Kémiai alapismeretek 11. hét

Nitrogéncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás

Kémiai alapismeretek 11. hét Horváth Attila Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék

2011. november 22.-25.

1/18

c 2011/2012 I. félév, Horváth Attila

Felhasználás

NITROGÉN CSOPORT

Nitrogéncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

I

Nitrogén:

Előállítás Felhasználás

I I I I I I

I I I I

I

2/18

1772 Rutherford, Scheele, Cavendish izolálja a nitrogént. 1774 Priestly elkülöníti az NH3 -t. 1809 Gay-Lussac előállította az NH3 ·BF3 -t 1828 Wöhler karbamidot állított elő NH4 CNO-ból 1886 N2 -t megkötik bizonyos növények gyökérgumói. 1908 Ostwald kidolgozta az NH3 HNO3 -vá történő katalitikus oxidációjának ipari folyamatát. 1913 Haber-Bosch ammónia szintézis (nagyipari eljárás). 1926 Borazin előállítás ((HBNH)3 ) 1950 14 N és 15 N-NMR jelek észlelése 1965 Allan és Senoff előllítják az első N2 ligandumú komplexet. 1975 (SN)x polimer szupravezető 0,33K-en


I

Foszfor: I I I I I I I I

I

I

I I I I

Ókorban ismerték i.sz. 50 Plinius: Stíbium név 800 jabir: Antimon 1492 Basilius Valentinus előállítja az antimont. 1707 Lémery: Értekezés az antimonról.

Bizmut: I

3/18

i.e. V. század óta ismerik (orvoslás, méregkeverés) 1220-as évek: Előállítás, Albertus Magnus

Antimon: I

I

Brandt kinyeri vizeletből a foszfort. Boyle foszforsavat állít elő. Gahn és Scheele: P: alkotója a csontnak. Graham foszfátok csoportosítása. Murray "szuperfoszfát" műtrágya. Albright elemi foszfor ipari előállítása. Fiske és Subbarow felfedezi az ATP-t. Dickinson 31 P-NMr jel detektálása.

Arzén: I

I

1669 1694 1769 1833 1843 1844 1929 1951

1450-ben már használták ötvözőanyagként


Nitrogéncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

Előfordulás

Nitrogéncsoport Történet Előfordulás

I

Nitrogén:

Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

I

I

I

Foszfor: I I

I

Földkéreg 11. leggyakoribb eleme. Ásványaiban ortofoszfátként fordul elő: foszforit (Ca3 (PO4 )2 ), apatit (Ca5 (PO4 )3 X).

Arzén, Antimon, Bizmut: I I

I I I

4/18

Atmoszféra 79%-a, földkéregben csak a 33. leggyakoribb elem. Ásványai: salétrom (KNO3 ), chilei salétrom (NaNO3 )

Földkéregben egyik sem gyakori. Kalkofil elemek, szulfidos (S,Se,Te) ércekben fordulnak elő. As: auripigment (As2 S3 ), arzenopirit (FeAsS) Sb: antimonit (Sb2 S3 ) Bi: bizmutinit (Bi2 S3 ), bizmit (Bi2 O3 ), bizmutit ((BiO)2 CO3 ).



Fizikai tulajdonságok

Nitrogéncsoport Történet Előfordulás

1

I I I I I I

2

Kémiai tulajdonságok

színtelen, szagtalan, íztelen gáz. (N2 ) nehezen cseppfolyósítható nincs allotróp módosulata alacsony op., fp. két izotóp (14 N és 15 N) vízben kismértékben oldódik.

