Stickstofffamilie

Die Stickstofffamilie besteht aus den fünf Elementen der Gruppe 15 des Periodensystems: Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Wismut. Diese fünf Elemente haben eine wichtige strukturelle Eigenschaft gemeinsam: Sie haben alle fünf Elektronen im äußersten Energieniveau ihrer Atome. Trotzdem unterscheiden sie sich sowohl in ihren physikalischen Eigenschaften als auch im chemischen Verhalten deutlich voneinander. Stickstoff ist ein nichtmetallisches Gas; Phosphor ist ein festes Nichtmetall; Arsen und Antimon sind Metalloide; und Wismut ist ein typisches Metall.

Stickstoff

Stickstoff ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses Gas mit einem Schmelzpunkt von –210 ° C (–346 ° F) und einem Siedepunkt von –196 ° C (–320 ° F). Es ist das am häufigsten vorkommende Element in der Atmosphäre und macht etwa 78 Volumenprozent der Luft aus, die die Erde umgibt. Das Element ist jedoch in der Erdkruste viel seltener anzutreffen, wo es (zusammen mit Gallium) dreiunddreißig ist. Wissenschaftler schätzen, dass die durchschnittliche Stickstoffkonzentration in Krustengesteinen etwa 19 ppm beträgt, weniger als die von Elemente wie Neodym, Lanthan, Yttrium und Scandium, jedoch größer als die von bekannten Metallen wie Lithium, Uran, Wolfram, Silber, Quecksilber und Platin.

Die wichtigsten natürlich vorkommenden Verbindungen von Stickstoff sind Kaliumnitrat (Salpeter), das hauptsächlich in Indien vorkommt, und Natriumnitrat (Chile-Salpeter), das hauptsächlich in den Wüstenregionen Chiles und anderen Teilen Südamerikas vorkommt. Stickstoff ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Proteine, die in allen lebenden Organismen vorkommen

Die Entdeckung von Stickstoff im Jahr 1772 wird normalerweise dem schottischen Arzt Daniel Rutherford (1749–1819) zugeschrieben. Drei weitere Wissenschaftler, Henry Cavendish, Joseph Priestley und Carl Scheele, könnten ebenfalls behaupten, entdeckt zu haben die ele etwa zur gleichen Zeit. Stickstoff wurde zuerst als das Produkt identifiziert, das zurückbleibt, wenn eine Substanz in einer geschlossenen Luftprobe verbrannt wird (wodurch die Sauerstoffkomponente der Luft entfernt wird).

Verwendung. Die industrielle Verwendung von Stickstoff hat in den letzten Jahrzehnten dramatisch zugenommen. Mit einer jährlichen Produktion von 26 Milliarden Kilogramm pro Jahr ist es die am zweithäufigsten produzierte Chemikalie in den USA.

Die wichtigsten Anwendungen des Elements hängt von seiner chemischen Inertheit (Inaktivität) ab. Es wird häufig als Deckatmosphäre in metallurgischen Prozessen verwendet, in denen die Anwesenheit von Sauerstoff schädlich wäre. Bei der Verarbeitung von Eisen und Stahl verhindert beispielsweise eine über den Metallen platzierte Stickstoffdecke deren Reaktion mit Sauerstoff, der in den Endprodukten unerwünschte Oxide bilden würde.

Das Spülen (Freisetzen von Sedimenten oder eingeschlossener Luft) von Tanks, Rohren und anderen Arten von Behältern mit Stickstoff kann ebenfalls die Möglichkeit von Bränden verhindern In der Erdölindustrie beispielsweise erzeugt die Verarbeitung organischer Verbindungen in Gegenwart von Luft das Potenzial für Brände – Brände, die vermieden werden können, indem die Reaktanten mit reinem Stickstoff bedeckt werden.

Stickstoff wird auch in verwendet die Herstellung von elektronischen Komponenten nts. Die Montage von Computerchips und anderen elektronischen Geräten kann mit allen Materialien erfolgen, die in eine Stickstoffatmosphäre getaucht sind, wodurch die Oxidation eines der verwendeten Materialien verhindert wird. Stickstoff wird häufig als Schutzmittel bei der Verarbeitung von Lebensmitteln verwendet, damit kein Zerfall (Oxidation) auftritt.

Eine weitere kritische Verwendung von Stickstoff ist die Herstellung von Ammoniak nach dem nach seinem Erfinder benannten Haber-Verfahren , Deutscher Chemiker Fritz Haber (1868–1934). Der Haber-Prozess beinhaltet die direkte Synthese von Ammoniak aus seinen Elementen – Stickstoff und Wasserstoff. Die beiden Gase werden unter bestimmten Bedingungen kombiniert: (1) Die Temperatur muss 500 bis 700 ° C (900 bis 1300 ° F) betragen, (2) der Druck muss mehrere hundert Atmosphären betragen und (3) ein Katalysator (etwas, das beschleunigt chemische Reaktionen) wie feinteiliges Nickel müssen vorhanden sein. Eine der Hauptverwendungen des nach diesem Verfahren hergestellten Ammoniaks ist die Herstellung von synthetischen Düngemitteln.

