Kvävefamiljen

Kvävefamiljen består av de fem elementen som utgör grupp 15 i det periodiska systemet: kväve, fosfor, arsenik, antimon och vismut. Dessa fem element delar en viktig strukturell egenskap: de har alla fem elektroner i deras atomers yttersta energinivå. Ändå skiljer de sig påfallande från varandra både i fysikaliska egenskaper och kemiskt beteende. Kväve är en icke-metallisk gas; fosfor är en fast icke-metallisk; arsenik och antimon är metalloider; och vismut är en typisk metall.

Kväve

Kväve är en färglös, luktfri, smaklös gas med en smältpunkt på -210 ° C (−346 ° F) och en kokpunkt av -196 ° C (-320 ° F). Det är det vanligaste elementet i atmosfären och utgör cirka 78 volymprocent av luften som omger jorden. Elementet är mycket mindre vanligt i jordskorpan, men där det rankas trettiotrededel (tillsammans med gallium) i överflöd. Forskare uppskattar att den genomsnittliga koncentrationen av kväve i jordskorpan är cirka 19 delar per miljon, mindre än den hos grundämnen som neodym, lantan, yttrium och skandium, men större än för välkända metaller som litium, uran, volfram, silver, kvicksilver och platina.

De viktigaste naturligt förekommande föreningarna av kväve är kaliumnitrat (saltpeter), som främst finns i Indien och natriumnitrat (Chile saltpeter), som främst finns i ökenregionerna i Chile och andra delar av Sydamerika. Kväve är också en väsentlig komponent i proteinerna som finns i alla levande organismer. .

Kredit för upptäckten av kväve 1772 ges vanligtvis till den skotska läkaren Daniel Rutherford (1749–1819). Tre andra forskare, Henry Cavendish, Joseph Priestley och Carl Scheele, kan också hävda att de har upptäckt elen ungefär samtidigt. Kväve identifierades först som den produkt som lämnades efter när ett ämne bränns i ett slutet luftprov (som avlägsnade luftens syrekomponent).

Användningar. Den industriella användningen av kväve har ökat dramatiskt under de senaste decennierna. Det rankas nu som den näst mest producerade kemikalien

i USA med en årlig produktion på cirka 57 miljarder pund (26 miljarder kilo).

Elementets viktigaste applikationer beror på dess kemiska tröghet (inaktivitet). Det används i stor utsträckning som en täckande atmosfär i metallurgiska processer där närvaron av syre skulle vara skadlig. Vid bearbetning av järn och stål förhindrar t.ex. reagera med syre, vilket skulle bilda oönskade oxider i slutprodukterna.

Rensning (frigöring av sediment eller fångad luft) av tankar, rör och andra typer av behållare med kväve kan också förhindra risken för bränder Inom petroleumsindustrin skapar exempelvis bearbetning av organiska föreningar i närvaro av luft potential för bränder – bränder som kan undvikas genom att täcka reaktanterna med rent kväve.

Kväve används också i produktion av elektronisk kompon nts. Montering av datorchips och andra elektroniska enheter kan ske med allt material nedsänkt i kvävgasatmosfär, vilket förhindrar oxidation av något av de material som används. Kväve används ofta som ett skyddsmedel vid bearbetning av livsmedel så att sönderfall (oxidation) inte sker.

En annan kritisk användning av kväve är vid produktion av ammoniak genom Haber-processen, uppkallad efter dess uppfinnare. , Tysk kemist Fritz Haber (1868–1934). Haber-processen involverar direkt syntes av ammoniak från dess grundämnen – kväve och väte. De två gaserna kombineras under specifika förhållanden: (1) temperaturen måste vara 500 till 700 ° C (900 till 1300 ° F), (2) trycket måste vara flera hundra atmosfärer och (3) en katalysator (något som hastar kemiska reaktioner) såsom finfördelat nickel måste finnas. En av de viktigaste användningarna av ammoniak som produceras med denna metod är vid produktion av syntetiska gödningsmedel.

Cirka en tredjedel av allt producerat kväve används i flytande form. Till exempel används flytande kväve för snabbfrysning av livsmedel och för konservering av livsmedel under transport. Dessutom gör de mycket låga temperaturerna av flytande kväve vissa material lättare att hantera. Till exempel är de flesta former av gummi för mjuka och smidiga för bearbetning vid rumstemperatur. De kan emellertid först kylas i flytande kväve och sedan hanteras i en mycket styvare form.

Tre kväveföreningar är också kommersiellt viktiga och rankas traditionellt bland de 25 bästa kemikalierna som produceras i USA. De är ammoniak (nummer 6 1990), salpetersyra (nummer 13 1990) och ammoniumnitrat (nummer 14 1990). Alla dessa tre föreningar används i stor utsträckning inom jordbruket som syntetiska gödningsmedel. Mer än 80 procent av den producerade ammoniak går till exempel till produktion av syntetiska gödningsmedel.

Förutom sin jordbruksroll är salpetersyra ett viktigt råmaterial vid produktion av sprängämnen. Trinitrotoluen (TNT), krut, nitroglycerin, dynamit och rökfritt pulver är alla exempel på den typ av sprängämnen som är gjorda av salpetersyra. Något mer än 5 procent av den salpetersyra som produceras används också vid syntes av adipinsyra och besläktade föreningar som används vid tillverkning av nylon.

Fosfor

Fosfor finns i tre allotropa former (fysiskt eller kemiskt olika former av samma ämne): vitt, rött och svart. Den vita formen av fosfor är ett mycket aktivt vaxartat fast ämne som spontant tar eld när det utsätts för luft. Däremot är röd fosfor ett rödaktigt pulver som är relativt inert (inaktivt). Den tar inte eld om den inte utsätts för öppen eld. Smältpunkten för fosfor är 44 ° C (111 ° F), och dess kokpunkt är 280 ° C (536 ° F). Det är det elfte mest förekommande elementet i jordskorpan.

