Família do nitrogênio

A família do nitrogênio consiste nos cinco elementos que compõem o Grupo 15 da tabela periódica: nitrogênio, fósforo, arsênio, antimônio e bismuto. Esses cinco elementos compartilham uma propriedade estrutural importante: todos eles têm cinco elétrons no nível de energia mais externo de seus átomos. No entanto, eles são notavelmente diferentes um do outro nas propriedades físicas e no comportamento químico. O nitrogênio é um gás não metálico; o fósforo é um não metal sólido; arsênio e antimônio são metalóides; e o bismuto é um metal típico.

Nitrogênio

O nitrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido com um ponto de fusão de -210 ° C (-346 ° F) e um ponto de ebulição de −196 ° C (−320 ° F). É o elemento mais abundante na atmosfera, constituindo cerca de 78% do volume do ar que circunda a Terra. O elemento é muito menos comum na crosta terrestre, no entanto, onde ocupa o trigésimo terceiro (junto com o gálio) em abundância. Os cientistas estimam que a concentração média de nitrogênio nas rochas crustais é de cerca de 19 partes por milhão, menos do que elementos como neodímio, lantânio, ítrio e escândio, mas maiores do que os de metais conhecidos como lítio, urânio, tungstênio, prata, mercúrio e platina.

Os compostos de ocorrência natural mais importantes de nitrogênio são nitrato de potássio (salitre), encontrado principalmente na Índia, e nitrato de sódio (salitre do Chile), encontrados principalmente nas regiões desérticas do Chile e outras partes da América do Sul. O nitrogênio também é um componente essencial das proteínas encontradas em todos os organismos vivos .

O crédito pela descoberta do nitrogênio em 1772 geralmente é dado ao médico escocês Daniel Rutherford (1749-1819). Três outros cientistas, Henry Cavendish, Joseph Priestley e Carl Scheele, também podem alegar ter descoberto o ele mais ou menos ao mesmo tempo. O nitrogênio foi identificado pela primeira vez como o produto deixado para trás quando uma substância é queimada em uma amostra fechada de ar (que remove o componente de oxigênio do ar).

Usos. Os usos industriais do nitrogênio aumentaram dramaticamente nas últimas décadas. Agora é o segundo produto químico mais produzido

nos Estados Unidos, com uma produção anual de cerca de 57 bilhões de libras (26 bilhões de quilogramas).

As aplicações mais importantes do elemento dependem de sua inércia química (inatividade). É amplamente utilizado como uma atmosfera de inertização em processos metalúrgicos onde a presença de oxigênio seria prejudicial. No processamento de ferro e aço, por exemplo, uma manta de nitrogênio colocada acima dos metais impede que reagir com o oxigênio, que formaria óxidos indesejáveis nos produtos finais.

A purga (liberação de sedimentos ou ar aprisionado) de tanques, tubos e outros tipos de recipientes com nitrogênio também pode prevenir a possibilidade de incêndios . Na indústria do petróleo, por exemplo, o processamento de compostos orgânicos na presença de ar cria o potencial para incêndios – incêndios que podem ser evitados cobrindo os reagentes com nitrogênio puro.

O nitrogênio também é usado em a produção de compone eletrônico nts. A montagem de chips de computador e outros dispositivos eletrônicos pode ocorrer com todos os materiais submersos em uma atmosfera de nitrogênio, evitando a oxidação de qualquer um dos materiais em uso. O nitrogênio é frequentemente usado como um agente protetor durante o processamento de alimentos para que a decomposição (oxidação) não ocorra.

Outro uso crítico do nitrogênio é na produção de amônia pelo processo Haber, que leva o nome de seu inventor , Químico alemão Fritz Haber (1868–1934). O processo Haber envolve a síntese direta de amônia a partir de seus elementos – nitrogênio e hidrogênio. Os dois gases são combinados em condições específicas: (1) a temperatura deve ser de 500 a 700 ° C (900 a 1300 ° F), (2) a pressão deve ser de várias centenas de atmosferas e (3) um catalisador (algo que acelera reações químicas), como níquel finamente dividido, devem estar presentes. Um dos principais usos da amônia produzida por este método é na produção de fertilizantes sintéticos.

