SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén csoport

Átírás

1 Nitrogén csoport Általános jellemzés: V/A. oszlop Külső elektronhéj szerkezete: ns 2 np 3 N, P nemfém, As, Sb félfém, Bi fém Elektronegativitás: 1,9-3,0 (többnyire kovalens kötést képeznek) Az V. főcsoport elemei három kovalens kötés képzésére képesek Vegyérték, oxidációs szám: sokféle N Nitrogén [He] 2s 2 2p 3 P Foszfor [Ne] 3s 2 3p 3 As Arzén [Ar] 3d 10 4s 2 4p 3 Sb Antimon [Kr] 4d 10 5s 2 5p 3 Bi Bizmut [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 3

2 Nitrogéncsoport elemei Nitrogén lehetséges oxidációs számai: -3: ammónia (NH 3 ) -2: hidrazin (H 2 N-NH 2 ) -1: hidroxilamin (H 2 N-OH) 0: nitrogén molekula (N 2 ) +1: dinitrogén-oxid (N 2 O) +2: nitrogén-monoxid (NO) +3: dinitrogén-trioxid (N 2 O 3 ) +4: nitrogén-dioxid (NO 2 ) +5: nitrogén-pentaoxid (N 2 O 5 )

3 Nitrogén Előfordulása: atmoszféra 78% -a, kéregben 19 ppm; salétrom (KNO 3 ), Chilei salétrom (NaNO 3 ) Elektronszerkezet: 1s 2 2s 2 2p 3, kétatomos molekulákat képez (háromszoros kötés) Jellemző tulajdonságai: fp: -195 C rendkívül inert (oxidálni természetben csak a villámcsapás és igen heves tüzek tudják) Előállítás: cseppfolyós levegő frakcionált desztillációjával Felhasználás elemként: Inert atmoszféra hűtőközeg

4 Nitrogén Reakciói: szobahőmérsékleten csak Li -mal képez nitridet, magas hőmérsékleten átmenetifémekkel, alkáliföldfémekkel, B, Al, Si -mal nitrideket alkot közel mindegyik nemfémes elemmel kovalens kötéseket Fontosabb vegyületei (I): azidok (N 3 ) nátrium-azid: légzsákok gyors felfújása (2NaN 3 2Na + 3N 2 ); ólomazid: gyutacs, detonátor

5 Nitrogén Fontosabb vegyületei (I): Hidridek (ammónia, hidrazin: N 2 H 4 ) Oxidok (Dinitrogén-oxid, nitrogénmonoxid,nitrogén-dioxid) Salétromossav, nitritek Salétromsav, nitrátok

6 Nitrogén: vegyülete a NH 3 Ammónia (NH 3 ) Tulajdonságok színtelen, szúrós szagú, nagy párolgáshő, vízben jól oldódik vizes oldata: ammónium-hidroxid (NH 4 OH) csak vizes oldatban létezik, gyenge bázis: NH 3 + H 2 O NH 4 OH + NH 3 vízben való oldódása exoterm: hevítés hatására NH 3 eltávozik. Felhasználása: műtrágyagyártás (folyékony ammónia, karbamid, ammónium-nitrát, ammóniumfoszfát, ammónium-szulfát) műanyaggyártás (nylon, poliamidok, poliuretánok) Robbanószer-gyártás (nitroglicerin, nitrocellulóz, TNT) salétromsavgyártás oldószer Előállítás: Haber-Bosch eljárás ( BASF, 1913): földgázból hidrogén előállítása, szénmonoxid oxidálása majd eltávolítása (lúgos mosás), majd : Fe,400 C,200atm a keletkezett kb. 15% NH 3 -át hűtéssel N 2 + 3H 2 2NH 3 lekondenzáltatják, a maradék gázt visszavezetik. ( 100Mt/év)

7 Nitrogén oxidjai (I) Dinitrogén-oxid (N 2 O) természetben: bakteriális tevékenység eredménye, üvegházhatást okozó gáz Előállítás: NH 4 NO 3 (s) = 2H 2 O(g) + N 2 O(g) (exoterm, 240 C felett megszaladhat) felhasználás: orvosi, fogorvosi alkalmazások (anesztetikum, "kéjgáz") rakétahajtóanyag (oxidálószer, stabil, nem túl mérgező, katalizátorral magában is) azidok előoállítása: NaNH 2 + N 2 O = NaN 3 + H 2 O benzinmotorok tuningolása (oxidálószer, párolgással hűt) tejszínhab hajtógáza (zsíroldékony)

