No title

Investice do rozvoje vzdělávání

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0354

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Předmět: LRR/CHPBI/Chemie pro biology 1



Dusík, Fosfor

Mgr. Karel Doležal Dr.


Cíl přednášky: seznámit posluchače s chemií dusíku a fosforu


Klíčová slova: dusík, fosfor


5B skupina, ns2 np3. Chemické vlastnosti podobné, nekovy (ale některé vlastnosti jižblízké kovům), fosfor ale může zapojit do vazby i d orbitaly.


Dosažení ox. stavu –III – přijetí tří elektronů; ox. stav +III, +V – odtržení tří resp. pěti elektronů. Ale vysoká elektronegativita (3,0 resp. 2,1), vazby většinou kovalentní. Vazebné možnosti pestré, od –III až do +V, běžné i vazby homonukleární. Záporné ox. stavy – ve vazbách s elektropozitivními prvky. Existence iontu N3- jen s nejelektropozitivnějšími prvky.V ostatních převládá kovalentnícharakter. Záporné ox. stavy i ve sloučeninách s vodíkem a od nich odvozených (amidy, org. aminy atd.- současná tvorba kovalentních a iontových vazeb, víceatomové ionty). Záporné ox. stavy –II a –I ve sloučeninách s elektropozitivními prvky kde homonukleární vazby – hydrazin, difosfan. Hybridizace většinou SP3 (tetraedr)nebo P3 (fosfan)

H H NN H H

H H PP H H



Kladné ox. stavy – u dusíku i fosforu realizovatelné I – V Zejména u dusíku charakteristická tvorba lokalizovaných násobných vazeb. Kovalentní vazby s překryvem s a p orbitalů s AO vazebných partnerů, na N a P hybridizace SP3 nebo SP2. U P i hybridizace SP3D a SP3D2.

Chemické vlastnosti Elementární dusík tvoří N2 – řád vazby 3, značná energie vazby, plynný dusík chemicky inertní, za běžných podmínek se slučuje pouze s Li, Mg a Ca. 6Li + N2 → 2Li3N Ostatní pouze extremní tlak, teplota a katalyzátory (nebo enzymy). Bílý forsfor – tetraedr P4 – velké pnutí, b.t. 44OC, velmi reaktivní. Ostatní modifikace – méně reaktivní – polymerní charakter. Červený fosfor – anaerobní zahřátí bílého fosforu – řetězovitá struktura, vysoký bod tání, několik strukturních uspořádání.



Intenzivní zahřívání → černý fosfor, nejstálejší modifikace, vysokomolekulární struktura. Binární sloučeniny Nejvýznamnější sloučeniny s vodíkem – nejběžnější amoniak (azan) – SP3, trigonální pyramida, jeden HAO obsazen volným el. párem. Výroba katalyzovaná syntéza z prvků (v menší míře hydrolýza nitridů nebo uvolňování z amonných solí). V přírodě rozkladem organických látek. Je výrazně bazický, pomocí volného el. páru přijímá proton. Dobře se rozpouští ve vodě, poskytuje monohydrát, který částečně ionizuje NH3.H2O = NH4+ + OH- roztok „hydroxidu amonného“. hydroxylamin NH2OH derivát amoniaku, velmi nestálý Hydrazin N2H4 (diazan) bezbarvá kapalina, redukční činidlo, raketové palivo samostatně N2H4 → N2 + 2H2 nebo s okysličovadlem 2N2H4 + N2O4→ 3N2 + 4H2O Výroba reakcí čpavku s alkalickým chlornanem 2NH3 + NaOCl → N2H4 + NaCl + H2O (v přítomnosti želatiny nebo klihu které váží přítomné stopy těžkých kovů, jinak reakce směřuje k tvorbě elementárního dusíku) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


