten, uit naarmate het afkoelt om alle delen van de matrijs te vullen. Letters die tijdens dit proces worden gevormd, hebben duidelijke, scherpe randen.

Bismut

Bismut is een typisch zilverachtig metaal met een interessante roodachtige tint. Het heeft een smeltpunt van 271 ° C (520 ° F) en een kookpunt van 1560 ° C (2840 ° F). Het is een van de zeldzaamste elementen in de aardkorst, met 69 van de 75 elementen waarvoor schattingen zijn gemaakt. Het komt het meest voor als het mineraal bismiet (bismutoxide), bismutiniet (bismutsulfide) en bismutiet (bismutoxycarbonaat) . Net als arseen en antimoon werd bismut al in de vijftiende eeuw geïdentificeerd door de pre-chemici die bekend staan als de alchemisten.

Bijna al het commercieel geproduceerde bismut wordt gebruikt voor een van de twee toepassingen: bij de productie van legeringen of andere metaalproducten en in farmaceutische producten. Enkele van de meest interessante legeringen zijn die die smelten bij lage temperaturen en die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in automatische sprinklersystemen. Verbindingen van bismut worden gebruikt om maagklachten, eczeem (een huidaandoening) en zweren, en bij de vervaardiging van gezichtspoeders.