Foszfor I

I

1 stabil izotóp, 16 radioaktív izotópja ismert (32 P t1/2 =14,26 nap, nyomjelzés). szilárd, 3 allotróp módosulata van I

5/18

Fizikai tulajdonságok

Nitrogén:

fehér P P4 szabályos molekularács lágy, könnyen olvasztható, párolog kellemetlen szagú, vízben nem oldódik szerves oldószerek jól oldják, rendkívül mérgező



I

I

3

vörös foszfor: láncszerű atomrács ibolyás-vörös por op., fp. magasabb, mint a fehér foszforé szublimál, ám fehér foszfor kondenzálódik szerves és szervetlen oldószerekben oldhatatlan fekete foszfor termodinamikalilag legstabilabb, de nehezen állítható elő réteges atomrácsos szerkezetű elektromos félvezető

Arzén, antimon, bizmut: I

As, Bi 1 stabil izotóp; Sb 2 stabil izotóp (121 Sb és 123 Sb) legnehezebb stabil izotóp. Utána minden atommag radioaktív. több allotróp módosulatuk van, legstabilabb az α-módosulat: réteges szerkezetű. As: acélszürke, fémes kristály Sb: rideg, kékesfehér, csillogó kristály Bi: törékeny, fehér színű (rózsaszínes árnyalat), krist. fém

I 209 Bi:

I

I I I

6/18



Nitrogéncsoport

Kémiai tulajdonságok

Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

1

Nitrogén: I I I I

Felhasználás

Kémiailag inaktív, nagy kötési energia Magas hőmérsékleten reakcióképes Nagy EN, oxidációs szám:−3. . . +5 Fémekkel nitrideket képez különböző összetétellel, előállításuk: 3Ca + N2 −→ Ca3 N2 900◦ C 3Mg + 2NH3 −→ Mg3 N2 + 3H2 Al2 O3 + 3C + N2 −→ 2AlN + 3CO I I I

7/18

Előállítás

Sószerű nitridek: Li3 N, Be3 N2 , stb. Kovalens biner nitridek: (CN)2 , (SN)x , ahol x=2,4 Fémes nitridek: MN, M2 N, M4 N összetételűek (pl.:ZrN, VN, AlN, stb.) igen kemény, átlátszatlan, inert anyagok


I

H-nel alkotott vegyületek (NH3 , N2 H4 , HN3 ) I

8/18

NH3 színtelen, szúrós szagú gáz kicsi ρ, alacsony op., fp., könnyen cseppfolyósítható (-35◦ C) vízben jól oldódik, vizes oldata lúgos kémhatású cseppfolyós állapotban az alkáli fémeket, alkáli földfémeket oldja Reakciói: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2 O Pt.kat. NH3 + 2O2 −→ HNO3 + H2 O 2NH3 + 3Cl2 = N2 + 6HCl NH3 + HA(sav) = NH4 A(só) Ag+ + 2NH3 = [Ag(NH3 )2 ]+ Előállítás: 1. NH4 Cl + NaOH = NH3 + NaCl + H2 O 2. Bosch-Haber szintézis (N2 +3H2 2NH3 ) T=500◦ C, p=20MPa



Nitrogéncsoport I

I

9/18

N2 H4 (hidrazin) vízsűrűségű, levegőn füstölgő folyadék vízben, alkoholban jól oldódik vizes oldat enyhén lúgos kémhatású: − N2 H4 +H2 O=N2 H+ 5 +OH savakkal hidrazónium sókat képez: N2 H4 +HCl=N2 H5 Cl lúgos közegben erős redukálószer: N2 H4 +4OH− =N2 +4H2 O+4e− előállítás: Raschig-reakcióval (NH2 )2 CO+NaOCl+2NaOH−→N2 H4 ·H2 O+NaCl+Na2 CO3 Hidrogén-azid (HN3 ): színtelen, szúrós szagú, robbanékony folyadék gyenge sav sói azidok (robbanékonyak), legstabilabb a NaN3 + Előállítás: N2 H+ 5 +HNO2 =HN3 +H +2H2 O vagy chilei salétrom Na-amid reakciójával (szilárd közeg): NaNO3 + 3NaNH2 −→ NaN3 + 3NaOH + NH3


Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

I

Halogénekkel alkotott vegyületek I I I I

I

Oxidok: Szobahőmérsékleten nem reagál oxigénnel, csak nagyon magas hőmérsékleten. 8 különböző összetételű oxid létezik, 6 viszonylag stabil I

10/18

NX3 összetétel kovalens kötésű molekulavegyületek NF3 stabilis többi instabil, robbanékony

