Prvky p3 (pentely) - Biologie-chemie.cz

chemie

Otázka: Prvky p3 (pentely)

Předmět: Chemie

Přidal(a): Eliška 🙂

Charakteristika prvků p³– pentelů

prvky 15. (V.A) skupiny, p³ prvky, pentely
dusík, fosfor, arsen, antimon, bismut
mají 5 valenčních elektronů, el. konfigurace ns² np³
od fosforu mají volné d orbitaly → schopny excitace:
- 1) ns² np³, trojvazné, ox. č. III/-III
- 2) ns¹ np³ nd¹, pětivazné, ox. č. V

dusík není schopen excitace, i přesto ale může mít ox. č. V – jedna z vazeb je koordinační
s rostoucím Z roste kovový charakter prvků – dusík a fosfor jsou nekovy, arsen a antimon polokovy, bismut kov

s rostoucím Z klesá jejich reaktivita a také kyselost
stabilní el. konfiguraci nejčastěji získávají tvorbou tří kovalentních vazeb – pak mají ox. č. –III
se vzrůstajícím Z roste stabilita sloučenin s ox. č. III a klesá stabilita sloučenin s ox. č. V arsen, antimon a bismut jsou v přírodě málo rozšířené, nacházejí se především ve formě sirných rud a používají se např. na výrobu slitin
rozpustné sloučeniny arsenu jsou jedovaté a používají se k hubení hlodavců (např. arzenik – oxid arsenitý As₄O₆)

Dusík

2 stabilní izotopy – ¹⁴N (99,5 %) a ¹⁵N
výskyt:
- volný v atmosféře ve formě dvouatomových molekul (78 obj. %), vzduch je proto hlavním zdrojem dusíku
- vázaný:
  - v anorganických sloučeninách, např. v minerálech chilský ledek NaNO₃ a draselný ledek (salnitr) KNO₃, dále v amonných solích a dusitanech
  - v organických sloučeninách, např. v bílkovinách, nukleových kyselinách, je to biogenní prvek
vlastnosti a reakce:
- bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, málo rozpustný ve vodě, kyselinotvorný, nehořlavý
- ve všech skupenstvích tvoří dvouatomové molekuly N N, trojná vazba je pevná → nízká reaktivita
- oxidační čísla od –III do V
- ve sloučeninách může být maximálně čtyřvazný
- nejelektronegativnější prvek (X = 3,1)
- vzhledem k vysoké elektronegativitě je schopen vytvářet vodíkové vazby
- za běžných podmínek se neslučuje ani s velmi reaktivními prvky
- zvýšením teploty a tlaku se reaktivita podstatně zvyšuje, protože dojde k rozštěpení molekuly N₂ na samostatné atomy, které jsou velmi reaktivní a slučují se s mnohými prvky
příprava:
- termickým rozkladem dusitanu amonného:
  - NH₄NO₂ → N₂ + 2 H₂O

výroba:
- frakční destilací zkapalněného vzduchu
použití:
- přepravuje se stlačený v tlakových ocelových lahvích se zeleným pruhem
- při výrobě různých sloučenin – amoniaku, kyseliny dusičné, dusíkatých hnojiv
- elementární dusík se pro svou malou reaktivitu uplatňuje jako ochranný plyn tvořící inertní atmosféru všude tam, kde není žádoucí styk látek se vzdušným kyslíkem (např. při výrobě výbušnin)
- tekutý dusík se používá jako chladivo (t_v = – 196 °C)

amoniak:
- dříve nazýván čpavek
- za běžných podmínek bezbarvý plyn štiplavého zápachu a svíravé chuti
- díky vodíkovým vazbám, které tvoří, má ve srovnání s hydridy ostatních prvků 15. skupiny vysokou teplotu tání
- je mimořádně dobře rozpustný ve vodě (NH₃.H₂O, dříve NH₄OH – hydroxid amonný) o dobré rozpouštědlo
- v přírodě se tvoří rozkladem organických sloučenin obsahujících dusík
- volný elektronový pár na dusíku způsobuje jeho zásaditý charakter, je schopen vázat proton H⁺ za vzniku NH₄⁺
- má redukční vlastnosti:
  - 3 CuO + 2 NH₃ → 3 Cu + 3 H₂O + N₂
- laboratorně se připravuje rozkladem amonných solí silnými zásadami:
  - NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O
- průmyslově se vyrábí tzv. Haber-Boschovou syntézou, tedy vysokotlakou katalyzovanou syntézou prvků:
  - N₂ (g) + 3 H₂ (g) -> 2 NH₃ (g)

