Kémia Kutasi, Istvánné dr. Kémia

3.6. 6.3.6 A nitrogéncsoport elemei

Nitrogén ( N ), foszfor ( P ), arzén ( As ), antimon ( Sb ), bizmut ( Bi ). Öt és három vegyértékűek.

A nitrogéncsoport elemeinél különösen szembetűnő felülről lefelé haladva, az atomtömeg növekedésével párhuzamosan az elemek fizikai–kémiai tulajdonságainak a változása. A N és a P nem fémek, az As és az Sb félfémek, a Bi pedig másodfajú fém. Az atomtömeg növekedésével a sűrűség monoton növekszik. Az oszlop első eleme a nitrogén gázhalmazállapotú és kétatomos molekulákat alkot, a többi szilárd.

A nitrogén legismertebb vegyülete az ammónia, amelya természetben a nitrogén-tartalmú szerves anyagok (főleg fehérjék) bomlása útján keletkezik. Laboratóriumban ammóniumsóból erős bázissal állítható elő:

NH₄Cl + NaOH = NaCl + H₂O + NH₃

Az iparban a Haber-Bosch-eljárással szintetikus úton, elemeiből állítják elő:

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃

Mivel az ammónia képződése exoterm (hőtermelő) folyamat, ezért a hőmérséklet emelése az ammónia bomlása felé tolja el az egyensúlyt. Az egyensúly szempontjából kedvező alacsony hőmérsékleten viszont nagyon lassú a reakció. A nyomás növelése ugyanakkor az összes sztöchiometriai szám csökkenésével jár, tehát egyben a térfogatcsökkenéssel járó ammóniaképződést segíti elő. Ezért üzemi szempontból közepes hőmérsékletet és nagy nyomást valamint vaskatalizátort használnak. (t = 500 °C; p = 20-200 MPa). Ilyen körülmények között a gázkeverék egy része (10 - 20%) átalakul ammóniává, ezt hűtéssel cseppfolyósítják, az át nem alakult nitrogént és hidrogént pedig visszavezetik a konverterbe.

Az ammónia cseppfolyósítva, szürke acélpalackokban vagy vizes oldatban kerül forgalomba. Az ammóniaszintézis különleges fontosságát az adja meg, hogy a nitrogén legnagyobb mennyiségben nem vegyületeiben, hanem elemi állapotban a levegőben fordul elő. A nitrogénvegyületek közül pedig leggazdaságosabban az ammónia állítható elő az elemi nitrogénből, ezért a többi nitrogénvegyületet is leggyakrabban ammóniából nyerik.

Az ammónia legfontosabb felhasználási területei:

a vegyiparban a salétromsavgyártás

nitrogéntartalmú műtrágyák, karbamid [CO(NH2)2]

robbanóanyagok (NH4NO3) előállítása.

A cseppfolyós ammónia az egyik legfontosabb műtrágya, ugyanakkor nagy párolgáshője miatt hűtőberendezések üzemeltetésére is használják. Vizes oldata fontos laboratóriumi vegyszer, fémek és textiláruk tisztítására is alkalmazzák. Az ammóniagázt felhasználják fémek felületi kezelésére az ún. nitridálásnál.

A 3., 5. és 6. oszlop elemeire érvényes a 8-N szabály, ahol az N jelenti a periódusos rendszerben az oszlopszámot. Ha pl. az elem a 4. oszlopban van, akkor a 8-N egyenlő néggyel. Ez azt jelenti, hogy az illető elem minden atomja másik 4 atommal szomszédos közvetlenül a kristályrácsban. A 8-N szabály a 4., 5. és 6. oszlop elemeinek a koordinációs számát adja meg.

A foszfornak három módosulata ismert: fehér-, ibolya- és feketefoszfor. A fehérfoszfor kifejezetten nemfémes jellegű. Olvadáspontja: 44 °C. Már 60 °C-on meggyullad, gőze igen mérgező. A fehér foszfor azért is mérgező, mert zsírokban is oldódik. Lenolajban feloldva, sötétben zöld fénnyel foszforeszkál. Vasbádog hordóban víz alatt hozzák forgalomba.

Az ibolya (vörös) foszfor gyulladási hőmérséklete 400 °C fölött van. Levegőn nem oxidálódik és nem mérgező. Gyufásdobozok oldalát vonják be vele.

A feketefoszfor vagy fémes foszfor az elektromos áramot vezeti. A nitrogén és a foszfor legismertebb vegyületei: salétromsav (HNO₃, foszforsav (H₃PO₄), és sói a nitrátok és foszfátok.

