Dusík a jeho sloučeniny Mgr. Jana Pertlová
Copyright © iStudium, 2008, http://www.istudium.cz Žádná část této publikace nesmí být publikována a šířena žádným způsobem a v žádné podobě bez výslovného svolení vydavatele. Produkce, technický redaktor: Roman Bartoš Vnitřní úprava: Stanislav Kliment
OBSAH Obsah ........................................................................................................................................................1 Dusík ........................................................................................................................................................2 Základní vlastnosti ..............................................................................................................................2 Elektronová konfigurace .....................................................................................................................2 Vazebné schopnosti .............................................................................................................................2 Vaznost ..........................................................................................................................................2 Oxidační čísla .................................................................................................................................2 Výskyt .................................................................................................................................................3 Volný dusík ....................................................................................................................................3 Vázaný dusík ..................................................................................................................................3 Chemické vlastnosti ............................................................................................................................3 Molekulární dusík ..........................................................................................................................3 Atomární dusík ...............................................................................................................................3 Příprava ...............................................................................................................................................3 Průmyslová výroba ........................................................................................................................3 Využití .................................................................................................................................................3 Sloučeniny ...........................................................................................................................................5 Amoniak – NH3 .............................................................................................................................5 Kyanovodík – HCN .......................................................................................................................6 Oxid dusnatý – NO ........................................................................................................................6 Oxid dusičitý – NO2 .......................................................................................................................7 Kyselina dusitá – HNO2 .................................................................................................................7 Kyselina dusičná – HNO3 ..............................................................................................................8 Dusičnany.......................................................................................................................................9
1
DUSÍK ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI Bezbarvý plyn, bez chuti a bez zápachu. Není jedovatý. Lze jej dobře zkapalnit, t. v. −196 °C. Lehčí než vzduch. Má třetí nejvyšší hodnotu elektronegativity.
ELEKTRONOVÁ KONFIGURACE
Obr. 1: Elektronová konfigurace dusíku
VAZEBNÉ SCHOPNOSTI Vaznost V základním stavu trojvazný. Nejčastěji tři kovalentní vazby. Nemůže excitovat, tzn., že jeho vaznost je omezena pouze na základní stav. Tvořen dvouatomovými molekulami, které jsou spojené velmi pevnou trojnou vazbou.
Obr. 2:
Vazebné schopnosti dusíku
Díky vysoké elektronegativitě tvoří anion N3−. Pomocí volného elektronového páru je schopen tvořit koordinační vazbu, např. amonný kation NH4 . Je schopen mezi molekulami tvořit vodíkový můstek (amoniak, …).
Oxidační čísla Záporné: −III (NH3, Na3N, Li3N, Mg3N2, …). Kladná: +I, +II, +III, +IV, +V (pouze ve sloučeninách s fluorem a kyslíkem).
2
VÝSKYT Volný dusík Největší zastoupení v atmosféře (78 %). Nepodporuje dýchání a hoření.
Vázaný dusík Výskyt v nejrůznějších formách. Dusičnany: ledek chilský (NaNO3), ledek draselný (KNO3), ledek amonný (NH4NO3). Amoniak (NH3). Obr. 3: Složení vzduchu
Živé organismy. Bílkoviny, aminokyseliny, nukleové kyseliny, močovina, …
CHEMICKÉ VLASTNOSTI Molekulární dusík Díky trojné vazbě je velmi málo reaktivní. Označujeme ho jako „inertní plyn“ – za normálních podmínek velmi špatně slučitelný. Pokud reaguje, tak za vysoké teploty. Například N2 O2 N2 H2
t
NH3 .
Atomární dusík Je velmi reaktivní.
PŘÍPRAVA Zahříváním dusitanu amonného: NH4 NO2
t
N2 2H2 O.
Rozkladem dichromanu amonného: NH4 Cr2 O7
t
Průmyslová výroba Frakční destilací zkapalněného vzduchu.
VYUŽITÍ Výroba amoniaku, kyseliny dusičné.
3
N2 Cr2 O3 2H2 O.
t
NO,
Ochranná atmosféra (tam, kde hrozí výbuch nebo kvůli zabránění přístupu kyslíku při balení některých výrobků, které by se v přítomnosti kyslíku mohly zkazit – brambůrky, tvaroh, jogurty, oleje apod.). Kapalný dusík se používá jako chladicí médium (např. v lékařství při vypalování bradavic, při chlazení čepovaných nápojů, …). Výroba hnojiv.
Obr. 4: Koloběh dusíku
4
SLOUČENINY Tabulka 1: Přehled sloučenin dusíku
Bezkyslíkaté sloučeniny
Kyslíkaté sloučeniny
Amoniak
Kyanidy, nitridy
Oxidy
Kyseliny
Oxidační číslo
−III
−III
+I, +II, +III, +IV, +V
+III, +V
Příklad
NH3
HCN, KCN, Li3N
N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5
HNO2, HNO3
Amoniak – NH3 Vlastnosti Bezbarvý plyn.
Velmi nepříjemný zápach. Dráždivý, žíravý, velmi jedovatý. Dá se zkapalnit. Velmi dobře rozpustný ve vodě.
Výskyt Uvolňuje se rozkladem živočišných organismů, hnitím, … Jako minerál salmiak.
Příprava Haber-Boschova syntéza N 2NH . 3H Tepelným rozkladem amonných solí NH NO
NH
HNO .