Etwa ein Drittel des gesamten erzeugten Stickstoffs wird in flüssiger Form verwendet. Beispielsweise wird flüssiger Stickstoff zum schnellen Einfrieren von Lebensmitteln und zum Konservieren von Lebensmitteln während des Transports verwendet. Darüber hinaus erleichtern die sehr niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff die Handhabung einiger Materialien. Beispielsweise sind die meisten Gummiformen für die Bearbeitung bei Raumtemperatur zu weich und biegsam. Sie können jedoch zuerst in flüssigem Stickstoff gekühlt und dann in einer viel steiferen Form gehandhabt werden.

Drei Stickstoffverbindungen sind auch kommerziell wichtig und zählen traditionell zu den 25 in den USA hergestellten Chemikalien. Sie sind Ammoniak (Nummer 6 im Jahr 1990), Salpetersäure (Nummer 13 im Jahr 1990) und Ammoniumnitrat (Nummer 14 im Jahr 1990). Alle drei Verbindungen werden in der Landwirtschaft in großem Umfang als synthetische Düngemittel verwendet. Mehr als 80 Prozent des produzierten Ammoniaks fließen beispielsweise in die Herstellung von Kunstdünger.

Neben seiner landwirtschaftlichen Rolle ist Salpetersäure ein wichtiger Rohstoff bei der Herstellung von Sprengstoffen. Trinitrotoluol (TNT), Schießpulver, Nitroglycerin, Dynamit und rauchfreies Pulver sind Beispiele für Sprengstoffe aus Salpetersäure. Etwas mehr als 5 Prozent der produzierten Salpetersäure werden auch bei der Synthese von Adipinsäure und verwandten Verbindungen verwendet, die bei der Herstellung von Nylon verwendet werden. Phosphor Phosphor liegt in drei allotropen Formen vor (physikalisch oder chemisch unterschiedliche Formen derselben Substanz): weiß, rot und schwarz. Die weiße Form von Phosphor ist ein hochaktiver, wachsartiger Feststoff, der sich an der Luft spontan entzündet. Im Gegensatz dazu ist roter Phosphor ein rötliches Pulver, das relativ inert (inaktiv) ist. Es entzündet sich nur, wenn es einer offenen Flamme ausgesetzt wird. Der Schmelzpunkt von Phosphor beträgt 44 ° C (111 ° F) und sein Siedepunkt beträgt 280 ° C (536 ° F). Es ist das elfthäufigste Element in der Erdkruste.

Phosphor kommt immer in Form eines Phosphats vor, einer Verbindung, die aus Phosphor, Sauerstoff und mindestens einem weiteren Element besteht. Bei weitem das am häufigsten vorkommende Die Phosphorquelle auf der Erde ist eine Familie von Mineralien, die als Apatite bekannt sind. Apatite enthalten Phosphor, Sauerstoff, Kalzium und ein Halogen (Chlor, Fluor, Brom oder Jod). Der Bundesstaat Florida ist der weltweit größte Phosphorproduzent und ist für etwa ein Drittel aller auf der Welt produzierten Elemente verantwortlich.

Phosphor kommt auch in allen lebenden Organismen vor, am häufigsten in Knochen, Zähnen, Horn und ähnlichen Materialien. Es kommt jedoch in allen Zellen in Form von Verbindungen vor, die für das Überleben allen Lebens wesentlich sind. Phosphor wird wie Kohlenstoff und Stickstoff durch die Umwelt geleitet. Da es jedoch keine üblichen gasförmigen Verbindungen enthält, findet der Phosphorkreislauf vollständig in den festen und flüssigen (Wasser-) Teilen der Erdkruste statt.

Verwendung. Etwa 95 Prozent des gesamten in der Industrie verwendeten Phosphors gehen an die Herstellung von Phosphorverbindungen. Bei weitem die wichtigste davon ist Phosphorsäure, die etwa 83 Prozent des gesamten Phosphorverbrauchs in der Industrie ausmacht. Eine geringfügige Verwendung ist die Herstellung von Sicherheitsstreichhölzern.

Phosphorsäure Phosphorsäure (H3PO4) ist in der Regel die Nummer sieben unter den in den Vereinigten Staaten am häufigsten hergestellten Chemikalien. Sie wird in eine Vielzahl von Formen umgewandelt, die dann alle zur Herstellung von Kunstdünger verwendet werden und einen Anteil von etwa 85 Prozent haben Die gesamte produzierte Säure. Andere Anwendungen von Phosphorsäure umfassen die Herstellung von Seifen und Waschmitteln, die Wasseraufbereitung, die Reinigung und den Rostschutz von Metallen, die Herstellung von Benzinadditiven und die Herstellung von Tierfutter.