8 Nitrogén oxidjai (II) Nitrogén-monoxid (NO) keletkezés: villámlás, belsőégésű motorok, salétromsavgyártás tulajdonságok: páratlan számú elektron, paramágneses, színtelen, (oxidálódik) Előállítás laborban: fémek oldása salétromsavban (Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 2H 2 O) Fotokémiai szmog alkotórésze N 2 + O 2 = 2NO 2NO + O 2 = 2NO 2 NO 2 + hν = NO + O O + O 2 +M = O 3 +M orvosi felhasználás (véralvadás gátlása, véredények tágulása)

9 Nitrogén oxidjai Nitrogén-dioxid (NO 2 ) Barnásvörös, Szúrós szagú, Mérgező gáz, fp: 21 o C, Párosítatlan elektron miatt paramágneses. Dimerizál (egyensúlyban van a dimerjével): 2NO 2 N 2 O 4 salétromsavgyártás intermedierje (NO oxidációjából) vízben oldva (savanhidrid): 2NO 2 + H 2 O = HNO 2 + HNO 3

10 Salétromossav, nitritek Salétromossav, nitritek (HNO 2,NO 2 ) gyenge sav, csak vizes oldatban ismert, bomlékony: 3HNO 2 = H 3 O + + NO 3 + 2NO előállítás: nitritek savanyításával nitritek előállítása: NO + NO 2 + 2NaOH = 2NaNO 2 + H 2 O felhasználás: húsok pácolása Diazotálás (diazónium vegyületek: festékek, gyógyszerek)

11 Salétromsav, nitrátok Salétromsav, nitrátok (HNO 3,NO 3 ) színtelen, szúrós szagú, erős sav oxidáló sav, napfény hatására bomlik (állás közben bomlik): 2HNO 3 = 2NO 2 + H 2 O + 0,5O 2 Öndisszociációra képes: 2HNO 3 = H 2 O + NO NO 3 előállítás (Ostwald-eljárás): 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O (Pt+Rh, 850 C, 5atm) 2NO + O 2 = 2NO 2 3NO 2 + H 2 O = HNO 3 + NO

12 Salétromsav, nitrátok Salétromsav, nitrátok (HNO 3,NO 3 ) salétromsav felhasználása: amónium-nitrát előállítása (műtrágya, robbanószer) foszfátásványok oldása (nitrofoszfát műtrágyák) ciklohexanon előállítása (műanyagok alapanyaga) nitrálóelegyek (nitroglicern, TNT, nitrocellulóz előállítása) HNO 3 + H 2 SO 4 = NO H 3 O + + 2HSO 4 Királyvíz: cc. HNO 3 és cc. HCl 1:3 arányú keveréke (aranyat is oldja) HNO 3 + 3HCl = 2H 2 O + NOCl + 2Cl (atomos klór oxidál) Au + 2Cl + NOCl + HCl = H[AuCl 4 ] + NO (hidrogén-tetrakloro-aurát) A platina oldódása forró királyvízben cc. HNO 3 a vasat és alumíniumot nem oldja, mert passzív oxidréteget képez a felületén (de: a híg HNO 3 oldja őket!! )

13 Foszfor Előfordulása: földkéreg 1,1% -a, elemi formában nem fordul elő, ásványai legnagyobbrészt apatitok (Ca 5 (PO 4 ) 3 F, Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl, Ca 5 (PO 4 ) 3 OH), csontokban, fogakban Elektronszerkezet: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3, Jellemzői: Szilárd 3 allotróp módosulata van, (fehér: P 4, vörös: láncszerű, fekete: grafitszerű) fehér foszfor vörös foszfor Elem előállítása: elektromos kemencében 2Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6SiO C 6CaSiO CO + P 4 melléktermék: SiF 4 (fluorapatitból), lúggal: Na 2 SiF 6 (ivóvíz fluoridozása) felhasználás elemként: tiszta foszforsav előállítására (újraoxidálás), foszfor-szulfidok, -kloridok és -oxikloridok előállítása, gyufagyártás (vörös), gyújtó és füstgránátok (fehér) Photo: Patrick Baz/AFP/Getty Images