fosfan PH3, struktura podobná amoniaku. Příprava např. hydrolýzou fosfidů Ca3P2 + 6H2O → 3Ca(OH)2 + 2PH3 alkalickou hydrolýzou (disproporcionace) fosforu P4 + 3KOH + 3H2O → PH3 + 3KH2PO2 Výrazné redukční účinky, reaktivní, toxický, slabě bazický – vznik fosfoniových solí PH4+ Difosfan P2H4 struktura podobná hydrazinu, nízkomolekulární kapalina, samozápalný. Azoimid HN3 lineární struktura, nestálý, velmi slabá kyselina, důležité soli – azidy. Nejdůležitější azid sodný NaN3, připrava ostatních azidů N2O + NaNH2 → NaN3 + H2O poměrně stálý, odpaluje se elektricky 2 NaN3 → 2 Na + 3 N2 airbagy. Azidy těžkých kovů velmi snadno vybuchují. Azid olovnatý Pb(N3)2 náplň do rozbušek Amidy MINH2 Příprava – amidy alk. kovů (iontové): 2NH3 + 2Na → 2NaNH2 + H2 Amidy ostatních kovů - reakcí alkalického amidu se solí kovu v kapalném amoniaku Pb(NO3)2 + 2NaNH2 → Pb(NH2)2 + 2NaNO3 Imidy NH2- zahříváním některých amidů v dusíkové atmosféře Sr(NH2)2 → SrNH + NH3 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Nitridy jsou binární sloučeniny kovů s dusíkem v ox. stavu –III. Iontové nitridy – kovy alk. zemin a lithium (těžší alk. kovy nitridy netvoří – sterické důvody). Ostatní nitridy kovalentní – polymerní struktura, nebo kovové (velmi tvrdé, inertní, žáruvzdorné). Příprava - přímou reakcí kovů s N2 nebo NH3: 3Ca + N2 → Ca3N2 3Mg + 2NH3 → Mg3N2 + 3H2, termický rozklad amidů nebo imidů 3 Zn(NH2)2 → Zn3N2 + 4 NH3. Fosfidy binární sloučeniny fosforu s kovy. Příprava - přímým slučováním červeného fosforu s kovy za vysoké teploty v inertní atmosféře. Kovalentní (vodou hydrolyzují → fosfan) nebo kovový charakter vazeb Binární sloučeniny s halogeny Fosfor – nejběžnější řady PX3 (SP3, volný nevazebný el. pár), PX5 (SP3D) a P2Y4. Existují též směsné, např. PF2Cl. Příprava – fluoridy – výměnou halogenů 3ZnF2 + 2PCl3 → 2PF3 + 3ZnCl2 Ostatní halogenidy – přímá syntéza z prvků P4 + 6Cl2 → 4PCl3 (hořením bílého fosforu v chlóru). Hydrolýza → kyselina + halogenid. Technický význam – halogenační činidla. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Sloučeniny dusíku shalogeny – nestálé, velmi reaktivní, většinou kovalentní charakter, malý praktický význam. Deriváty amoniaku NY3, NHY2, NH2Y, hydrazinu N2Y2 nebo azoimidu YN3. Iododusík (NI3 · NH3)x - nerozpustná sloučenina (polymérní, extrémně citlivá na náraz) Oxidy Dusík – ox. stav +I - +V, všechny poměrně stálé Oxid dusný (rajský plyn), bezbarvý, příprava např. tepelným rozkladem dusičnanu amonného: NH4NO3 → N2O + 2 H2O (někdy az explozivně, trhaviny na bázi NH4NO3) Lineární molekula, dva mezomerní stavy (řád vazby N–N 2,73 a N–O 1,61) Dříve anestetikum, bombičky na výrobu šlehačky (E 942), raketové (ox. činidlo) a spalovací motory Oxid dusnatý NO (jeden elektron v orbitalu π*, řád vazby 2,5). Bezbarvý, inertní plyn, Velmi jedovatý Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Průmyslově se vyrábí katalytickou oxidací amoniaku 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O Laboratorně - redukcí kyseliny dusičné mědí, rtutí nebo hliníkem 8 HNO3 + 3 Cu → 2 NO + 3 Cu(NO3)2 + 4 H2O Důležitý meziprodukt při výrobě HNO3, vasodilatační účinky, neurotransmiter, vzniká přirozeně v lidském těle (NOS, nitric oxide synthase) Oxid dusitý (N2O3) temně modrá kapalina, jedovatý, nejméně stálý Oxid dusičitý (NO2) hnědočervený, silně jedovatý plyn (teplota varu 21,1 °C). V tuhém stavu dimer (b.t. -11,2 °C). Lomená molekula, 1 nepárový elektron, SP2, vazba π delokalizovaná Reakce s vodou → kyselé deště 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO Důležitým meziproduktem při výrobě kyseliny dusičné, pohonné látky, okysličovadla v raketových motorech Oxid dusičný (N2O5) bezbarvá krystalická látka, při 30 °C sublimuje. Anhydrid kys. dusičné. Prudce oxiduje kovy a org. sloučeniny. Použití – výbušniny.



