MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA CHEMIE Dusík Anorganická chemie 2, Vypracovala: Martina Vlková V Brně, 19. 10. 2016 Čestně prohlašuji, že jsem tuto práci vypracovala samostatně a pouze za využití pramenů, zmíněných v závěru práce. Úvod Dusík je nehořlavý (proto název dusík – „dusí plamen“). Řadí se spolu s P, As, Sb a Bi do pravé části periodické tabulky k nepřechodným prvkům a také do 15. (V.A) skupiny, tzv. pentelům. Díky své malé reaktivitě se dusík vyskytuje převážně volný ve vzduchu, kde ho tvoří 78 objemových procent. Dále je dusík velmi významný biogenní prvek, slouží jako stavební prvek bílkovin. Historie Dusík byl objeven v roce 1772 Danielem Rutherfordem (1749-1819) při pokusech na myších; dusík dále studovali C. W. Scheele, J. Priestley a H. Cavendish. Latinský název vznikl spojením řeckého slova nitron a gennau (= zásaditou látku tvořící), anglický název navrhl v roce 1790 J. A. C. Chaptal. A. L. Lavoisier dával přednost názvu „azot“ pocházející z řeckého slova azotikos (= bez života) vzhledem k dusivým vlastnostem plynu. · 1790 – J. A. C. Chaptal navrhl název nitrogen; prvek je součástí HNO[3] a NO[3]^- (řecky nitron, gennan = tvořit). · 1772 – J. Priestley připravil N[2]O a ukázal, že podporuje hoření. Roku 1774 izoloval plynný NH[3] pomocí Hg v pneumatické vaně. · 1809 – J. L. Gay Lussac připravil první adukt typu donor-akceptor NH[3].BF[3]. · 1811 – P. L. Dulong připravil NCl[3] (při studiu jeho vlastností přišel o oko a 3 prsty). · 1828 – F. Wöhler připravil močovinu z NH[4]CNO. · 1832 – J. von Liebig připravil nitrido-dichlorid fosforečný (NPCl[2])[x] zahřátím NH[3] nebo NH[4]Cl s PCl[5]. · 1835 – M. Gregory připravil S[4]N[4]. · 1862 – rozpoznán význam N[2] v půdě pro zemědělství. · 1864 – W. Weyl referoval o schopnostech kapalného NH[3] rozpouštět kovy za vzniku barevných roztoků. · 1886 – prokázána fixace N[2] organismy v kořenových hlízách. · 1887 – T. Curtis poprvé izoloval hydrazin, 1890 z něj připravil HN[3]. · 1895 – Franckův-Caroův postup výroby CaCN[2] (první průmyslový postup využívající vzdušný N[2]). · 1900 – Birkelandova-Eydeova průmyslová oxidace N[2] na NO sloužící k výrobě HNO[3] (zastaralý postup). · 1906 – F. Raschig připravil krystalickou kyselinu amidosírovou HSO[3]NH[2]. · 1929 – S. M. Naudé objevil izotop dusíku ^15N. · 1958 – S. G. Shore a R. W. Parry – připravili NH[3].BH[3], izoelektronový s ethanem. · 1965 – A. D. Allan a C. V. Senoff připravili první komplex s ligandem N[2]. Vlastnosti Dusík, latinsky Nitrogenium, se značí N s protonovým číslem 7 a relativní atomovou hmotností 14,00674 g/mol. Chemický prvek dusík je bezbarvý, dvouatomový plyn bez zápachu a chuti. Molekulový dusík je velmi málo reaktivní, protože jeho molekuly jsou tvořeny dvěma atomy vzájemně vázanými velice pevnou trojnou vazbou, která je příčinnou jeho malé reaktivity. Je tedy velmi stabilní a štěpí se až za vysokých teplot (asi 4000 °C). Díky této vlastnosti se dusík využívá k vytváření inertní atmosféry. Naopak atomový dusík je velmi reaktivní. Díky své vysoké elektronegativitě se může podílet na tvorbě vodíkových můstků. Přírodní N je tvořen 2 izotopy: ^14N (99,634 %) a ^15N (0,366 %) Reaktivita dusíku roste s rostoucí teplotou, kdy se přímo slučuje s Be, s kovy alkalických zemin, B, Al, Si a Ge za vzniku nitridů. Za žáru s vodíkem vzniká NH[3] a s koksem dikyan (CN)[2]. Dusík se váže téměř se všemi prvky periodické tabulky s výjimkou vzácných plynů (kromě Xe). Vaznost dusíku je maximálně 4, i když jsou známy struktury, ve kterých má atom N koordinační číslo 6 nebo 8. název Dusík Tekutý dusík Molekula dusíku (trojná vazba) latinsky Nitrogenium anglicky Nitrogen značka N