použití:
- výroba průmyslových hnojiv obsahujících amonné soli nebo dusičnany
- výroba kyseliny dusičné, sody
- kapalný jako chladicí médium
reaguje s kyselinami za vzniku amonných solí
s vodou amoniak částečně reaguje:
- NH₃ + H₂O ↔ NH₄⁺ + OH^–

amonné soli:
- obsahují kation NH₄⁺
- většinou jsou bezbarvé (bílé), krystalické, ve vodě rozpustné, tepelně nestálé (uvolňuje se amoniak)
- nejznámější je chlorid amonný, tzv. salmiak NH₄Cl – používá se při pájení kovů a v lékařství
- dusičnan amonný NH₄NO₃ se používá jako průmyslové hnojivo

oxidy:
- jsou složkou výfukových plynů a průmyslových exhalací
- většinou jsou dráždivé a jedovaté
- způsobují kyselé deště
- meziprodukty výroby kyseliny dusičné
- vznikají při redoxních reakcích dusíkatých sloučenin
- oxid dusný N₂O:
  - rajský plyn
  - bezbarvý, nasládlé chuti, málo rozpustný ve vodě
  - jeho směs s vodíkem při styku s plamenem vybuchuje
  - vdechováním malého množství N₂O nastává stav veselosti a opojení, při intenzivní inhalaci působí jako narkotikum
  - používal se v anesteziologii k narkózám, jako náplň do bombiček (např. se šlehačkou)
- oxid dusnatý NO:
  - bezbarvý plyn
  - radikál, má nepárový elektron
  - velmi reaktivní
  - snadno se oxiduje na oxid dusičitý
  - lze ho připravit přímou syntézou za vysokých teplot:
    - N₂ + O₂ → 2 NO

oxid dusitý N₂O₃:
- rozpouštěním ve vodě vzniká kyselina dusitá:
  - N₂O₃ + H₂O → 2 HNO₂

oxid dusičitý NO₂:
- červenohnědý jedovatý plyn
- vzniká při špatném uchovávání kyseliny dusičné
- radikál
- snadno tvoří dimer, tím se stabilizuje (N₂O₄)
- silné oxidační činidlo
- používá se jako okysličovadlo v raketové technice
oxid dusičný N₂O₅:
- rozpouštěním ve vodě vzniká kyselina dusičná:
  - N₂O₅ + H₂O → 2 HNO₃

kyseliny:
- kyselina dusitá HNO₂:
  - středně silná jednosytná kyselina
  - nestálá, snadno podléhá oxidaci i redukci
  - její vodný roztok se získá reakcí dusitanů s neoxidujícími kyselinami:
    - AgNO₂ + HCl → HNO₂ + AgCl
  - příprava:
    - N₂O₃ + H₂O → 2 HNO₂

- - používá se při výrobě barviv (především její soli – dusitany → azobarviva)
  - její soli dusitany MNO₂ jsou dobře rozpustné ve vodě

- kyselina dusičná HNO₃:
  - silná jednosytná kyselina
  - čistá je bezbarvá
  - světlem se rozkládá na NO₂, H₂O a O₂ (oxid dusičitý pak způsobuje žluté zabarvení), proto se uchovává v tmavých lahvích
  - s vodou je neomezeně mísitelná
  - koncentrovaná je 68%
  - silné oxidovadlo, oxiduje skoro všechny kovy, pouze:
    - Au a některé platinové kovy (Pt, Rh, Ir, Nb, Ta) reagují jen s lučavkou královskou, což je směs HNO₃ a HCl v poměru 1:3
    - Fe, Cr a Al se v koncentrované HNO₃ pasivují, tzn. pokrývají se vrstvou oxidů, které brání další reakci, a reagují proto pouze se zředěnou kyselinou
  - bílkoviny jejím působením žloutnou (xantoproteinová reakce – důkaz bílkovin)
  - příprava – rozkladem dusičnanu sodného kyselinou sírovou:
    - NaNO₃ + H₂SO₄→ NaHSO₄ + HNO₃
  - průmyslová výroba – nepřímou katalytickou oxidací amoniaku:
    - 1. syntéza amoniaku:
      - N₂ (g) + 3 H₂ (g) — Fe, 450 °C, MPa -> 2 NH₃ (g)
    - 2. oxidace amoniaku:
      - 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O
    - 3. oxidace oxidu dusného:
      - 2 NO + O₂ → 2 NO₂
    - 4. reakce oxidu dusičitého s vodou:
      - 3 NO₂ + H₂O → 3 HNO₃ + NO