14 Foszforossav (H 3 PO 3 ) Előállítása, jellemzői: 2 bázisú sav, PCl 3 hidrolízisével állítják elő, hevítve foszfinre és foszforsavra bomlik Felhasználása: SZERVETLEN KÉMIA Foszfor vegyületei műtrágyagyártás, fabetegségek ellenszere

15 Foszfor vegyületei Foszforsav (H 3 PO 4, ortofoszforsav) színtelen, kristályos (42 o C-on olvad), hárombázisú gyenge sav. Sói a foszfátok Előállítása: tiszta foszforsav: P 4 égetése, majd reakció vízgőzzel: P 4 O H 2 O = 4H 3 PO 4 "mezőgazdasági" tisztaság: Ca 5 (PO 4 ) 3 F + 5H 2 SO H 2 O = 3H 3 PO 4 + 5CaSO 4 2H 2 O + HF Felhasználás: foszforsav: metallurgia, élelmiszeripar (kóla), detergensek, gyógyszeripar; Foszforsav származék: műtrágyagyártás (Ca(H 2 PO 4 )2.H 2 O (szuperfoszfát) vízlágyítás: Na 3 PO 4

16 Arzén, Antimon, Bizmut As, Sb: félfémek, szulfidjaik fordulnak elő (pl. As 4 S 4,As 2 S 3, FeAsS, Bi: fém Felhasználás: As, Sb: ötvözők (főleg Pb -hoz), félvezetőipar, arzénvegyületek gyomirtók, rovarirtók Bi: ólom helyettesítésére Arzén és higany a vörös iszapban Arzén vízkészletekben: Banglades (eltávolítása: oxidatív kicsapás, vagy adszorpcióvassal (vassal együtt) tobb-a-kelletenel-avagy-arzen-a-vizben html

17 Széncsoport elemei Általános jellemzésük: IV/A. oszlop Elektronszerkezet: ns 2 np 2 Vegyérték: C, Si, Ge - 4; Sn, Pb 2 (ritkábban 4) C nemfém; Si, Ge félfém; Sn, Pb fém Elektronegativitás: 2,5-1,8 (C, Si, Ge kovalens kötések, Sn, Pb inkább ionos)

18 Szén Előfordulása: elemi formában, légkörben: CO 2, kéregben: karbonátok, kőszén, kőolaj,földgáz. Elektronszerkezet: 1s 2 2s 2 2p 2 Izotópok: 12 C: 98.93%; 13 C: 1.07%, (NMR); 14 C 1ppt (főként az atmoszférában, nitrogénből a kozmikus sugárzás hatására), (kormeghatározás). Szén (C) módosulatai : Kristályos: gyémánt, grafit, fullerének. Amorf szén: ásványokban (70-10%, amorf): antracit, kőszén, barnaszén, lignit, tőzeg. Mesterséges: faszén, vérszén, csontszén, korom, koksz (szénégetés, száraz lepárlás:~500 o C-on, O 2 kizárásával hevítve). Felhasználás elemként: Gyémánt (legkeményebb ásvány): ékszeripar, üvegvágás, fúrófejek, vágó élek. Grafit: elektródok, olvasztótégelyek (jó vezetőképesség), kenőanyagokban. Ásványi szenek, koksz: tüzelés. Faszén, vérszén, csontszén: sok apró pórus nagy fajlagos felület adszorbens. Korom: töltőanyag (pl. gumiban).

19 Szén Tulajdonságok: kémiailag ellenállóak, sem savakban sem lúgokban nem oldódnak (grafit forró cc HNO 3 -ban igen) oxidációja erősen exoterm, más oxidok redukálására (ill. fűtésre) használható legtöbb fémmel karbidokat képez (pl.acél, vídia) képes 4 egyforma kötés létesítésére: hibridizáció képes nagyon hosszú láncok képzésére Felhasználás elemként: gyémánt (legkeményebb ásvány): ékszeripar, üvegvágás, fúrófejek, vágóélek grafit: elektródok, olvasztótégelyek (jó vezetőképesség), kenőanyagokban ásványi szenek, koksz: tüzelés faszén, vérszén, csontszén: sok apró pórus nagy fajlagos felület adszorbens Korom: töltőanyag (pl. gumiban)