A nitrogén és a foszfor a természetben főleg salétrom (NaNO₃) és a foszforit Ca₃(PO₄)₂ vegyületekben fordul elő. Ezen kívül a fehérjék fontos elemei.

A nitrogént ammónia, salétromsav és nitrogénműtrágya előállítására használják fel. A foszfort és vegyületeit a gyufaiparban, felületvédelemben, vízoldható műtrágya, (szuperfoszfát) előállítására stb. használják. A nitrogén és a foszfor az öntöttvas és az acél jellegzetes szennyező elemei, de esetenként szándékosan is alkalmazzák pl. a foszfort jó formakitöltő képessége, forgácstörése miatt, a nitrogént a folyáshatár növelése céljából.

Az arzénnak és az antimonnak három módosulata ismert: fehér, fekete és szürke.  Az utóbbiak fémráccsal rendelkeznek. Az arzén vegyületei erős mérgek. A természetben a következő ásványaik fordulnak elő:

arzenopirit	FeAsS
auripigment	As2S3
antimonit	Sb2S3.

Az arzént és az antimont ötvözésre használják, mint pl. speciálbronzok, betűfém, keményólom stb. előállításra. Az arzén vegyületeit főleg a gyógyászatban alkalmazzák.

A bizmut a legfémesebb tagja az V/a. csoportnak. olvadáspontja alacsony kb. 270 °C. A bizmut tartalmú ötvözetek alacsony olvadáspontúak és kristályosodáskor nem zsugorodnak.

3.7. 6.3.7 Az oxigéncsoport elemei

Oxigén ( O ), kén ( S ), szelén ( Se ), tellur ( T ), polónium ( Po ). Hat, négy és két vegyértéküek.

A csoportban az atomtömeg növekedésével a sűrűség növekszik, az olvadáspont és forráspont emelkedik, és a fémes jelleg gyengén nő. Az O, S, Se nemfémek, a Te, Po félfémek. Az oxigén kétatomos, a kén nyolcatomos molekulákat alkot. Az oxigén gáz, a többi elem szilárd halmazállapotú. A kén és a szelén alacsony olvadáspontú, mivel gyenge molekularácsuk van. Oxidáló elemek, de az oxidáló hatás a rendszám növekedésével egyre csökken.

Az oxigén a levegőben és majdnem minden vegyületben előfordul. A levegő térfogatának egyötöd része. Allotróp módosulata az ózon ( O₃ ), amely igen erős oxidáló anyag. Ivóvizek fertőtlenítésére használják.

A kén sárga, rideg elem. Legismertebb módosulatai a rombos (α), monoklin (β) és amorf (γ) kén. Fontosabb vegyületei:

kénessav	H2SO3
kénsav	H2SO4

és sói a szulfitok és szulfátok.

A kéndioxid ( SO₂ ) és kénhidrogén ( H₂S ) okozzák elsősorban az ipari atmoszférák korrozív hatását, ezenkívül a tüzelőberendezések korrózióját. A kén a nyersvas kellemetlen szennyezője, törékenységet idéz elő. Szándékosan is használják, ha a forgácstörést akarják elősegíteni.

Legnagyobb mennyiségben kénsavgyártáshoz, szuperfoszfát előállításához valamint vulkanizáláshoz használják.

Előfordul a természetben elemi állapotban, de legnagyobb mennyiségben szulfátok és szulfidok alakjában.

A szelénnek vörös és szürke módosulatai ismertek. Elektromos vezetőképessége megvilágítás hatására ezerszeresre növekedik. Vegyületei a kén vegyületeihez hasonlítanak.

Felhasználják egyenirányítókban, fotocellákban.

A tellúr és a polónium félfémek. A polónium radioaktív elem. Mindkét elem a levegőn könnyen oxiddá ég el: TeO₂, PoO₂.

3.8. 6.3.8 Halogének

Fluor (F), klór (Cl), bróm (Br), jód (I). Egy, három, öt és hét vegyértékűek.

Mind a négy erősen negatív jellemű, nemfémes elem. A fluor és a klór gázok, a bróm cseppfolyós, a jód szilárd halmazállapotú. Atomtömegük növekedésével sűrűségük nő, az olvadáspontjuk és forráspontjuk szintén emelkedik. Vegyületeikben leggyakrabban egy vegyértékűek.

