Rodzina azotu

Rodzina azotu składa się z pięciu pierwiastków tworzących grupę 15 układu okresowego: azotu, fosforu, arsenu, antymonu i bizmutu. Te pięć elementów ma jedną ważną właściwość strukturalną: wszystkie mają pięć elektronów na najbardziej zewnętrznym poziomie energetycznym swoich atomów. Niemniej jednak uderzająco różnią się one od siebie zarówno pod względem właściwości fizycznych, jak i zachowania chemicznego. Azot jest gazem niemetalicznym; fosfor jest stałym niemetalem; arsen i antymon to metaloidy; a bizmut jest typowym metalem.

Azot

Azot to bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku gaz o temperaturze topnienia −210 ° C (−346 ° F) i temperaturze wrzenia -196 ° C (-320 ° F). Jest to pierwiastek występujący w największej ilości w atmosferze, stanowiący około 78% objętości powietrza otaczającego Ziemię. Pierwiastek ten występuje jednak znacznie rzadziej w skorupie ziemskiej, gdzie występuje na trzydziestym trzecim miejscu (wraz z galem) pod względem liczebności. Naukowcy szacują, że średnie stężenie azotu w skałach skorupy ziemskiej wynosi około 19 części na milion, czyli mniej niż pierwiastki takie jak neodym, lantan, itr i skand, ale większe niż w przypadku znanych metali, takich jak lit, uran, wolfram, srebro, rtęć i platyna.

Najważniejsze naturalnie występujące związki azot to azotan potasu (saletra), występujący głównie w Indiach oraz azotan sodu (saletra chilijska), występujący głównie w pustynnych regionach Chile i innych części Ameryki Południowej. Azot jest również podstawowym składnikiem białek występujących we wszystkich organizmach żywych .

Kredyt za odkrycie azotu w 1772 roku przypisuje się zwykle szkockiemu lekarzowi Danielowi Rutherfordowi (1749–1819). Trzech innych naukowców, Henry Cavendish, Joseph Priestley i Carl Scheele, również może twierdzić, że odkryli ele w tym samym czasie. Azot został po raz pierwszy zidentyfikowany jako produkt pozostawiony po spaleniu substancji w zamkniętej próbce powietrza (która usunęła składnik tlenowy z powietrza).

Zastosowania. Przemysłowe zastosowania azotu dramatycznie wzrosły w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci. Obecnie zajmuje drugie miejsce na liście najczęściej produkowanych substancji chemicznych w Stanach Zjednoczonych.

z roczną produkcją około 57 miliardów funtów (26 miliardów kilogramów).

Najważniejsze zastosowania pierwiastka zależy od jego obojętności chemicznej (nieaktywności). Jest szeroko stosowany jako atmosfera ochronna w procesach metalurgicznych, w których obecność tlenu byłaby szkodliwa. Na przykład przy obróbce żelaza i stali warstwa azotu umieszczona nad metalami zapobiega ich reagując z tlenem, który tworzyłby niepożądane tlenki w produktach końcowych.

Przedmuchiwanie (usuwanie osadu lub uwięzionego powietrza) azotem zbiorników, rur i innych rodzajów pojemników może również zapobiec wystąpieniu pożarów Na przykład w przemyśle naftowym przetwarzanie związków organicznych w obecności powietrza stwarza potencjalne zagrożenie pożarowe – pożarów, których można uniknąć, pokrywając reagenty czystym azotem.

Azot jest również używany w produkcja podzespołów elektronicznych nts. Montaż chipów komputerowych i innych urządzeń elektronicznych może odbywać się przy wszystkich materiałach zanurzonych w atmosferze azotu, co zapobiega utlenianiu któregokolwiek z używanych materiałów. Azot jest często używany jako środek ochronny podczas przetwarzania żywności, dzięki czemu nie dochodzi do rozkładu (utleniania).

Innym krytycznym zastosowaniem azotu jest produkcja amoniaku w procesie Habera, nazwanym na cześć jego wynalazcy. , Niemiecki chemik Fritz Haber (1868–1934). Proces Habera polega na bezpośredniej syntezie amoniaku z jego pierwiastków – azotu i wodoru. Te dwa gazy są łączone w określonych warunkach: (1) temperatura musi wynosić od 500 do 700 ° C (900 do 1300 ° F), (2) ciśnienie musi wynosić kilkaset atmosfer oraz (3) katalizator (coś, co przyspiesza do reakcji chemicznych), takie jak drobno rozdrobniony nikiel. Jednym z głównych zastosowań amoniaku wytwarzanego tą metodą jest produkcja nawozów sztucznych.