Cerca de um terço de todo o nitrogênio produzido é usado em sua forma líquida. Por exemplo, o nitrogênio líquido é usado para alimentos de congelamento rápido e para conservar alimentos em trânsito. Além disso, as temperaturas muito baixas do nitrogênio líquido tornam alguns materiais mais fáceis de manusear. Por exemplo, a maioria das formas de borracha são muito macias e flexíveis para usinagem em temperatura ambiente. Eles podem, no entanto, primeiro ser resfriados em nitrogênio líquido e, em seguida, manuseados de uma forma muito mais rígida.

Três compostos de nitrogênio também são comercialmente importantes e tradicionalmente estão entre os 25 principais produtos químicos produzidos nos Estados Unidos. Eles são amônia (número 6 em 1990), ácido nítrico (número 13 em 1990) e nitrato de amônio (número 14 em 1990). Todos os três compostos são usados extensivamente na agricultura como fertilizantes sintéticos. Mais de 80% da amônia produzida, por exemplo, vai para a produção de fertilizantes sintéticos.

Além de sua função agrícola, o ácido nítrico é uma importante matéria-prima na produção de explosivos. Trinitrotolueno (TNT), pólvora, nitroglicerina, dinamite e pó sem fumaça são exemplos do tipo de explosivos feitos de ácido nítrico. Um pouco mais de 5 por cento do ácido nítrico produzido também é usado na síntese de ácido adípico e compostos relacionados usados na fabricação de náilon.

Fósforo

O fósforo existe em três formas alotrópicas (formas fisicamente ou quimicamente diferentes da mesma substância): branco, vermelho e preto. A forma branca do fósforo é um sólido ceroso altamente ativo que pega fogo espontaneamente quando exposto ao ar. Em contraste, o fósforo vermelho é um pó avermelhado que é relativamente inerte (inativo). Não pega fogo a menos que seja exposto a uma chama aberta. O ponto de fusão do fósforo é 44 ° C (111 ° F) e seu ponto de ebulição é 280 ° C (536 ° F). É o décimo primeiro elemento mais abundante na crosta terrestre.

O fósforo sempre ocorre na forma de um fosfato, um composto que consiste em fósforo, oxigênio e pelo menos mais um elemento. De longe, o mais abundante A fonte de fósforo na Terra é uma família de minerais conhecida como apatitas. As apatitas contêm fósforo, oxigênio, cálcio e um halogênio (cloro, flúor, bromo ou iodo). O estado da Flórida é o maior produtor mundial de fósforo e é responsável por cerca de um terço de todos os elementos produzidos no mundo.

O fósforo também ocorre em todos os organismos vivos, mais abundantemente em ossos, dentes, chifre e materiais semelhantes. É encontrada em todas as células, entretanto, na forma de compostos essenciais para a sobrevivência de todas as formas de vida. Como o carbono e o nitrogênio, o fósforo passa pelo meio ambiente. Mas, uma vez que não tem compostos gasosos comuns, o ciclo do fósforo ocorre inteiramente dentro das porções sólida e líquida (água) da crosta terrestre.

Usos. Cerca de 95 por cento de todo o fósforo usado na indústria vai para a produção de compostos de fósforo. De longe, o mais importante deles é o ácido fosfórico, que representa cerca de 83 por cento de todo o uso de fósforo na indústria. Um uso menor é na fabricação de fósforos de segurança.

Ácido fosfórico . O ácido fosfórico (H3PO4) normalmente ocupa o sétimo lugar entre os produtos químicos mais amplamente produzidos nos Estados Unidos. É convertido em uma variedade de formas, todas as quais são então utilizadas na fabricação de fertilizantes sintéticos, representando cerca de 85 por cento de todo o ácido produzido. Outras aplicações do ácido fosfórico incluem a produção de sabões e detergentes, tratamento de água, limpeza e proteção contra ferrugem de metais, fabricação de aditivos para gasolina e produção de rações para animais.