Oxidy fosforu – malý rozdíl elektronegativit, kovalentní sloučeniny. Oxid fosforitý tvoří dimer P4O6, bílá, velmi jedovatá krystalická látka. Snadno se oxiduje. Vyrábí se spalováním fosforu za omezeného přístupu vzduchu: P4 + 3 O2 → P4O6 S vodou → roztok H3PO3 . Oxid fosforečný (P4O10) nejběžnější a nejdůležitější oxid fosforu. Vzniká hořením fosforu na vzduchu, silně hygroskopický, sušící a dehydratační činidlo Binární sloučeniny se sírou S4N4 tetranitrid síry a S4N2 dinitrid síry. Pevné krystalické látky, při zahřátí detonují, rozkládají se na dusík a síru. •vzniká rozpouštěním síry v kapalném amoniaku: 4NH3(aq) + 10S → S4N4 + 6H2S •nebo zaváděním suchého amoniaku do roztoku chloridu sirného v etanolu: 6S2Cl2 + 16NH3 → S4N4 + 12NH4Cl + S8 sulfidy P4S3, P4S5, P4S7 a P4S10 vznikají přímým slučováním jednotlivých složek při zvýšené teplotě žluté krystalické látky, průmyslově nejdůležitější sulfid fosforečný (P4S10) hydrolyzuje - vzniká trihydrogenfosforečná kyselina a sulfan: P4S10 + 16H2O → 4H3PO4 + 10H2S Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Ternární kyslíkaté sloučeniny Kyslíkaté kyseliny dusíku Kyselina dusitá (HNO2) příprava - působením kyseliny chlorovodíkové na roztok dusitanu sodného: NaNO2 + HCl → HNO2 + NaCl Slabá kyselina - stálá jen ve zředěných roztocích, podléhá disproporciaci: 3HNO2(aq) → HNO3 + 2NO + H2O Užití – diazotace Soli – dusitany N2O3 + 2NaOH → 2NaNO2 + H2O nebo tepelným rozkladem dusičnan 2 NaNO3 → 2 NaNO2 + O2 Průmyslově redukce dusičnanů uhlíkem nebo olovem 2 NaNO3 + C → 2 NaNO2 + CO2 Konzervanty v masných výrobcích (E250),ale rakovinotvorné. Kyselina dusičná HNO3, bezbarvá kapalina. Laboratorní příprava – vytěsnění z dusičnanů kys. sírovou Průmyslově se kyselina dusičná vyrábí oxidací amoniaku (čpavku) za katalýzy, zvýšené teploty a tlaku: 1. 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O 2. 2 NO + O2 → 2 NO2 3. 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO



Použití – výroba výbušnin (nitrace), dusíkatých hnojiv, barviv a léků. Silné oxidační účinky – při reakcích s kovy se obvykle neuvolňuje vodík: Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O Některé kovy (Al, Fe) se při reakci s konc. HNO3 pasivují (vrstva oxidu zabraňuje další reakci). HNO3 typická kyselina - reaguje s hydroxidy, zásadotvornými oxidy a solemi slabších kyselin za vzniku vlastních solí, dusičnanů. NaOH + HNO3 → NaNO3 + H2O Dusičnan sodný – hnojivo, ox. činidlo. Ledek draselný (KNO3) – složka černého střelného prachu, draselné a dusíkaté hnojivo, E252. Ca(NO3)2 – norský ledek…. Odvozují se též peroxokyseliny – peroxodusičná HNO4 halogenid - oxidy (XNO - halogenidy nitrosylu; XNO2 - halogenidy nitrylu). Kovalentní lomené molekuly. Chlorid nitrosylu – NOCl, červenožlutý plyn, poměrně stálý. Tvoří se ve směsi koncentrované HNO3 a HCl v poměru 1:3 – lučavka královská – příčinou velmi silných oxidačních vlastností směsi (Objevil arabský alchymista Geber v 9. století. Až do roku 1997 byla jediným známým rozpouštědlem zlata).