Rozkladem amonných solí silnou zásadou NaOH NH NaNO H O, NH NO 2NH CaCl 2H O. 2NH Cl Ca OH
Chemické vlastnosti Ve vodě disociuje. NH H O NH
OH .
Má zásaditou povahu. S kyselinami reaguje za vzniku amonných solí. HCl NH Cl. NH H SO NH SO . 2NH Katalyticky oxiduje. 5O 4NO 4NH
6H O.
5
Obr. 5: Amoniak
Je schopen autoprotolýzy. NH NH NH NH .
Využití
Bělicí a čisticí činidlo v průmyslu i v domácnostech. Výroba kyseliny dusičné, hnojiv, pesticidů. Výroba výbušnin. Chladicí kapalina v chladírenství, na zimních stadionech, … Kadeřnické přípravky (trvalá, …). Důležitý zdroj dusíku pro rostliny.
Nevýhody, škodlivost Velice toxický pro vodní organismy (hlavně pro ryby).
Kyanovodík – HCN Vlastnosti Bezbarvá, lehce těkavá kapalina. Zápach po hořkých mandlích. Dobře rozpustný ve vodě. Velmi silný jed.
Chemické vlastnosti Rozpuštěním ve vodě vzniká slabá kyselina kyanovodíková. CN . HCN H O H O Soli se nazývají kyanidy.
Využití Pesticidy. Bojový plyn. KCN – tzv. cyankáli – velmi silný jed.
Oxid dusnatý – NO Z oxidů mají největší praktický význam NO a NO2.
Vlastnosti Bezbarvý jedovatý plyn. Bez zápachu.
Příprava Katalytickou oxidací amoniaku 5O 4NO 6H O. 4NH Reakcí kovu a kyseliny dusičné za nepřístupu vzduchu , .
6
Chemické vlastnosti Na vzduchu se snadno oxiduje na NO2. . Ve vodě se nerozpouští.
Využití Meziprodukt při výrobě kyseliny dusičné.
Nevýhody, škodlivost Patří k tzv. „kyselým dešťům“. Součást výfukových plynů.
Oxid dusičitý – NO2 Vlastnosti Červenohnědý, jedovatý plyn. Má nepříjemný zápach. Existuje jako dimer: N O
2NO .
Příprava Samovolnou oxidací NO . Reakcí kovu s kyselinou dusičnou .
Chemické vlastnosti S vodou reaguje za vzniku kyseliny dusičné. , .
Využití Výroba kyseliny dusičné.
Nevýhody, škodlivost Patří k tzv. „kyselým dešťům“. Součást výfukových plynů.
Kyselina dusitá – HNO2 Vlastnosti Bezbarvá kapalina. Středně silná kyselina.
7
Příprava Rozkladem dusitanů silnou kyselinou HCl HNO NaCl. NaNO Reakcí NO2 s vodou H O HNO NO
HNO .
Chemické vlastnosti Nestálá, rozkládá se. HNO 2NO 3HNO Ve vodě disociuje. H O H O HNO
H O. NO .
Reakcí se zásadou vznikají soli. NaOH NaNO H O. HNO
Kyselina dusičná – HNO3 Vlastnosti Bezbarvá, žíravá kapalina. Neomezeně rozpustná ve vodě. Nestálá, na vzduchu uvolňuje NO2. Kyselé deště.
Příprava 2NaNO
2H SO
2NaHSO
2HNO .
Výroba Haber-Boschova syntéza N 2NH , 3H
Obr. 6: Kyselina dusičná
katalytická oxidace amoniaku 5O 4NO 6H O, 4NH vzdušná oxidace NO na NO2 , rozpouštění NO2 ve vodě .
Chemické vlastnosti Velice dobře disociuje. HNO H O H O
NO .
Má velmi silné oxidační účinky. zřed. konc.
, .
Velmi zředěná reaguje s neušlechtilými kovy až za vzniku amoniaku nebo amonné soli. . Pasivuje Fe, Cr, Al (vytvoří se vrstva dusičnanu a chrání jej před další oxidací).
8
Reaguje s nekovy. CO 4NO 2H O, C 4HNO H SO 2NO. S 2HNO Rozpouští ušlechtilé kovy (např. zlato) jako tzv. lučavka královská – směs HNO3 : HCl = 1 : 3. Au 3NO 6H Au 3NO 3H O.
Využití Výroba výbušnin. Výroba hnojiv. Nitrační činidlo v organické chemii.
Dusičnany Často se označují jako ledek.
Vlastnosti Všechny jsou dobře rozpustné ve vodě.
Chemické vlastnosti Zahříváním přechází na dusitany. Uvolňuje se kyslík, čehož se využívá například v pyrotechnice. KNO
KNO
O .
Tabulka 2: Přehled dusičnanů
Zástupce
Chemický vzorec
Využití
ledek chilský
NaNO3
hnojivo, oxidační činidlo
ledek draselný
KNO3
hnojivo, oxidační činidlo (součást střelného prachu, pyrotechnika, …), nasolování masa jako tzv. sanytr
ledek amonný
NH4NO3
hnojivo
ledek vápenatý
Ca(NO3)2
hnojivo
salmiak
NH4Cl
součást baterií (elektrolyt), pájení
lapis
AgNO3
lékařství (vypalování bradavic)
uhličitan amonný
(NH4)2CO3
součást kypřicích prášků
síran amonný
(NH4)2SO4
hnojivo
dusičnan barnatý
Ba(NO3)2
pyrotechnika (zelený plamen)
dusičnan strontnatý
Sr(NO3)2
pyrotechnika (červený plamen)
9