protonové číslo 7 relativní atomová hmotnost 14,00674 elektronová konfigurace [He] 2s^22p^3 teplota tání -210,1 °C teplota varu -195,79 °C skupina 15 (V.A) perioda 2 skupenství (při 20 °C) plynné oxidační čísla ve sloučeninách -3, +1, +2, +3, +4, +5 Laboratorní příprava a výroba V laboratoři se dusík připravuje tepelným rozkladem dusitanu amonného (NH[4]NO[2]). (NH[4]NO[2]) → N[2] + 2H[2]O (Reakce probíhá při 80–100 °C.) Průmyslová výroba Průmyslově se dusík vyrábí frakční destilací zkapalněného vzduchu. Výskyt Dusík se v přírodě vyskytuje volný nebo vázaný. Vzduch, který nás obklopuje, je tvořen ze 78 obj. % tímto plynem. I přes jeho malou reaktivitu je dusík vázán v celé řadě přírodních sloučenin – soli kyseliny dusičné – NaNO[3] – čilský ledek. Koloběh dusíku v přírodě Využití Samotný dusík byl v době objevu identifikován jako součást vzduchu, většího uplatnění dosáhly sloučeniny dusíku např. při výrobě střelného prachu, později jako paliva raketových motorů, při výrobě barviv, léčiv a hnojiv. Dusík, který se skladuje a převáží stlačený v ocelových lahvích označených zeleným pruhem, se používá především k výrobě amoniaku (NH[3]), kyseliny dusičné (HNO[3]) a různých průmyslových hnojiv, například chilský ledek (NaNO[3] – dusičnan sodný), dusičnan amonný (NH[4]NO[3]), atd. Díky své malé reaktivitě se využívá také k vytváření inertní atmosféry (použití např. při skladování velmi reaktivních alkalických kovů). Ve velkém se používá k proplachování petrochemických reaktorů a jiných chemických zařízení. Dále se používá jako inertní ředilo chemikálií, při výrobě plaveného skla a jako ochrana před oxidací taveniny cínu. Kolem 10 % vyrobeného dusíku se používá jako chladivo při mletí materiálů, které jsou za normální teploty měkké nebo gumovité, k obrábění pryže za nízké teploty, k montáži technických konstrukcí ve smrštěném stavu, k ochranně biologických vzorků (krev, sperma apod.) a jako prostředek do lázně o konstantní teplotě -196°C. Dezoxidovaný dusík se v chemickém průmyslu také používá pro inertizaci zařízení a jako balicí plyn E 941 v potravinářství. Přímá vysokotlaká syntéza čpavku z dusíku a vodíku na železném katalyzátoru, podle Habera a Boshe, je jednou z nejdůležitějších chemických výrob vůbec. Za její praktické zvládnutí byl Fritz Haber oceněn Nobelovou cenou za chemii 1918. Amoniak (NH[3]) slouží jako hnojivo a chladivo, ale zejména jako základní surovina pro celou řadu dalších chemických výrob, z nichž nejdůležitější je výroba kyseliny dusičné a jejich solí, močoviny a kyanovodíku. Čpavek společně s kyselinou sírovou tvoří dodnes základ moderní průmyslové chemie. Kapalný dusík se často používá i při mražení potravin; k chlazení během přepravy; ke značkování dobytka; ke zmrazování obsahu potrubí místo ventilu pro přerušení průtoku; ke zmrazování zeminy pro zpevnění nestabilního základu při tunelování nebo hloubení. Potravinářský průmysl V potravinářském průmyslu se dusík používá: · k prodloužení skladovatelnosti balených potravin zabráněním kažení oxidací, růstem plísní, migrací vlhkosti a napadením hmyzem; · při termoregulaci a chlazení potravin; · při rychlém zmrazení (kryogenní zmrazování a IQF) potravin; · pro odstraňování plynů z kapalin; · pro pneumatickou dopravu složek a vytvoření inertní atmosféry v nádobách na skladování potravin; · k chlazení kazících se výrobků během dopravy; · při balení v modifikované atmosféře; Ropný průmysl V ropném průmyslu se dusík používá: · ke zlepšení regenerace a udržení tlaku v ropných a plynových ložiskách; · jako krycí plyn ve skladovacích nádržích a při nakládání/vykládání produktů; · k proplachování potrubí; · k odstraňování těkavých organických sloučenin (VOC) z