20 A szén vegyületei Amorf szén (koksz, korom, aktív szén) felhasználása: koksz: kőszén ill. kátrány levegőtől elzárt hevítésével nyerik. Felhasználás: acélgyártás, tüzelőanyag korom: szénhidrogének tökéletlen égése során keletkezik, nagy fajlagos felület, felhasználása: gumik töltőanyaga (mechanikai tulajdonságok), pigment aktív szén: nagyon nagy felület/tömeg arány (2000 m 2 /g is lehet), széntartalmú anyagok (fűrészpor, tőzeg) vízelvonó ill. a szerves részeket oxidáló szerekkel együtt hevítve. Felhasználás adszorbensként (cukoripar, víz és gázok tisztítása, katalizátor. Vegyületek és felhasználásuk (példák): Karbonátok (lásd: alkáli és alkáliföldfémeknél) Szén-monoxid (CO): toxikus (hemoglobinhoz sokkal jobban köt mint az oxigén). Keletkezés: tökéletlen égés, vízgázreakció, generátorgáz. Felhasználás: hidroformilezés (aldehidek gyártása), Ecetsavgyártás, Ni tisztítása (Mond-eljárás)

21 A szén vegyületei Szén-dioxid (CO 2 ): Képződése: égéstermék, hidrogén előállítás mellékterméke, karbonátok oldása savban. Felhasználás: szilárdan hűtésre: szénsavhó (szárazjég) (gáz összenyomása lehűtés kiterjesztés préselés), szuperkritikus folyadék: oldószer, gázként: üdítőitalok, hajtógáz, védőgáz, tűzoltókészülékek, lúgos szennyvizek semlegesítése, karbamid előállítása (műanyagok, műtrágya) Szén-diszulfid (CS 2 ): oldószer, celofán, viszkóz, műselyem előállítása. HCN, cianidok előállítása (ciánamid (CaC 2 + N 2 = CaNCN + C): műanyagipar

22 Fullerének Fullerének: mesterséges szén módosulatok (XX. sz. vége) páros számú (60, 72, 84 stb.) szénatomból álló molekulák Felfedezés: 1985-ben Harold Kroto, Robert Curl, Richard Smalley 1996-ban kémiai Nobel-díj. A molekulákat kizárólag öt- és hattagú gyűrűk építik fel. C atom három másik C atomhoz kapcsolódik (1 kettős, 2 egyes kötés). Az ötszögek száma mindig 12. A C60 (backminsterfullerén) molekula futball-labda alakú. Felhasználás: jó kenési tulajdonságok (molekulák könnyű elmozdulása) gyémántbevonat (160 atm, 25 ºC-on gyémánttá alakítható) optikai áramkörben (fénnyel besugározva vezetik az elektromosságot) Szupravezetóként (C60 Rb-só: 30 K alatt ellenállás nélkül vezeti az áramot) űrtechnológia (nanocsövek: nagy szakítószilárdság, jó el. vezetés, kémiai inaktivitás)

23 Szilícium Elektronszerkezet: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Előfordulás: elemi formában nagyon kis mennyiségben fordul elő, földkéreg második leggyakoribb eleme ( 26%), rendkívül változatos összetételű és szerkezetű ásványai vannak (SiO 2 : homok, kvarc, kova, opál, kovaföld; szilikátok: földpátok, csillámok, agyagok, azbeszt) Jellemzői: kristályszerkezete: gyémántrács, op: 1414 C, Félvezető, szobahőmérsékleten viszonylag inert, magas hőmérsékleten szinte minden elemmel reagál, Vízzel, savval nem, lúgokkal reagál lúgokban oldódik: Si + 4OH- = SiO H 2, fluor megtámadja. füstkvarc achát

24 Szilícium Előállítása: SiO 2 (homok) redukciója koksszal (96-99 % -os tisztaság): SiO 2 + 2C = Si + 2CO, 2SiC + SiO 2 = 3Si + 2CO (SiO 2 feleslegben, vö: grafit előállítás)! SiHCl 3 (szilikongyártás) desztilláció redukció zónaolvasztás; vagy hőbontás és egykristály növesztése Felhasználása elemként: más elemek előállítása oxidjaikból, ötvözőként félvezetőipar (elektronikában, számítástechnikában) Vegyületei és felhasználásuk: szilikátok: cement, beton, tégla, üveg, kaolin: porcelángyártás SiO 2 : kovaföld: szűrőanyag; kvarc: UV -áteresztő ablak, laboratóriumi üvegek, "aeroszil": gumik és műanyagok töltőanyaga SiC (karborundum): csiszolás, vágás szilikonok (polisziloxánok): Si + 2MeCl = Me 2 SiCl 2, majd hidrolízis

