SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén csoport Általános jellemzés:
• • • •
V/A. oszlop Külső elektronhéj szerkezete: ns2np3 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
14.0 7
31.0 15 74.9 33 121.8 51 209.0 83
http://hu.wikipedia.org/wiki/Nitrog%C3%A9ncsoport
N
Nitrogén
[He]
2s22p3
P
Foszfor
[Ne]
3s23p3
As
Arzén
[Ar]
3d104s24p3
Sb
Antimon
[Kr]
4d105s25p3
Bi
Bizmut
[Xe]
4f145d106s26p3
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogéncsoport elemei Nitrogén lehetséges oxidációs számai: • -3: ammónia (NH3) • -2: hidrazin (H2N-NH2) • -1: hidroxilamin (H2N-OH) • 0: nitrogén molekula (N2) • +1: dinitrogén-oxid (N2O) • +2: nitrogén-monoxid (NO) • +3: dinitrogén-trioxid (N2O3) • +4: nitrogén-dioxid (NO2) • +5: nitrogén-pentaoxid (N2O5)
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén Előfordulása: • atmoszféra 78% -a, • kéregben 19 ppm; salétrom (KNO3), Chilei salétrom (NaNO3) Elektronszerkezet: 1s22s22p3, 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 http://www.jkdivingsystems.com/industrial-gases.html
SZERVETLEN KÉMIA 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 (N3−)
– nátrium-azid: légzsákok gyors felfújása (2NaN3 → 2Na + 3N2); – ólomazid: gyutacs, detonátor
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén
Fontosabb vegyületei (I): • Hidridek (ammónia, hidrazin: N2H4) • Oxidok (Dinitrogén-oxid, nitrogénmonoxid,Nitrogén-dioxid) • Salétromossav, nitritek • Salétromsav, nitrátok
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén: vegyülete a NH3 Ammónia (NH3) Tulajdonságok • színtelen, szúrós szagú, nagy párolgáshő, vízben jól oldódik vizes oldata: ammónium-hidroxid (NH4OH) csak vizes oldatban létezik, gyenge bázis: NH3 + H2O ⇌ NH4OH + NH3 vízben való oldódása exoterm: hevítés hatására NH3 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% NH3 -át hűtéssel N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 lekondenzáltatják, a maradék gázt visszavezetik. ( 100Mt/év)
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén oxidjai (I) Dinitrogén-oxid (N2O) • természetben: bakteriális tevékenység eredménye, üvegházhatást okozó gáz • Előállítás: NH4NO3(s) = 2H2O(g) + N2O(g) (exoterm, 240 ◦C felett megszaladhat) • felhasználás: – orvosi, fogorvosi alkalmazások (anesztetikum, "kéjgáz") – rakétahajtóanyag (oxidálószer, stabil, nem túl mérgező, katalizátorral magában is) – azidok előoállítása: NaNH2 + N2O = NaN3 + H2O – benzinmotorok tuningolása (oxidálószer, párolgással hűt) – tejszínhab hajtógáza (zsíroldékony)
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén oxidjai (II) Nitrogén-monoxid (NO) • keletkezés: villámlás, belsőégésű motorok, salétromsavgyártás • tulajdonságok: páratlan számú elektron, paramágneses, színtelen, (oxidálódik) Előállítás laborban: fémek oldása salétromsavban • (Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO + 2H2O) Fotokémiai szmog alkotórésze N2 + O2 = 2NO 2NO + O2 = 2NO2 NO2 + hν = NO + O O + O2 +M = O3 +M • orvosi felhasználás (véralvadás gátlása, véredények tágulása)
SZERVETLEN KÉMIA Nitrogén oxidjai Nitrogén-dioxid (NO2) • Barnásvörös, • Szúrós szagú, • Mérgező gáz, fp: 21oC, • Párosítatlan elektron miatt paramágneses. • Dimerizál (egyensúlyban van a dimerjével): 2NO2 ⇌ N2O4 • salétromsavgyártás intermedierje (NO oxidációjából) • vízben oldva (savanhidrid): 2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3
SZERVETLEN KÉMIA Salétromossav, nitritek Salétromossav, nitritek (HNO2,NO2−) • gyenge sav, csak vizes oldatban ismert, bomlékony: 3HNO2 = H3O+ + NO3− + 2NO előállítás: nitritek savanyításával nitritek előállítása: NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O felhasználás: • húsok pácolása • Diazotálás (diazónium vegyületek: festékek, gyógyszerek)