Auf einmal Zeit, groß Mengen an Phosphorsäure wurden in eine Verbindung umgewandelt, die als Natriumtripolyphosphat (STPP) bekannt ist. STPP wurde wiederum zur Herstellung von synthetischen Waschmitteln verwendet. Wenn STPP an die Umwelt abgegeben wird, dient es jedoch als Hauptnährstoff für Algen in Gewässern wie Teichen und Seen. Das Wachstum riesiger Algenblüten in den 1970er und 1980er Jahren infolge von Phosphatentladungen führte schließlich zu Verboten der Verwendung dieser Verbindung in Waschmitteln. Infolgedessen ist die Verbindung nicht mehr kommerziell wichtig.

Arsen und Antimon

Arsen und Antimon sind beide Metalloide. Das heißt, sie verhalten sich manchmal wie Metalle und manchmal wie Nichtmetalle. Arsen ist ein silbergraues sprödes Metall, das an der Luft anläuft. Es existiert in zwei allotropen Formen: schwarz und gelb. Sein Schmelzpunkt beträgt 817 ° C (1502 ° F) bei 28 Atmosphären Druck und sein Siedepunkt beträgt 613 ° C (1135 ° F), bei welcher Temperatur er sublimiert (geht direkt vom festen in den Dampfzustand über) / p>

Antimon tritt auch in zwei allotropen Formen auf: schwarz und gelb. Es ist ein silberweißer Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 630 ° C (1170 ° F) und einem Siedepunkt von 1635 ° C (2980 ° F). Sowohl Arsen als auch Antimon wurden vor der Geburt der modernen Chemie identifiziert – zumindest bereits im 15. Jahrhundert.

Arsen ist ein relativ seltenes Element in der Erdkruste und steht in der Reihenfolge seiner Häufigkeit auf Platz 51 wird tatsächlich kommerziell aus dem Rauchstaub hergestellt, der aus Kupfer- und Bleischmelzen (durch Schmelzen getrennte Metalle) gewonnen wird, da er im Allgemeinen in Kombination mit diesen beiden Elementen auftritt.

Antimon ist in der Erdkruste viel seltener als es ist Arsen, Rang 62 unter den Elementen. Es kommt am häufigsten als das Mineral Stibnit (Antimonsulfid) vor, aus dem es in einer Reaktion mit Eisenmetall erhalten wird.

Verwendet. Arsen wird häufig bei der Herstellung von Legierungen (eine Mischung aus zwei oder mehr Metallen oder einem Metall und einem Nichtmetall) verwendet, die in Schrot, Batterien, Kabelabdeckungen, Kesselrohren und speziellen Arten von Lot (einer geschmolzenen Metalllegierung, die zum Zusammenfügen verwendet wird) verwendet werden andere metallische Oberflächen). In einer sehr reinen Form ist es ein wesentlicher Bestandteil vieler elektronischer Geräte.Traditionell wurden Arsenverbindungen verwendet, um Ratten und andere Schädlinge abzutöten, obwohl sie zu diesem Zweck weitgehend durch andere Produkte ersetzt wurden.

Antimon ist auch ein beliebtes Legierungselement. Seine Legierungen finden sich in Kugellagern, Batterien, Munition, Lot, Metall, Blech und anderen Anwendungen. Seine Anwendung in Metallarten spiegelt eine besonders interessante Eigenschaft wider: Im Gegensatz zu den meisten Materialien dehnt sich Antimon aus, wenn es aus einer Flüssigkeit abkühlt und sich verfestigt. Aufgrund dieser Tatsache dehnt sich Metall, das in Form von Buchstaben in Matrizen gegossen wird, beim Abkühlen aus, um alle Teile der Matrize zu füllen. Buchstaben, die in diesem Prozess gebildet werden, haben klare, scharfe Kanten.

Wismut

Wismut ist ein typisches silbernes Metall mit einem interessanten rötlichen Schimmer. Es hat einen Schmelzpunkt von 271 ° C (520 ° F) und einen Siedepunkt von 1560 ° C (2840 ° F). Es ist eines der seltensten Elemente in der Erdkruste und belegt Platz 69 von 75 Elementen, für die Schätzungen vorgenommen wurden. Es kommt am häufigsten als Mineral Bismit (Wismutoxid), Bismuthinit (Wismutsulfid) und Bismutit (Wismutoxycarbonat) vor. Wie Arsen und Antimon wurde Wismut bereits im 15. Jahrhundert von den als Alchemisten bekannten Vorchemikern identifiziert.

Fast das gesamte kommerziell hergestellte Wismut wird für eine von zwei Anwendungen verwendet: bei der Herstellung von Legierungen oder anderen metallischen Produkten und in Pharmazeutika. Einige der interessantesten Legierungen sind solche, die bei niedrigen Temperaturen schmelzen und beispielsweise in automatischen Sprinklersystemen verwendet werden können. Wismutverbindungen werden zur Behandlung von Magenverstimmung und Ekzemen verwendet (a Hauterkrankungen) und Geschwüre sowie bei der Herstellung von Gesichtspudern