Em um tempo grande quantidades de ácido fosfórico foram convertidas em um composto conhecido como tripolifosfato de sódio (STPP). O STPP, por sua vez, era utilizado na fabricação de detergentes sintéticos. Quando o STPP é liberado para o meio ambiente, entretanto, ele serve como um nutriente primário para algas em corpos dágua, como lagoas e lagos. O crescimento de enormes florações de algas nas décadas de 1970 e 1980, como resultado de descargas de fosfato, acabou levando à proibição do uso desse composto em detergentes. Como consequência, o composto não é mais importante comercialmente.

Arsênio e antimônio

Arsênio e antimônio são metalóides. Ou seja, eles se comportam às vezes como metais e às vezes como não metais. O arsênico é um metal frágil cinza prateado que mancha quando exposto ao ar. Ele existe em duas formas alotrópicas: preto e amarelo. Seu ponto de fusão é 817 ° C (1502 ° F) a 28 atmosferas de pressão e seu ponto de ebulição é 613 ° C (1135 ° F), temperatura à qual ele sublima (passa diretamente do estado sólido para o estado de vapor). / p>

O antimônio também ocorre em duas formas alotrópicas: preto e amarelo. É um sólido branco prateado com ponto de fusão de 630 ° C (1170 ° F) e ponto de ebulição de 1635 ° C (2980 ° F). Tanto o arsênico quanto o antimônio foram identificados antes do nascimento da química moderna – pelo menos já no século XV.

O arsênico é um elemento relativamente incomum na crosta terrestre, classificado em 51º lugar em ordem de abundância. na verdade, é produzido comercialmente a partir da poeira de combustão obtida de fundições de cobre e chumbo (metais separados por fusão), uma vez que geralmente ocorre em combinação com esses dois elementos.

O antimônio é muito menos comum na crosta terrestre do que é arsênico, em 62º lugar entre os elementos. Ocorre na maioria das vezes como o mineral estibnita (sulfeto de antimônio), do qual é obtido em uma reação com o ferro metálico. O arsênio é amplamente utilizado na produção de ligas (uma mistura de dois ou mais metais ou um metal e um não metal) usadas em granalha, baterias, cobertura de cabos, tubos de caldeira e tipos especiais de solda (uma liga metálica derretida usada para unir outras superfícies metálicas). Em uma forma muito pura, é um componente essencial de muitos dispositivos eletrônicos.Tradicionalmente, compostos de arsênico têm sido usados para matar ratos e outras pragas, embora tenha sido amplamente substituído para esse fim por outros produtos.

O antimônio também é um elemento de liga popular. Suas ligas podem ser encontradas em rolamentos de esferas, baterias, munições, soldas, tipos de metal, tubos de folha e outras aplicações. Sua aplicação em metal tipo reflete uma propriedade especialmente interessante: ao contrário da maioria dos materiais, o antimônio se expande conforme esfria e se solidifica em um líquido. Por causa desse fato, o tipo de metal derramado em matrizes em forma de letras se expande à medida que esfria para preencher todas as partes da matriz. As letras formadas neste processo possuem bordas nítidas e afiadas.

Bismuto

O bismuto é um metal prateado típico com um tom avermelhado interessante. Tem um ponto de fusão de 271 ° C (520 ° F) e um ponto de ebulição de 1560 ° C (2840 ° F). É um dos elementos mais raros na crosta terrestre, classificando-se na 69ª posição entre 75 elementos para os quais foram feitas estimativas. Ocorre mais comumente como o mineral bismita (óxido de bismuto), bismutinita (sulfeto de bismuto) e bismutita (oxicarbonato de bismuto) . Como o arsênico e o antimônio, o bismuto foi identificado já no século XV pelos pré-químicos conhecidos como alquimistas.

Quase todo o bismuto produzido comercialmente é usado para uma de duas aplicações: na produção de ligas ou outros produtos metálicos e em produtos farmacêuticos. Algumas de suas ligas mais interessantes são aquelas que derretem a baixas temperaturas e que podem ser usadas, por exemplo, em sistemas de sprinklers automáticos. Os compostos de bismuto são usados para tratar dores de estômago e eczema (a doença de pele) e úlceras e na fabricação de pós para o rosto.