SZERVETLEN KÉMIA Salétromsav, nitrátok Salétromsav, nitrátok (HNO3,NO3−) • színtelen, szúrós szagú, erős sav • oxidáló sav, napfény hatására bomlik (állás közben bomlik): 2HNO3 = 2NO2 + H2O + 0,5O2 • Öndisszociációra képes: 2HNO3 = H2O + NO2+ + NO3− • előállítás (Ostwald-eljárás): • 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (Pt+Rh, 850 ◦C, 5atm)
• 2NO + O2 = 2NO2 • 3NO2 + H2O = HNO3 + NO
http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/SaletSav.htm
SZERVETLEN KÉMIA Salétromsav, nitrátok Salétromsav, nitrátok (HNO3,NO3−) • salétromsav felhasználása: – amónium-nitrát előállítása (műtrágya, robbanószer) – foszfátásványok oldása (nitrofoszfát műtrágyák) A platina oldódása forró királyvízben http://hu.wikipedia.org/wiki/Kir%C3%A1lyv%C3%ADz – ciklohexanon előállítása (műanyagok alapanyaga) – nitrálóelegyek (nitroglicern, TNT, nitrocellulóz előállítása) HNO3 + H2SO4 = NO2+ + H3O+ + 2HSO4− – Királyvíz: cc. HNO3 és cc. HCl 1:3 arányú keveréke (aranyat is oldja) HNO3 + 3HCl = 2H2O + NOCl + 2Cl (atomos klór oxidál) Au + 2Cl + NOCl + HCl = H[AuCl4] + NO (hidrogén-tetrakloro-aurát)
cc. HNO3 a vasat és alumíniumot nem oldja, mert passzív oxidréteget képez a felületén (de: a híg HNO3 oldja őket!! )
SZERVETLEN KÉMIA Foszfor Előfordulása: • földkéreg 1,1% -a, elemi formában nem fordul elő, • ásványai legnagyobbrészt apatitok (Ca5(PO4)3F, Ca5(PO4)3Cl, Ca5(PO4)3OH), • csontokban, fogakban Elektronszerkezet: 1s22s22p63s23p3, Jellemzői: http://www.ask.com/wiki/Apatite • Szilárd • 3 allotróp módosulata van, (fehér: P4, vörös: láncszerű, fekete: grafitszerű)
fehér foszfor http://www.mozaweb.hu
vörös foszfor
Elem előállítása: elektromos kemencében 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C ⇌ 6CaSiO3 + 10CO + P4 • melléktermék: SiF4 (fluorapatitból), lúggal: Na2SiF6 (ivóvíz fluoridozása)
Photo: Patrick Baz/AFP/Getty Images
felhasználás elemként: tiszta foszforsav előállítására (újraoxidálás), foszfor-szulfidok, -kloridok és -oxikloridok előállítása, gyufagyártás (vörös), gyújtó és füstgránátok (fehér)
SZERVETLEN KÉMIA Foszfor vegyületei
Foszforossav (H3PO3) Előállítása, jellemzői: • 2 bázisú sav, PCl3 hidrolízisével állítják elő, hevítve foszfinre és foszforsavra bomlik Felhasználása: • műtrágyagyártás, fabetegségek ellenszere
SZERVETLEN KÉMIA Foszfor vegyületei Foszforsav (H3PO4, ortofoszforsav) • színtelen, kristályos (42 oC-on olvad), • hárombázisú gyenge sav. • Sói a foszfátok Előállítása: • tiszta foszforsav: P4 égetése, majd reakció vízgőzzel: P4O10 + 6H2O = 4H3PO4 • "mezőgazdasági" tisztaság: Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O = 3H3PO4 + 5CaSO4 · 2H2O + HF Felhasználás: • foszforsav: metallurgia, élelmiszeripar (kóla), detergensek, gyógyszeripar; • Foszforsav származék: műtrágyagyártás (Ca(H2PO4)2.H2O (szuperfoszfát) • vízlágyítás: Na3PO4
SZERVETLEN KÉMIA Arzén, Antimon, Bizmut • As, Sb: félfémek, szulfidjaik fordulnak elő (pl. As4S4,As2S3, FeAsS, • Bi: fém Felhasználás: • As, Sb: ötvözők (főleg Pb -hoz), • félvezetőipar, • arzénvegyületek gyomirtók, rovarirtók • Bi: ólom helyettesítésére
Arzén és higany a vörös iszapban http://www.hirextra.hu/2010/10/08
Arzén vízkészletekben: Banglades (eltávolítása: oxidatív kicsapás, vagy adszorpcióvassal (vassal együtt)
http://www.168ora.hu/itthon/ tobb-a-kelletenel-avagy-arzen-a-vizben-65133.html
SZERVETLEN KÉMIA Széncsoport elemei Általános jellemzésük: IV/A. oszlop • Elektronszerkezet: ns2np2 • 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)
SZERVETLEN KÉMIA Szén Előfordulása: • elemi formában, • légkörben: CO2, • kéregben: karbonátok, kőszén, kőolaj,földgáz. Elektronszerkezet: • 1s22s22p2 Izotópok: http://www.nanotechnology.hu/magyarul/Specmattech.html 12C: 98.93%; • 13C: 1.07%, (NMR); • 14C 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 oC-on, O2 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).