Fosfor förekommer alltid i form av ett fosfat, en förening som består av fosfor, syre och minst ett element till. Överlägset det mest förekommande källa till fosfor på jorden är en familj av mineraler som kallas apatiter. apatiter innehåller fosfor, syre, kalcium och en halogen (klor, fluor, brom eller jod). Florida är världens största producent av fosfor. och ansvarar för ungefär en tredjedel av allt grundämne som produceras i världen.

Fosfor förekommer också i alla levande organismer, mest i ben, tänder, horn och liknande material. Det finns i alla celler, dock i form av föreningar som är väsentliga för överlevnaden av allt liv. Liksom kol och kväve cyklas fosfor genom miljön. Men eftersom den inte har några vanliga gasformiga föreningar, sker fosforcykeln helt inom de fasta och flytande (vatten) delarna av jordskorpan.

Användningar. Cirka 95 procent av all fosfor som används i industrin går till produktionen av fosforföreningar. Den överlägset viktigaste av dessa är fosforsyra, som står för cirka 83 procent av all fosforanvändning inom industrin. En mindre användning är vid tillverkning av säkerhetsmatcher.

Fosforsyra Fosforsyra (H3PO4) rankas vanligtvis ungefär nummer sju bland de kemikalier som mest produceras i USA. Den omvandlas till en mängd olika former, som alla sedan används vid tillverkning av syntetiskt gödningsmedel och står för cirka 85 procent av all syra som produceras. Andra tillämpningar av fosforsyra inkluderar produktion av tvålar och tvättmedel, vattenbehandling, rengöring och rostskydd av metaller, tillverkning av bensintillsatser och produktion av djurfoder.

tid, stor mängder fosforsyra omvandlades till en förening känd som natriumtripolyfosfat (STPP). STPP användes i sin tur vid tillverkning av syntetiska rengöringsmedel. När STPP släpps ut i miljön tjänar det dock som ett primärt näringsämne för alger i vattendrag som dammar och sjöar. Tillväxten av stora algblomningar på 1970- och 1980-talet som ett resultat av fosfatutsläpp ledde så småningom till förbud mot användningen av denna förening i tvättmedel. Som en konsekvens är föreningen inte längre kommersiellt viktig.

Arsenik och antimon

Arsenik och antimon är båda metalloider. Det vill säga, de beter sig ibland som metaller och ibland som icke-metaller. Arsenik är en silvergrå spröd metall som suddas när den utsätts för luft. Den finns i två allotropa former: svart och gult. Smältpunkten är 817 ° C (1502 ° F) vid 28 atmosfärers tryck, och kokpunkten är 613 ° C (1135 ° F), vid vilken temperatur den sublimerar (passerar direkt från det fasta ämnet till ångtillståndet). / p>

Antimon förekommer också i två allotropa former: svart och gult. Det är ett silvervitt fast ämne med en smältpunkt på 630 ° C (1170 ° F) och en kokpunkt på 1635 ° C (2980 ° F). Både arsenik och antimon identifierades före födelsen av modern kemi – åtminstone så tidigt som på 1500-talet.

Arsenik är ett relativt ovanligt element i jordskorpan och rankas som nummer 51 i ordning efter överflöd. produceras faktiskt kommersiellt från rökgaserna från koppar och blysmältverk (metaller separerade genom smältning) eftersom det i allmänhet förekommer i kombination med dessa två element.

Antimon är mycket mindre vanligt i jordskorpan än vad som är arsenik, rankning nummer 62 bland elementen. Det förekommer oftast som mineralstibniten (antimensulfid), från vilken det erhålls vid en reaktion med järnmetall.

Användningar. Arsenik används i stor utsträckning vid tillverkning av legeringar (en blandning av två eller flera metaller eller en metall och en icke-metall) som används i skott, batterier, kabeltäckning, pannrör och speciella lödtyper (en smält metalllegering som används för att sammanfoga andra metallytor). I en mycket ren form är det en väsentlig komponent i många elektroniska enheter.Traditionellt har arsenikföreningar använts för att döda råttor och andra skadedjur, även om den till stor del har ersatts för detta ändamål med andra produkter.

Antimon är också ett populärt legeringselement. Dess legeringar finns i kullager, batterier, ammunition, löd, metall, plåtrör och andra applikationer. Dess applicering i typ metall återspeglar en särskilt intressant egenskap: till skillnad från de flesta material expanderar antimon när det svalnar och stelnar från en vätska. På grund av detta faktum expanderar typmetall som hälls i matriser i form av bokstäver när det svalnar för att fylla alla delar av formen. Bokstäver som bildats i denna process har tydliga, skarpa kanter.

Vismut

Vismut är en typisk silvermetall med en intressant rödaktig nyans. Den har en smältpunkt på 271 ° C (520 ° F) och en kokpunkt på 1560 ° C (2840 ° F). Det är ett av de sällsynta grundämnena i jordskorpan, och rankas 69 av 75 element för vilka uppskattningar har gjorts. Det förekommer oftast som mineralvismen (vismutoxid), vismutinit (vismutsulfid) och vismutit (vismutoxikarbonat) Liksom arsenik och antimon identifierades vismut redan på 1500-talet av de förkemister som kallas alkemisterna.

Nästan all vismut som produceras kommersiellt används för en av två applikationer: i produktionen av legeringar eller andra metallprodukter och i läkemedel. Några av dess mest intressanta legeringar är de som smälter vid låga temperaturer och som kan användas till exempel i automatiska sprinklersystem. Föreningar av vismut används för att behandla magbesvär, eksem (en hudstörning) och sår och vid tillverkning av ansiktspulver.