Kyslíkaté kyseliny fosforu Kyselina trihydrogenfosforná (H3PO2, H2PO(OH)) jednosytná kyselina. Soli - fosfornany (H2PO2)-. Silná redukční činidla. Kyselina trihydrogenfosforitá (H3PO3, HPO(OH)2) dvojsytná kyselina Bezbarvá látka, dobře rozpustná ve vodě, hygroskopická. Příprava: hydrolýzou roztoků oxidu fosforitého nebo halogenidů fosforitých PCl3 + 3H2O → H3PO3 + 3HCl, také vytěsněním ze solí. soli: dihydrogenfosfioritany (H2PO3)-, hydrogenfosforitany (HPO3)2kyselina i soli - silná redukční činidla Kyselina tetrahydrogendifosforičitá (H4P2O6) slabá čtyřsytná kyselina, stálá.Soli: dihydrogendifosforičitany (H2P2O6)2-, difosforičitany (P2O6)4Kyseliny fosforečné a jejich soli Oligomerní kyselina hydrogenfosforečná (HPO3)n vzniká reakcí P4O10 se stechiometrickým množstvím vody, nebo dehydratací kyseliny trihydrogenfosforečné H3PO4 → HPO3 + H2O Amorfní sklovitá látka. Technicky významné soli, tzv. metafosforečnany, polymerní, rozpustné ve vodě, „změkčování“ vody Hydratace = vznik monomerní kyseliny trihydrogenfosforečné (ortofosforečná) (H3PO4) Trojsytná kyselina, středně silná, velmi stálá. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Příprava: reakcí oxidu fosforečného s vodou, oxidací červeného fosforu kys. dusičnou P4O10 + 6 H2O → 4 H3PO4 P + 5HNO3 → H3PO4 + 5NO2 + H2O Výroba: spalováním bílého fosforu ve směsi vzduchu a páry: P4 + 5O2 + 6H2O → 4H3PO4 (P4 + 5 O2 → 2 P2O5 P2O5 + 3 H2O → 2 H3PO4) Nebo tzv. mokrý proces, reakce kyseliny sírové s přírodním fosforečnanem: Ca5(PO4)3F + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2 H2O + HF Technický význam Výroba hnojiv a solí pro potravinářský průmysl. Také výroba nealkoholických nápojů (Coca-Cola) (E338) soli: dihydrogenfosforečnany (H2PO4)-, hydrogenfosforečnany (HPO4)2-, fosforečnany (PO4)3- připrava - reakcí kyseliny s hydroxidy nebo uhličitany H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O fosforečnany amonné a alkalických kovů (kromě fosforečnanu lithného) jsou rozpustné ve vodě, od jiných kovů jsou rozpustné jen dihydrogenfosforečnany


Technický význam: rozpustné fosforečnany – důležitá fosforečná hnojiva Základní surovina - ve vodě nerozpustný Ca3(PO4)2, převádí se na formu rozpustnou reakcí s kyselinou sírovou (superfosfát) nebo reakcí s kyselinou trihydrogenfosforečnou (trojitý superfosfát): Ca3(PO4)2 (apatit) + 2H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4 Ca3(PO4)2 (apatit) + H3PO4 → 3CaHPO4 Také potravinářství (emulgátory, šunka Na2HPO4), prací prášky.


Dusík tvoří hlavní složku zemské atmosféry, oba prvky biogenní, základními stavebními kameny živé hmoty.
















No title

Recommend Documents