25 Germánium Előfordulás: ritka elem (1.5 ppm, Zn ércek kísérője) Jellemzői: kristályszerkezete: gyémántrács, op: 938 C Félvezető Előállítás: Zn -t előállító kohók pernyéjéből. Kioldás kénsavban, majd lecsapás NaOH-dal (Ge(OH) 2,Zn(OH) 2 keverék 10% Ge) Felhasználás: (régen: tranzisztor) IR ablakok, napelemek; GeO 2 : optikai szálak; GeSbTe: újraírható DVD -k; SiGe: gyors integrált áramkörök

26 Ón (Sn) Előfordulás: 2.1 ppm, SnO2 (kassziterit) Jellemzői: kristályszerkezete: 2 fontos allotróp; β (fehér) ón: szobahőmérsékleten stabil, tetragonális rács, fém, op: 232 C, sűrűség: 7,4 g/cm3 α (szürke) ón: 13 C alatt stabil, rideg, törékeny (por), gyémántrács. Átalakulás: ónpestis (már átalakult α -szemcse katalizálja) Előállítás: redukció koksszal (SnO 2 + C Sn + CO 2 ), majd a vasszennyezés újraoxidálása (könnyebb mint az óné) intenzív keveréssel levegőn Felhasználás: korrózióvédő bevonat: (bádog, pozitívabb elektródpotenciálú mint a vas, sérülés esetén nem véd tovább): pl. konzervek, italos dobozok ötvözetek: bronz (Cu/Sn), forrasztóón (Sn/Pb, Sn/Ag/Cu, Sn/Sb, Sn/In), betűfém (Pb/Sb/Sn) floatüveggyártás Sn(II) -sók: redukálószer vizes (savas) oldatokban, katalizátorok SnO 2 : üveggyártás, átlátszó + vezető bevonatok

27 Ólom (Pb) Előfordulás: 13 ppm, PbS (galenit), PbSO 4 (anglezit), PbCO 3 (cerusszit) Jellemzői: kristályszerkezete: lapcentrált köbös, op: 327 C, sűrűség: 11.3 g/cm 3, lágy fém mérgező, sok enzimrendszert gátol, eltávolítás erős komplexképzővel (EDTA) Előállítás: érc dúsítása flotációval, majd pörkölés (PbS + 1,5O 2 PbO + SO 2 ), ezután vagy redukció koksszal, vagy reagáltatás friss szulfidérccel: 2PbO + PbS 3Pb + SO 2 tisztítás: réz: kifagyasztás; Sn, As, Sb: oxidáció; Ag, Au: Zn -nel kioldás; mindezek után elektrolízis felülete könnyen passziválódik (oxid, oxokarbonát, szulfát, klorid), forró tömény kénsav sem támadja meg, de pl. ecetsav lassan oldja. Felhasználás: akkumulátorok, lövedékek, nehezékek, sugárzásvédő-pajzsok, régebben: csővezeték, tetőburkolatok szerves ólomvegyületek régebben kopogásgátlók (tetraetil-ólom) színes sók: pigmentek (visszaszorulóban), zománcszínezékek Galenit

28 Fémrács Jellemzőı: Rácspontokban pozitív töltésű fém atomtörzsek, amiket hozzájuk közösen tartozó delokalizált elektronok kötnek össze vezetőképesség Erős kötés: kemény, magas op (Cr, W) Szürke szín (kivétel Cu, Au): minden típusú fotont elnyel (e - -ok gerjesztődnek) Oldhatóság: egymás olvadékaiban ötvözet, kémiai átalakulással savakban Leggyakoribb racstipusok: térben középpontos kockarács (Na, K, Fe, Cr) mindenfele kemény, lapon középpontos kockarács (Au, Ag, Al, Cu) puha, megmunkálható hatszöges rács (Mg, Ni, Zn) rideg