Familia azotului

Familia azotului este formată din cele cinci elemente care alcătuiesc grupa 15 a tabelului periodic: azot, fosfor, arsenic, antimoniu și bismut. Aceste cinci elemente împărtășesc o proprietate structurală importantă: toate au cinci electroni la nivelul cel mai exterior al energiei atomilor lor. Cu toate acestea, ele sunt izbitor de diferite, atât în ceea ce privește proprietățile fizice, cât și comportamentul chimic. Azotul este un gaz nemetalic; fosforul este un nemetal solid; arsenicul și antimoniul sunt metaloizi; Bismutul este un metal tipic. de -196 ° C (-320 ° F). Este cel mai abundent element din atmosferă, alcătuind aproximativ 78% din volum din aerul care înconjoară Pământul. Elementul este mult mai puțin obișnuit în scoarța Pământului, totuși, unde se situează treizeci și trei (împreună cu galiu) din abundență. Oamenii de știință estimează că concentrația medie de azot în rocile crustale este de aproximativ 19 părți pe milion, mai mică decât cea a elemente precum neodimul, lantanul, itriul și scandiul, dar mai mare decât cel al metalelor cunoscute precum litiu, uraniu, tungsten, argint, mercur și platină.

Cei mai importanți compuși naturali ai azotul este azotatul de potasiu (salpeter), care se găsește în principal în India, și azotatul de sodiu (salpeterul Chile), care se găsește în principal în regiunile deșertice din Chile și alte părți ale Americii de Sud. Azotul este, de asemenea, o componentă esențială a proteinelor găsite în toate organismele vii. .

Creditul pentru descoperirea azotului în 1772 este acordat de obicei medicului scoțian Daniel Rutherford (1749-1819). Alți trei oameni de știință, Henry Cavendish, Joseph Priestley și Carl Scheele, ar putea, de asemenea, să afirme că au descoperit ele ment în același timp. Azotul a fost identificat pentru prima dată ca produsul lăsat în urmă atunci când o substanță este arsă într-o probă închisă de aer (care a îndepărtat componenta de oxigen a aerului).

Utilizări. Utilizările industriale ale azotului au crescut dramatic în ultimele decenii. Acum se situează ca a doua substanță chimică cea mai produsă

în Statele Unite, cu o producție anuală de aproximativ 57 miliarde de lire sterline (26 miliarde de kilograme).

Cele mai importante aplicații ale elementului depinde de inertitatea sa chimică (inactivitate). Este utilizat pe scară largă ca atmosferă de acoperire în procesele metalurgice în care prezența oxigenului ar fi dăunătoare. De exemplu, în prelucrarea fierului și a oțelului, o pătură de azot plasată deasupra metalelor reacționând cu oxigen, care ar forma oxizi nedoriti în produsele finale.

Purjarea (eliberarea sedimentelor sau a aerului prins) a rezervoarelor, conductelor și a altor tipuri de recipiente cu azot poate preveni, de asemenea, posibilitatea de incendii În industria petrolieră, de exemplu, prelucrarea compușilor organici în prezența aerului creează potențialul de incendii – incendii care pot fi evitate prin acoperirea reactanților cu azot pur.

Azotul este, de asemenea, utilizat în producerea de compone electronice nts. Asamblarea cipurilor de calculator și a altor dispozitive electronice poate avea loc cu toate materialele scufundate într-o atmosferă de azot, prevenind oxidarea oricăruia dintre materialele utilizate. Azotul este adesea folosit ca agent de protecție în timpul procesării alimentelor, astfel încât să nu se producă degradarea (oxidarea).

O altă utilizare critică a azotului este în producția de amoniac prin procesul Haber, numit după inventatorul său. , Chimistul german Fritz Haber (1868–1934). Procesul Haber implică sinteza directă a amoniacului din elementele sale – azot și hidrogen. Cele două gaze sunt combinate în condiții specifice: (1) temperatura trebuie să fie de la 500 la 700 ° C (900 la 1300 ° F), (2) presiunea trebuie să fie de câteva sute de atmosfere și (3) un catalizator (ceva care accelerează viteza) reacții chimice), cum ar fi nichelul fin divizat, trebuie să fie prezente. Una dintre utilizările majore ale amoniacului produs prin această metodă este în producția de îngrășăminte sintetice.