A legaktívabb, legnegatívabb elem a fluor, elektronegativitása négy. Reakciókészségére jellemző, hogy a hidrogénnel sötétben robbanásszerűen egyesül. Fontos vegyülete a hidrogén-fluorid vagy folysav (H₂F₂), amely az üveget oldja.

Fontos vegyületei a természetben:

folypát	CaF2
fluorapatit	[Ca5(PO4)3F]
kriolit	Na3(AlF6).

A halogének közül a klórnak van a legnagyobb jelentősége. Zöldessárga, fojtós mérgező gáz. A fémekkel hidegen és melegen egyaránt egyesül és velük közvetlenül sókat alkot (halogén = sóképző). A hidrogénnel sósavgázt alkot, amelynek vizes oldata a kereskedelmi sósav.

Legstabilabb vegyületei a természetben található alkáli- és alkáliföldfém kloridok: kősó (NaCl), kalcium-klorid (CaCl₂), magnézium-klorid (MgCl₂). Ezek nagy mennyiségben a tengerekben fordulnak elő.

Felhasználják a szintetikus sósavgyártáshoz, ezenkívül a műanyag, gumi és festékiparban alkalmazzák nagy mennyiségben.

A bróm erősen párolgó folyadék, gőze vörösbarna színű, mérgező anyag, a nyálkahártyát megtámadja a bőr felületén nehezen gyógyuló fekélyes sebeket okoz. Legfontosabb vegyülete az ezüst-bromid, amelyet a fotóipar használ, fényérzékeny filmek és nagyítópapírok előállítására. A természetben a bróm kálium-bromid (KBr), és nátrium-bromid (NaBr) alakban fordul elő.

A jód szilárd halmazállapotú, szürke, kristályos anyag, erősen szublimál, gőze ibolyaszínű. A pajzsmirigy működését szabályozza.

3.9. 6.3.9 Nemesgázok

Hélium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn). Vegyértékük nulla.

Közönséges körülmények között sem egymással, sem más elemekkel nem vegyülnek. Felhasználják a világítástechnikában, védőgázas hegesztésekhez, inert atmoszférák létesítéséhez. A nemesgázok előfordulnak igen kis mennyiségben a légkörben, a monacit-homokban, a csillagok atmoszférájában.

A periódusos rendszer III/b … VIII/b oszlopaiban található elemek az átmeneti fémek. Ezek mind a mellékcsoport elemei. Az átmeneti fémek szilárd halmazállapotúak, olvadáspontjuk 800 és 3400 °C között mozog. A magas olvadáspont az atomok között lévő nagy összetartó erő következménye. Az átmeneti fémek technikai szempontból a legfontosabb szerkezeti anyagok. A hő és elektromos áramot vezetik, de a rézcsoport és az alumínium vezetőképességét nem érik el. Sűrűségük 5 g/cm³-nél nagyobb, kivétel csak a szkandium, titán és az ittrium. Elektronegatitvitásuk 1,3 és 2,2 között van. Az átmeneti kifejezés egymáshoz hasonló elektronszerkezetükből következő kémiai tulajdonságaikra utal. A külső héjak alatt elektronokkal fel nem töltött alhéjak vannak, ezért vegyértékük igen változó egy és nyolc érték között mozog. Komplexképzők. Az átmeneti fémek felületén – főleg a IV/b …VI/b oszlopok elemeinél - vékony, tömör oxidréteg keletkezik, amely a korrózióval szemben természetes védelmet biztosít.

3.10. 6.3.10 A szkandiumcsoport

Szkandium (Sc), ittrium (Y), lantán (La), aktínium (Ac). Vegyértékük három.

Ismertebb vegyületeik az oxidok és a halogenidek. Monacithomokban fordulnak elő, különösebb gyakorlati jelentőségük nincs.

3.11. 6.3.11 A titáncsoport

Titán (Ti), cirkónium (Zr), hafnium (Hf).

 Vegyértékük négy, ritkábban három vagy kettő.

A titáncsoport elemei igen magas olvadáspontúak: titán 1670 °C cirkónium 1850 °C, hafnium 2220 °C. A korróziónak ellenállnak a felületükön képződött védő oxidhártya következtében. Passzívak, az oxidáló savakban (HNO₃) sem oldódnak.

A fémtitán mechanikai tulajdonságai az acéléval megegyeznek, ugyanakkor a sűrűség kicsi (4,5 g/cm³). Két allotróp  módosulata van, hexagonális és felületen centrált titán. A titánt, a cirkóniumot és a hafniumot főleg az acél és alumínium ötvözésére alkalmazzák. mert nagyfokú melegszilárdságot, és korrózióállóságot biztosítanak, pl. űrhajózás,  atomreaktor technika.