N2 O (kéjgáz): színtelen, kellemes szagú, könnyen cseppfolyósítható gáz vízben rosszul oldódik, formális savanhidrid (oldásával nem keletkezik H2 N2 O2 ) éghető: 2N2 O+O2 =4NO H2 -nel robbanóelegy: N2 O+H2 =N2 +H2 O Előállítása: lassúhev. NH4 NO3 −→ N2 O + 2H2 O vagy HNO2 + NH2 OH −→ N2 O + 2H2 O Felhasználás: hajtógáz, érzéstelenítő



Nitrogéncsoport I

I

11/18

NO: színtelen, nehezen cseppfolyósítható gáz alacsony op., fp. vízben alig oldódik, nem anhidrid legkisebb tömegű stabil, párosítatlan e− -nal rendelkező vegyület (paramágneses) levegőn oxidálódik: 2NO+O2 =2NO2 halogénekkel reagál: 2NO+X2 =2NOX (nitrozil-halogenid) Előállítás: 1. ammónia katalitikus oxidációja 2. KNO2 + KI + H2 SO4 = NO + K2 SO4 + H2 O + 1/2I2 3. 3KNO2 + KNO3 + Cr2 O3 = 4NO + 2K2 CrO4 N2 O3 : Alacsony hőmérsékleten létezik, igen reaktív szilárdan halványkék, folyadék állapotban mélykék valódi savanhidrid (HNO2 -é) Előállítás: 2HNO3 +2H2 O+As2 O3 =N2 O3 +2H3 AsO4



I

NO2 és N2 O4 : Termikus egyensúly: 2NO2 N2 O4 −11◦ C alatt csak dimer +135◦ C felett csak monomer van. NO2 : barna, kellemetlen szagú gáz, N2 O4 : színtelen folyadék vízben jól oldódik, valódi vegyes anhidrid 2NO2 + H2 O = HNO2 + HNO3 Reakciói: (jó oxidálószer) NO2 + 2HCl = NOCl + H2 O + 1/2Cl2 NO2 + CO = NO + CO2 Előállítás: 400◦ C

I

12/18

2Pb(NO3 )2 −→ 4NO2 + 2PbO + O2 vagy 2HNO3 + SO2 −→ N2 O4 + H2 SO4 N2 O5 : színtelen, szilárd anyag, gázfázisban bomlik salétromsav savanhidridje kitűnő oxidálószer: N2 O5 + Na = NaNO3 + NO2 N2 O5 + I2 = I2 O5 + N2



I

Oxosavak: I

I

13/18

Salétromossav (HNO2 ): Tiszta állapotban nem állítható elő diszproporció miatt 3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2 O Sói stabilak (NaNO2 ) Előállítás: NO+NO2 +2NaOH=2NaNO2 +H2 O Utána sóoldat savanyításával nyerhető HNO2 gyenge sav kitűnő oxidáló- és redukálószer: + − 2+ 5HNO2 + 2MnO− + 3H2 O 4 + H = 5NO3 + 2Mn 2HI + 2HNO2 = I2 + NO + H2 O Salétromsav (HNO3 ): színtelen, nagy sűrűségű folyadék levegőn füstölög vízzel minden arányban elegyedik erős sav állás közben bomlik (nitrózus gázok) erős oxidálószer Au kivételével minden fémet old (cc. HNO3 "választóvíz")



2

Foszfor: I I

A fehér foszfor igen reakcióképes, gyúlékony elem szobahőmérsékleten lassan oxidálódik (foszforeszcencia) P4 +3O2 =P4 O6 I

I

I

Foszfor égése: P4 +5O2 =P4 O10 I I I

I

I

I

14/18

P4 O6 : fehér, könnyen olvadó, kristályos anyag vízben lassan oldódik, a foszforossav valódi savanhidridje P4 O6 + 6H2 O = 4H3 PO3 2H3 PO3 −→H4 P2 O5 −→2HPO2 orto −→piro −→meta P4 O10 : fehér, pelyhes, könnyen szublimáló vegyület erősen nedvszívó, valódi savanhidrid 2H3 PO4 −→H4 P2 O7 −→2HPO3 orto −→piro −→meta