Aproximativ o treime din azotul produs este utilizat sub formă lichidă. De exemplu, azotul lichid este utilizat pentru congelarea rapidă a alimentelor și pentru conservarea alimentelor în tranzit. În plus, temperaturile foarte scăzute ale azotului lichid facilitează manipularea unor materiale. De exemplu, majoritatea formelor de cauciuc sunt prea moi și flexibile pentru prelucrarea la temperatura camerei. Cu toate acestea, ele pot fi mai întâi răcite în azot lichid și apoi manipulate într-o formă mult mai rigidă.

Trei compuși de azot sunt, de asemenea, importanți din punct de vedere comercial și se clasează în mod tradițional printre primii 25 de produse chimice produse în Statele Unite. Sunt amoniac (numărul 6 în 1990), acidul azotic (numărul 13 în 1990) și azotatul de amoniu (numărul 14 în 1990). Toți acești trei compuși sunt folosiți pe scară largă în agricultură ca îngrășăminte sintetice. Mai mult de 80% din amoniacul produs, de exemplu, se îndreaptă spre producerea de îngrășăminte sintetice.

Pe lângă rolul său agricol, acidul azotic este o materie primă importantă în producția de explozivi. Trinitrotoluenul (TNT), praful de pușcă, nitroglicerina, dinamita și pulberea fără fum sunt toate exemple ale genului de explozivi din acid azotic. Puțin mai mult de 5% din acidul azotic produs este, de asemenea, utilizat în sinteza acidului adipic și a compușilor înrudiți folosiți la fabricarea nailonului.

Fosfor

Fosforul există în trei forme alotrope (diferite forme fizice sau chimice ale aceleiași substanțe): alb, roșu și negru. Forma albă de fosfor este un solid foarte activ, ceros, care ia foc spontan atunci când este expus la aer. În schimb, fosforul roșu este o pulbere roșiatică relativ inertă (inactivă). Nu prinde foc decât dacă este expus la flacără deschisă. Punctul de topire al fosforului este de 44 ° C (111 ° F), iar punctul său de fierbere este de 280 ° C (536 ° F). Este al unsprezecelea cel mai abundent element din scoarța Pământului.

Fosforul apare întotdeauna sub forma unui fosfat, un compus format din fosfor, oxigen și cel puțin încă un element. De departe cel mai abundent sursa de fosfor pe Pământ este o familie de minerale cunoscută sub numele de apatite. Apatitele conțin fosfor, oxigen, calciu și un halogen (clor, fluor, brom sau iod). Statul Florida este cel mai mare producător de fosfor din lume. și este responsabil pentru aproximativ o treime din tot elementul produs în lume.

Fosforul apare și în toate organismele vii, cel mai abundent în oase, dinți, corn și alte materiale similare. Se găsește în toate celulele, totuși, sub formă de compuși esențiali pentru supraviețuirea întregii vieți. La fel ca carbonul și azotul, fosforul este circulat prin mediu. Dar, deoarece nu are compuși gazoși obișnuiți, ciclul fosforului are loc în întregime în porțiunile solide și lichide (de apă) din scoarța Pământului.

Utilizări. Aproximativ 95 la sută din tot fosforul utilizat în industrie se îndreaptă către producția de compuși ai fosforului. De departe, cel mai important dintre aceștia este acidul fosforic, care reprezintă aproximativ 83% din toată utilizarea fosforului în industrie. O utilizare minoră este la fabricarea chibriturilor de siguranță.

Acidul fosforic Acidul fosforic (H3PO4) ocupă de obicei numărul șapte printre cele mai produse pe scară largă în Statele Unite. Este transformat într-o varietate de forme, toate acestea fiind apoi utilizate la fabricarea îngrășămintelor sintetice, reprezentând aproximativ 85% din tot acidul produs. Alte aplicații ale acidului fosforic includ producția de săpunuri și detergenți, tratarea apei, curățarea și rezistenta la rugină a metalelor, fabricarea aditivilor pe benzină și producția de hrană pentru animale.

timp, mare cantități de acid fosforic au fost transformate într-un compus cunoscut sub numele de tripolifosfat de sodiu (STPP). STPP, la rândul său, a fost utilizat la fabricarea detergenților sintetici. Cu toate acestea, când STPP este eliberat în mediu, acesta servește ca nutrient primar pentru alge în corpurile de apă, cum ar fi iazurile și lacurile. Creșterea înfloririlor uriașe de alge în anii 1970 și 1980, ca urmare a deversărilor de fosfați, a condus în cele din urmă la interzicerea utilizării acestui compus în detergenți. În consecință, compusul nu mai este important din punct de vedere comercial.