Około jedna trzecia całego produkowanego azotu jest wykorzystywana w postaci płynnej. Na przykład ciekły azot jest używany do szybkiego zamrażania żywności i do konserwowania żywności w transporcie. Dodatkowo bardzo niskie temperatury ciekłego azotu ułatwiają obróbkę niektórych materiałów. Na przykład większość form gumy jest zbyt miękka i podatna na obróbkę w temperaturze pokojowej. Można je jednak najpierw schłodzić w ciekłym azocie, a następnie poddać obróbce w znacznie sztywniejszej formie.

Trzy związki azotu są również ważne pod względem handlowym i tradycyjnie należą do 25 chemikaliów najczęściej produkowanych w Stanach Zjednoczonych. Są to amoniak (numer 6 w 1990 r.), Kwas azotowy (numer 13 w 1990 r.) I azotan amonu (numer 14 w 1990 r.). Wszystkie trzy z tych związków są szeroko stosowane w rolnictwie jako nawozy syntetyczne. Na przykład ponad 80 procent wyprodukowanego amoniaku trafia do produkcji nawozów syntetycznych.

Oprócz swojej roli w rolnictwie, kwas azotowy jest ważnym surowcem do produkcji materiałów wybuchowych. Trinitrotoluen (TNT), proch strzelniczy, nitrogliceryna, dynamit i proszek bezdymny to przykłady materiałów wybuchowych wytwarzanych z kwasu azotowego. Nieco ponad 5 procent wyprodukowanego kwasu azotowego jest również wykorzystywane w syntezie kwasu adypinowego i pokrewnych związków używanych do produkcji nylonu.

Fosfor

Fosfor występuje w trzech formach alotropowych (fizycznie lub chemicznie różne postacie tej samej substancji): biały, czerwony i czarny. Biała forma fosforu jest wysoce aktywnym, woskowym ciałem stałym, które samorzutnie zapala się pod wpływem powietrza. Natomiast czerwony fosfor jest czerwonawym proszkiem, który jest stosunkowo obojętny (nieaktywny). Nie zapala się, chyba że zostanie wystawiony na działanie otwartego ognia. Temperatura topnienia fosforu wynosi 44 ° C (111 ° F), a jego temperatura wrzenia wynosi 280 ° C (536 ° F). Jest to jedenasty najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w skorupie ziemskiej.

Fosfor zawsze występuje w postaci fosforanu, związku składającego się z fosforu, tlenu i co najmniej jeszcze jednego pierwiastka. źródłem fosforu na Ziemi jest rodzina minerałów zwana apatytami. Apatyty zawierają fosfor, tlen, wapń i halogen (chlor, fluor, brom lub jod). Stan Floryda jest największym na świecie producentem fosforu i jest odpowiedzialny za około jedną trzecią wszystkich pierwiastków wytwarzanych na świecie.

Fosfor występuje również we wszystkich żywych organizmach, głównie w kościach, zębach, rogach i podobnych materiałach. Występuje jednak we wszystkich komórkach w postaci związków niezbędnych do przetrwania wszelkiego życia. Podobnie jak węgiel i azot, fosfor przechodzi przez środowisko. Ale ponieważ nie ma typowych związków gazowych, obieg fosforu zachodzi całkowicie w stałych i ciekłych (wodnych) częściach skorupy ziemskiej.

Zastosowania. Około 95 procent całego fosforu używanego w przemyśle trafia do produkcja związków fosforu. Zdecydowanie najważniejszym z nich jest kwas fosforowy, który stanowi około 83% całkowitego wykorzystania fosforu w przemyśle. Mniejsze zastosowanie ma miejsce w produkcji zapałek bezpiecznych.

Kwas fosforowy Kwas fosforowy (H3PO4) zazwyczaj zajmuje około siódme miejsce wśród chemikaliów najczęściej produkowanych w Stanach Zjednoczonych. Jest konwertowany do różnych form, z których wszystkie są następnie wykorzystywane do produkcji nawozów syntetycznych, stanowiących około 85% cały wyprodukowany kwas. Inne zastosowania kwasu fosforowego obejmują produkcję mydeł i detergentów, uzdatnianie wody, czyszczenie i zabezpieczanie przed rdzą metali, produkcję dodatków do benzyny oraz produkcję pasz dla zwierząt.