Halogénekkel tűztünemény közben egyesül: P4 + 6Cl2 = 4PCl3 P4 + 10Cl2 = 4PCl5 H-nel foszfinná egyesül: P4 + 6H2 = 4PH3 magasabb hőmérsékleten a vízgőzt is redukálja: P4 + 16H2 O = 4H3 PO4 + 10H2



3

Arzén: I I I

I

I

I I

I

száraz levegőn stabilis, nedves levegőn oxidálódik (As4 O6 ) O2 -ben meggyújtva As4 O6 és As4 O10 keletkezik Halogénekkel: AsF5 illetve AsCl3 , AsBr3 , AsI3 keletkeznek. As nem reagál vízzel, lúgos oldatokkal, nem oxidáló savakkal Híg HNO3 -ban H3 AsO3 , cc. HNO3 -ban H3 AsO4 keletkezik olvasztott NaOH-val: As+3NaOH=Na3 AsO3 +3/2H2 Szomszédaitól eltér, hogy nem szívesen képez +5 oxidációs számú vegyületet→As4 O10 és H3 AsO4 oxidálószerek. Arzin (AsH3 ): I I

I

15/18

nagyon mérgező Arzén vegyületekből naszcensz hidrogénes redukcióval képződik. (Zn lemez oldódása savban) Hevített üvegfelületen tükörszerű fém As válik ki. (Marsh-próba: H3 AsO3 + 6H = AsH3 + 3H2 O, hevítésre: 2AsH3 = 2As + 3H2 )



4

Antimon: I I I I I I I I

5

Bizmut: I

I

I

16/18

Arzénnél kevésbé reaktív. szobahőmérsékleten stabilis (levegő, nedvesség) Hevítve oxidok keletkeznek: Sb2 O3 , Sb2 O4 és Sb2 O5 Klórral hevesen; brómmal, jóddal renyhén reagál: SbX3 H2 közvetlenül nem reagál. Naszcensz H-nel SbH3 rendkívül mérgező. Híg savakkal nem reagál cc. HNO3 -ban Sb2 O5 , cc. H2 SO4 -ben Sb2 (SO4 )3 képződik Magas hőmérsékleten reagál O2 -nel, S-nel, halogénekkel. (Bi2 O3 , Bi2 S3 , BiX3 képződik) Naszcensz hidrogénnel BiH3 előállítható. Csekély stabilitás. Rendkívül mérgező. Vegyületei kevésbé stabilak, mint a megfelelő As, Sb.



Előállítás Nitrogéncsoport Történet

I

Nitrogén: I I

I

Foszfor I

I

Vasas redukcióval antimonitből: Sb2 S3 + Fe = 2Sb + 3FeS

Bizmut: I

17/18

Arzenopirit levegőmentes pörkölése: FeAsS = FeS + As

Antimon: I

I

Ca3 (PO4 )2 homokkal és faszénnel keverve hevítik: 2Ca3 (PO4 )2 + 6SiO2 = P4 O10 + 6CaSiO3 P4 O10 + 10C = P4 + 10CO

Arzén: I

I

Levegő cseppfolyósítása NH4 NO2 = N2 + 2H2 O

Bizmit szenes redukciójával: Bi2 O3 + 3C = 2Bi + 3CO


Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

Felhasználás Nitrogéncsoport

1

Nitrogén: I I I I I

2

Foszfor: I I

3

I I

I

ötvözőanyag félvezetők (AlSb, GaSb, stb.)

Bizmut: I

18/18

ötvözőanyag gyomirtó, rágcsálóirtó oxid: üvegszíntelenítés

Antimon: I

5

gyufa szárítóanyag (P4 O10 )

Arzén: I

4

indifferens gáz műtrágyagyártás salétromsavgyártás ammónia szintézis N2 O: hajtógáz, érzéstelenítő

ötvözőanyag, gyógyszeripar



Kémiai alapismeretek 11. hét

Recommend Documents