SZERVETLEN KÉMIA Szén Tulajdonságok: • kémiailag ellenállóak, sem savakban sem lúgokban nem oldódnak (grafit forró cc HNO3-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)
SZERVETLEN KÉMIA 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 m2/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)
SZERVETLEN KÉMIA A szén vegyületei • Szén-dioxid (CO2): • 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 (CS2): • oldószer, celofán, viszkóz, műselyem előállítása. • HCN, cianidok előállítása • (ciánamid (CaC2 + N2 = CaNCN + C): műanyagipar
SZERVETLEN KÉMIA 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. http://www.termeszetvilaga.hu • 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)
SZERVETLEN KÉMIA Szilícium Elektronszerkezet: 1s22s22p63s23p2 Előfordulás: achát • elemi formában nagyon kis mennyiségben fordul elő, füstkvarc • földkéreg második leggyakoribb eleme ( 26%), rendkívül változatos összetételű és szerkezetű ásványai vannak (SiO2: 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- = SiO44- + 2H2 , • fluor megtámadja.
SZERVETLEN KÉMIA Szilícium Előállítása: • SiO2 (homok) redukciója koksszal (96-99 % -os tisztaság): SiO2 + 2C = Si + 2CO, 2SiC + SiO2 = 3Si + 2CO (SiO2 feleslegben, vö: grafit előállítás) ! • SiHCl3 (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 • SiO2: kovaföld: szűrőanyag; kvarc: UV -áteresztő ablak, laboratóriumi üvegek, • "aeroszil": gumik és műanyagok töltőanyaga • SiC (karborundum): csiszolás, vágás • szilikonok (polisziloxánok): Si + 2MeCl = Me2SiCl2, majd hidrolízis
SZERVETLEN KÉMIA Germánium Előfordulás: ritka elem (1.5 ppm, Zn ércek kísérője) Jellemzői: • kristályszerkezete: gyémántrács, op: 938◦C • Félvezető
http://www.webelements.com/germanium/pictures.html
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; • GeO2: optikai szálak; • GeSbTe: újraírható DVD -k; • SiGe: gyors integrált áramkörök
SZERVETLEN KÉMIA 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 (SnO2 + C → Sn + CO2), 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 • SnO2: üveggyártás, átlátszó + vezető bevonatok
SZERVETLEN KÉMIA Ólom (Pb) Előfordulás: 13 ppm, PbS (galenit), PbSO4 (anglezit), PbCO3 (cerusszit) Jellemzői: • kristályszerkezete: lapcentrált köbös, op: 327◦C, sűrűség: 11.3 g/cm3, lágy fém • mérgező, sok enzimrendszert gátol, eltávolítás erős komplexképzővel (EDTA) Előállítás: • érc dúsítása flotációval, majd pörkölés (PbS + 1,5O2 → PbO + SO2), • ezután vagy redukció koksszal, vagy reagáltatás friss szulfidérccel: 2PbO + PbS → 3Pb + SO2 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 http://www.mineralium.com
SZERVETLEN KÉMIA
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