3.12. 6.3.12 A vanádiumcsoport

Vanádium (V), niobium (Nb), tantál (Ta). Vegyértékük három és öt.

A vanádiumcsoport elemeinek igen magas az olvadáspontjuk: V 1900 °C, Nb 2500 °C, Ta 3000 °C. Nagy a szakítószilárdságuk, mindhárom elem erősen növeli a melegszilárdságot. Mechanikai célokra a V-Ti-Al, Nb-V-Mo, Ta-Nb-V ötvözetek, korróziós szempontból a V-Nb a legalkalmasabbak.

3.13. 6.3.13  A krómcsoport

Króm (Cr), molibdén (Mo), volfrám (W).

Vegyértékük három és hat. Mindhárom fém térben középpontos szabályos rácsban kristályosodik.  Olvadáspontjuk magas: Cr 1900 °C, Mo 2600 °C, W 3400 °C. Az elektromos áramot aránylag jól vezetik. Passzív fémek, a felületükön vékony de tömör oxidréteg alakul ki, amely megvédi őket a korróziótól. A KO-acélok legfontosabb ötvözői. A króm a három fém közül a legpasszívabb, csak tömény sósavban és hideg kénsavban oldódik. Az oxidáló savak (HNO₃) az oxidréteget elmélyítik. A legmegbízhatóbb, korróziónak, savaknak ellenálló ötvözet a 18/8-as króm-nikkel acél. A króm igen kemény fém, sűrűsége 6,92 g/cm³. Legfontosabb Cr vegyületek: króm VI-oxid, krómsavanhidrid (CrO₃), amely vízzel krómsavat alkot (H₂CrO₄), kálium-kromát (K₂CrO₄), kálium-dikromát (K₂Cr₂O₇).

Az acél felületének megvédésére termikus vagy galvanikus krómot visznek fel.

A molibdén melegszilárdság értéke nagy, passzivitása gyengébb a krómnál.

A volfrám igen magas olvadáspontú és a legnagyobb szilárdságú fém. A szennyezőtartalom erősen befolyásolja a tulajdonságait. Közönséges hőmérsékleten ridegtörékeny. Felhasználják világítási célokra, vákuumtechnikában, az acél ötvözésére (vídia).

3.14. 6.3.14 A mangáncsoport

Mangán (Mn), technécium (Tc), rénium (Re).

Az 1,2,3 vegyértékű mangán pozitív jellemű, a 4,5 vegyértékű amfoter, a 6 és 7 vegyértékű, negatív, nemfémes karakterű (savképző). A Mn olvadáspontja 1250 °C . A tömör és por alakú mangán között jelentős az eltérés. A tömör mangán még magasabb hőmérsékleten is csak a felületen oxidálódik, ami megvédi a további oxidációtól. A redukcióval előállított finomeloszlású Mn-por a levegőn öngyulladhat, pirofóros. A mangánpor a vizet H₂-fejlődés közben elbontja. Tehát a Mn aránylag reakcióképesebb elemek közé tartozik.

Legfontosabb vegyületei:

kálium-permanganát	KMnO4
kálium-manganát	K2MnO4
barnakőpor	MnO2

A KMnO₄ erélyes oxidáló anyag, pl. savas közegben 10 egyenérték oxigénnel oxidál:

2 KMnO₄ + 3 H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2 MnSO₄ + 3 H₂O + 5O

A mangánt főleg acélok ötvözésére használják. A természetben a Mn₂O₃ hauszmanit néven fordul elő.

A technéciumnak és réniumnak elenyésző a jelentősége.

3.15. 6.3.15 A vascsoport elemei

Vas (Fe), kobalt (Co), nikkel (Ni).

Vegyértékük kettő és három.

A csoportra jellemző a ferromágneses tulajdonság, amely a Curie-pont felett megszűnik. Passzív, nemes tulajdonságú, korrózióálló fémek a vas kivételével. A vasoxidok közül csak az 500 °C hőmérsékleten keletkező oxid zárja el a felületet az atmoszférától és védi a korróziótól. A többi vasoxid (rozsda) porózus és lepattogzik a felületről. Tömény salétromsav passziválja a vasat, ezért lehet például vas hordókban tömény salétromsavat tárolni és szállítani.