Arsenic și antimoniu

Arsenic și antimoniu sunt ambii metaloizi. Adică se comportă uneori ca metale și alteori ca nemetale. Arsenicul este un metal fragil gri-argintiu care se murdărește atunci când este expus la aer. Există în două forme alotrope: negru și galben. Punctul său de topire este de 817 ° C (1502 ° F) la 28 de atmosfere de presiune, iar punctul de fierbere este de 613 ° C (1135 ° F), la care temperatură se sublimează (trece direct de la solid la starea de vapori).

Antimoniul apare și în două forme alotrope: negru și galben. Este un solid alb-argintiu cu un punct de topire de 630 ° C (1170 ° F) și un punct de fierbere de 1635 ° C (2980 ° F). Atât arsenul, cât și antimoniul au fost identificate înainte de nașterea chimiei moderne – cel puțin încă din secolul al XV-lea.

Arsenicul este un element relativ neobișnuit în scoarța Pământului, ocupând locul 51 în ordinea abundenței. este de fapt produs comercial din praful de ardere obținut din topitoriile de cupru și plumb (metale separate prin topire), deoarece apare în general în combinație cu aceste două elemente.

Antimoniul este mult mai puțin comun în scoarța Pământului decât este arsenic, ocupând locul 62 printre elemente. Apare cel mai adesea sub formă de stibnită minerală (sulfură de antimoniu), din care se obține într-o reacție cu fierul metalic.

Utilizări. Arsenul este utilizat pe scară largă în producția de aliaje (un amestec de două sau mai multe metale sau un metal și un nemetal) utilizate în shot, baterii, acoperirea cablurilor, tuburile cazanelor și tipuri speciale de lipire (un aliaj metalic topit folosit pentru a se uni alte suprafețe metalice). Într-o formă foarte pură, este o componentă esențială a multor dispozitive electronice.În mod tradițional, compușii de arsenic au fost folosiți pentru a ucide șobolanii și alți dăunători, deși a fost în mare parte înlocuit în acest scop cu alte produse.

Antimoniul este, de asemenea, un element popular de aliere. Aliajele sale pot fi găsite în rulmenți cu bile, baterii, muniție, lipire, tip metal, țeavă de tablă și alte aplicații. Aplicarea sa în metalul de tip reflectă o proprietate deosebit de interesantă: spre deosebire de majoritatea materialelor, antimoniul se extinde pe măsură ce se răcește și se solidifică dintr-un lichid. Din cauza acestui fapt, metalul tip turnat în matrițe sub formă de litere se extinde pe măsură ce se răcește pentru a umple toate părțile matriței. Literele formate în acest proces au margini clare și ascuțite.

Bismut

Bismutul este un metal argintiu tipic cu o nuanță roșiatică interesantă. Are un punct de topire de 271 ° C (520 ° F) și un punct de fierbere de 1560 ° C (2840 ° F). Este unul dintre cele mai rare elemente din scoarța terestră, clasându-se 69 din 75 de elemente pentru care s-au făcut estimări. Apare cel mai frecvent sub formă de bismit mineral (oxid de bismut), bismutinit (sulfură de bismut) și bismutit (oxicarbonat de bismut) Ca și arsenicul și antimoniul, bismutul a fost identificat încă din secolul al XV-lea de pre-chimiștii cunoscuți sub numele de alchimiști.

Aproape tot bismutul produs comercial este utilizat pentru una din cele două aplicații: în producție de aliaje sau alte produse metalice și în produse farmaceutice. Unele dintre cele mai interesante aliaje ale sale sunt cele care se topesc la temperaturi scăzute și care pot fi utilizate, de exemplu, în sistemele automate de sprinkler. Compușii de bismut sunt utilizați pentru a trata stomacul supărat, eczema (o tulburări ale pielii) și ulcerelor și la fabricarea pulberilor de față.