W jednym czas, duży ilości kwasu fosforowego zostały przekształcone w związek znany jako tripolifosforan sodu (STPP). Z kolei STPP był używany do produkcji syntetycznych detergentów. Kiedy jednak STPP jest uwalniany do środowiska, służy jako podstawowy składnik pokarmowy dla glonów w zbiornikach wodnych, takich jak stawy i jeziora. Rozwój ogromnych zakwitów glonów w latach 70. i 80. XX wieku w wyniku zrzutów fosforanów ostatecznie doprowadził do wprowadzenia zakazu stosowania tego związku w detergentach. W konsekwencji związek ten nie ma już znaczenia handlowego.

Arsen i antymon

Arsen i antymon to metaloidy. Oznacza to, że czasami zachowują się jak metale, a czasami jak niemetale. Arsen to srebrnoszary kruchy metal, który matowieje pod wpływem powietrza. Występuje w dwóch formach alotropowych: czarnej i żółtej. Jego temperatura topnienia wynosi 817 ° C (1502 ° F) przy ciśnieniu 28 atmosfer, a jego temperatura wrzenia wynosi 613 ° C (1135 ° F), w której to temperaturze sublimuje (przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego do stanu pary).

Antymon występuje również w dwóch formach alotropowych: czarnej i żółtej. Jest to srebrno-białe ciało stałe o temperaturze topnienia 630 ° C (1170 ° F) i temperaturze wrzenia 1635 ° C (2980 ° F). Zarówno arsen, jak i antymon zostały zidentyfikowane przed narodzinami współczesnej chemii – przynajmniej w XV wieku.

Arsen jest stosunkowo rzadkim pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, plasuje się na 51. miejscu pod względem liczebności. jest faktycznie produkowany komercyjnie z pyłu spalinowego otrzymywanego z hut miedzi i ołowiu (metale oddzielone przez stapianie), ponieważ zazwyczaj występuje w połączeniu z tymi dwoma pierwiastkami.

Antymon występuje znacznie rzadziej w skorupie ziemskiej niż jest arsen, zajmujący 62 miejsce wśród pierwiastków. Występuje najczęściej jako minerał stibnit (siarczek antymonu), z którego jest otrzymywany w reakcji z żelazem metalicznym.

Zastosowania. Arsen jest szeroko stosowany do produkcji stopów (mieszanina dwóch lub więcej metali lub metalu i niemetalu) stosowanych w śrutach, bateriach, osłonach kabli, rurach kotłowych i specjalnych rodzajach lutowia (stopiony stop metalu używany do łączenia inne powierzchnie metalowe). W bardzo czystej postaci jest niezbędnym składnikiem wielu urządzeń elektronicznych.Tradycyjnie związki arsenu były używane do zabijania szczurów i innych szkodników, chociaż w tym celu w dużej mierze zastąpiono go innymi produktami.

Antymon jest również popularnym pierwiastkiem stopowym. Jego stopy można znaleźć w łożyskach kulkowych, akumulatorach, amunicji, stopach lutowniczych, metalach typu, rurach blaszanych i innych zastosowaniach. Jego zastosowanie w rodzaju metalu odzwierciedla szczególnie interesującą właściwość: w przeciwieństwie do większości materiałów antymon rozszerza się, gdy stygnie i krzepnie z cieczy. Z tego powodu metal wlewany do matryc w kształcie liter rozszerza się w miarę stygnięcia wypełniając wszystkie części matrycy. Litery powstałe w tym procesie mają wyraźne, ostre krawędzie.

Bizmut

Bizmut to typowy srebrzysty metal z ciekawym czerwonawym odcieniem. Ma temperaturę topnienia 271 ° C (520 ° F) i temperaturę wrzenia 1560 ° C (2840 ° F). Jest to jeden z najrzadszych pierwiastków w skorupie ziemskiej, plasujący się na 69 z 75 pierwiastków, dla których dokonano szacunków. Występuje najczęściej jako bizmyt (tlenek bizmutu), bizmutynit (siarczek bizmutu) i bizmutyt (oksiwęglan bizmutu) . Podobnie jak arsen i antymon, bizmut został zidentyfikowany już w XV wieku przez pre-chemików zwanych alchemikami.

Prawie cały bizmut produkowany w celach handlowych jest używany do jednego z dwóch zastosowań: w produkcji stopów lub innych produktów metalowych oraz farmaceutyków. Niektóre z jego najciekawszych stopów to te, które topią się w niskich temperaturach i można je stosować np. w automatycznych instalacjach tryskaczowych. Związki bizmutu są stosowane w leczeniu rozstroju żołądka, egzemy (a choroby skóry) i owrzodzenia oraz przy produkcji pudrów do twarzy.