A vas legfontosabb ércei: 

magnetit	Fe3O4
hematit	Fe2O3
vaspát	FeCO3
limonit	Fe(OH)3

A vas, a kobalt és a nikkel elektronhéjának a szerkezete nagyon hasonló. A kobalt és a nikkel az acélok legfontosabb ötvözői. A kobalt képlékeny, jól alakítható fém. Magában szerkezeti anyagként nem használják. Felhasználják a szerszámacélok, gyorsacélok gyártásához, ezenkívül mágnesanyagok, ellenálláshuzalok készítésére. Ugyanebbe a csoportba még hat átmeneti fém tartozik, ezek alkotják a platinacsoportot, úgymint ruténium (Ru) ródium (Rh), palládium (Pd), ozmium (Os), irídium (Ir), platina (Pt). A csoportra jellemző a ferromágneses A könnyű és nehéz platina fémek a legnagyobb sűrűségű, indifferens, korrózióálló elemek. A platina üvegbe forrasztható, savban és lúgban nem oldódik. Elektródákat és katalizátorokat készítenek belőle.

3.16. 6.3.16 A rézcsoport elemei

Réz (Cu), ezüst (Ag), arany (Au).

A másodfajú fémekhez tartoznak. Puha, igen jól alakítható elemek. Az elektromos áramot és a hőt az ezüst vezeti a legjobban utána a vörösréz. A réz egy és kettő, az ezüst egy, az arany egy és három vegyértékű lehet. Az atmoszféra oxidáló hatásának ellenállnak, ez alól kivétel a réz. A réz felületén ui. a levegő összetételétől függően oxid vagy bázisos rézkarbonát képződik. Ezek a rétegek azonban megvédik a fém belsejét a korróziótól.

A réz legfontosabb vegyületei:

rézgálic	CuSO4
réz-nitrát	Cu(NO3)2

A réz sósavban nem oldódik csak a réz-oxid. Az elemi rezet oxidáló savak oldják:

Cu + 2 H₂SO₄ = CuSO₄ + 2 H₂O + SO₂

Forró, koncentrált kénsavat használunk.

Az ezüst legjelentősebb vegyületei az ezüst-nitrát (AgNO₃) és a fényérzékeny ezüst halogenidek (AgBr, AgCl).

Az aranynak egyre nagyobb jelentősége van a speciális híradástechnikai alkalmazásokban pl. kontaktusok, korrózióálló alkatrészek készítése.  

3.17. 6.3.17 A cinkcsoport elemei

Cink (Zn), kadmium (Cd), higany (Hg).

Ezek szintén másodfajú elemek. A Zn és Cd mindig kettő, a Hg kettő és egy vegyértékű (HgCl₂, Hg₂Cl₂, kalomel).

A cink és a kadmium felületén tömör oxidréteg képződik, amely megvédi a fémet a további oxidációtól. A cinket és a kadmiumot vastárgyak, bevonására használják felületvédelmi célból. Egyre jobban elterjed a cink fémszórással való felvitele hidakra, acéltraverzekre, darukra. A kadmiumot légvezetékek ötvözésére is használják, mivel az elektromos ív hőmérsékletén csökkenti az oxidációt. A cink és a kadmium rétegek festékalapnak is kiválóak. A kadmium felhasználását már a legtöbb területen tiltják erősen mérgező tulajdonsága miatt.
Ajánlott irodalom:

[1] Berecz, E.. Kémia műszakiaknak. . 1999.

[2] Szabó, Z. és Nyilasi, J.. A szervetlen kémia alapjai. . Budapest, 1978.

[3] Nyilasi, János. Általános Kémia. . Budapest, 1980.

[4] Dillard, C.R. és Goldberg. Kémia. . Budapest, 1982.

[5] Korcsmáros, I. és Szőkefalvi Nagy, Z.. Szervetlen kémia. . Budapest, 1980.

[6] Lengyel, B., Proszt, J., és Szarvas, P.. Általános és szervetlen kémia. . 1971.

[7] Erdey-Grúz, Tibor. A fizikai kémia alapjai. . Budapest, 1969.

[8] Erdey-Grúz, Tibor. Atomok és molekulák. . Budapest, 1966.

[9] Rózsahegyi, M. és Wajand, J.. Rendszerező kémia mintapéldákkal, feladatokkal. . Szeged, 1994.

[10] Kiss, F.. Kémia alapismeretek műszaki főiskolák számára I. és II.. . B+V Lap- és Könyvkiadó Kft. 2002.

Created by XMLmind XSL-FO Converter.