odpadních toků nebo k chlazení větracích toků; Výroba kovů Ve výrobě kovů se dusík používá: * k ochraně kovů, jako je ocel, měď a hliník, během procesu žíhání, nauhličování a sintrování ve vysokoteplotních pecích; * k chlazení matric při tváření a lisování; * při uložení kovových dílů za tepla; Přehled sloučenin 1. bezkyslíkaté sloučeniny NH[3] – amoniak, bezbarvý a štiplavý plyn, který leptá sliznici NH[4]Cl - chlorid amonný (salmiak) používá se při pájení a v suchých bateriových článcích (NH[4])[2]SO[4] - síran amonný, průmyslové hnojivo NH[4]NO[3] - dusičnan amonný, průmyslové hnojivo ledek amonný s vápencem (směs NH[4]NO[3] a CaCO[3]) (NH[4])[2]CO[3] - uhličitan amonný, součást kypřících prášků amidy - aniont NH[2]^-, např. NaNH[2] imidy - aniont NH^2-, např. CaNH nitridy - aniont N^3-, např. BN NCl[3] - chlorodusík NI[3] - jododusík HN[3] - kyselina azidovodíková nestálá explozivní kapalina NH[4]CNO – močovina 2. kyslíkaté sloučeniny a) oxidy N[2]O – oxid dusný, tzv. "rajský plyn" používaný při operacích k anestezii NO – oxid dusnatý, bezbarvý N[2]O[3] – oxid dusitý NO[2] – oxid dusičitý, hnědočervený plyn, který má charakteristický zápach; silně jedovatý b) kyseliny HNO[2] – kyselina dusitá, slabá kyselina HNO[3] – kyselina dusičná, silná kyselina; uchovává se v tmavých lahvích, protože se působením světla rozkládá c) soli kyseliny dusičné (NO[3]^-) KNO[3] – dusičnan draselný (draselný ledek), průmyslové hnojivo NaNO[3] – dusičnan sodný (chilský ledek), průmyslové hnojivo NH[4]NO[3] – dusičnan amonný (amonný ledek), průmyslové hnojivo Nitridy, azidy a nitrodikomlexy 1. Nitridy – dělení do čtyř skupin na: · iontové · kovalentní · diamantového typu · kovové (intersticiální) Vzorce těchto sloučenin lze zapsat iontově pomocí částic N^3-, avšak je nepravděpodobné, že by separace náboje úplná, např.: Li[3]N a M[3]N[2] (M = Be, Mg, Ca, Sr a Ba). Díky svým vlastnostem se používají na výrobu kelímků, vysokoteplotních reakčních nádob, pouzder termoelektrických článků apod. 2. Azidy Naproti tomu azidy NaN[3], KN[3] atd. jsou dobře charakterizovány jako krystalické soli, které tají za částečného rozkladu. Azidy se vyznačují symetrickou lineární skupinou N[3]^- (N^- = N^+ = N^-) Azidy kovů podskupin B (např. AgN[3], Cu(N[3])[2] a Pb(N[3])[2]) jsou citlivé na náraz a snadno detonují. Jsou daleko méně iontové a mají složitější strukturu. Jsou známy též sloučeniny o jiném složení, např.: Ca[2]N, Ca[3]N[4] a Ca[11]N[8] 3. Nitridokomplexy Nitridový ion N^3- je vynikajícím ligandem zvláště vůči přechodným kovům druhé a třetí řady. Je považován za daleko nejsilnější π-donor elektronů, druhým nejsilnějším je izoelektronový ion O^2-. Nitridové komplexy se obvykle připravují tepelným rozkladem azidů (např. azido-fosfinové komplexy V^V, Mo^VI, W^VI, Ru^VI a Re^V) nebo deprotonizací NH[3] (např. [OsO[4]→OsO[3]N]^-). Většina komplexů obsahuje koncovou skupinu [≡N]^3-, jako např. [VCl[3]N]^-, [MoO[3]N]^-, [WCl[5]N]^2- apod. Jiné vazebné způsoby se uskutečňují lineárním symetrickým můstkem, jako např. v [(H[2]O)Cl[4]Ru–N–RuCl[4](H[2]O)]^3- Schéma vzniku dusíkatých sloučenin Seznam literatury: 1. Jančář, L. Periodická soustava prvků, 2. dotisk 1. vydání, vydala Masarykova univerzita, 2015, 154 s, ISBN 978-80-210-6621-2 2. Klikorka J., Hájek B., Votinský J.: Obecná a anorganická chemie, SNTL, Praha 1985. 3. http://e-chembook.eu/pentely-skupina-dusiku 4. http://www.tabulka.cz/prvky/ukaz.asp?id=7 5. http://www.prvky.com/7.html 6. http://www.ped.muni.cz/wchem/sm/hc/hist/chemlat/dusik.html 7. http://www.ceskeminipivovary.cz/nabidka/vyroba/komponenty-pivovaru/podpurna-zarizeni/redukcni-venti ly/ 8. http://www.siad.com/repceca/pagina.asp?m=4&id=268