- použití – výroba organických barviv, léčiv (např. nitroglycerin), celulózních laků, výbušnin, dusíkatých hnojiv a dusičnanů
- její soli jsou dusičnany MNO₃:
  - rozpustné ve vodě
  - při vyšších teplotách mají oxidační vlastnosti
  - termicky se rozkládají na dusitany až oxidy
  - lze je získat reakcí kyseliny dusičné s kovy, oxidy kovů nebo uhličitany
    - CuO + 2 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O
  - zvýšené koncentrace dusičnanů a dusitanů v potravinách jsou zdravotně závadné

dusíkaté deriváty uhlovodíků:
- nitrosloučeniny R – NO₂
- aminy
  - primární R – NH₂
  - sekundární R₂NH
  - terciární R₃N
- heterocykly (např. pyridin, pirimidin, purin)
- bílkoviny
- nukleové kyseliny

Fosfor

výskyt:
- v přírodě se nachází jen ve sloučeninách:
  - anorganické – minerály apatit a fosforit Ca₅F(PO₄)₂ (mají stejné složení, ale odlišnou strukturu), Ca₃(PO₄)₂ – složka kostí a zubů živočichů
  - organické – nukleové kyseliny, fosfolipidy, koenzymy NAD a NADP, ATP
- patří mezi biogenní prvky (kosti, zuby, nukleové kyseliny, ATP)
vlastnosti a reakce:
- fyzikálními vlastnostmi se podobá kovům o znám je ve třech modifikacích (červený, bílý, černý):
  - bílý (žlutý) fosfor P₄:
    - voskově měkký, lehce se krájí
    - ve tmě světélkuje
    - ve vodě nerozpustný, rozpustný v CS₂
    - prudce jedovatý, značně reaktivní
    - na vzduchu samozápalný (proto se uchovává pod vodou):
      - P₄ + 5 O₂ → P₄O₁₀
  - červený (fialový) fosfor P_n:
    - méně reaktivní než bílý
    - nejedovatý, ve vodě i v CS₂ nerozpustný
    - vzniká zahříváním bílého fosforu v inertní atmosféře
    - barva tmavočervená, hnědá i fialová (záleží na způsobu přípravy)
    - tvoří řetězce

- černý fosfor = kovový:
  - krystalická, tmavě šedá látka s kovovým leskem
  - dobře vede el. proud a teplo
  - nejstabilnější a nejméně reaktivní
  - vrstevnatá struktura
  - vzniká zahřátím červeného fosforu nad teplotu 400 °C za vysokého tlaku
- vazebné možnosti fosforu jsou podobné jako u dusíku, charakter vazeb s kovy i nekovy je většinou kovalentní
- ve sloučeninách nabývá oxidačních čísel –III a V
- na rozdíl od dusíku netvoří fosfor vodíkové můstky
výroba:
- bílý fosfor se vyrábí z apatitu redukcí koksem v přítomnosti křemene v el. peci
- červený fosfor se vyrábí přeměnou bílého fosforu za nepřístupu vzduchu při teplotě 350 °C
- laboratorně se fosfor obvykle nepřipravuje

použití:
- bílý:
  - dříve k výrobě samozápalných leteckých pum a dělostřeleckých granátů (způsobuje těžké popáleniny) – dnes zakázáno
  - výroba jedovatých nástrah k hubení hlodavců
  - výroba farmaceutických preparátů

- červený:
  - schopen vzplanout při silnějším zahřátí (např. třením) → zápalky (na škrkátku) a pyrotechnika
  - příprava téměř všech sloučenin fosforu (např. kyseliny fosforečné, fosfátů)
- černý:
  - v elektrotechnice při výrobě polovodičů typu N
  - v menším množství se přidává do slitin kovů (do pájek, bronzu, speciálních ocelí) – zvyšuje tvrdost

bezkyslíkaté sloučeniny fosforu:
- fosfan PH_3:
  - je obdobou amoniaku, ale vazba P – H je slabší než N – H
  - za běžných podmínek bezbarvý, prudce jedovatý plyn nepříjemného česnekového zápachu
  - čistý je na vzduchu samozápalný
  - má redukční vlastnosti
- difosfan P₂H₆
- fosfidy – sloučeniny fosforu s elektropozitivnějšími prvky (např. fosfid vápenatý Ca₃P₂)
- halogenidy fosforu

oxidy:
- tvoří dimery
- oxid fosforitý P₄O₆:
  - bílá, jedovatá, vosku podobná krystalická látka, snadno tající
  - vzniká spalováním fosforu za omezeného přístupu vzduchu:
    - P₄ + 3 O₂ → P₄O₆
  - je kyselý, s vodou poskytuje roztok kyseliny fosforité
  - snadno se oxiduje

oxid fosforečný P₄O₁₀:
- bílá, sněhu podobná sloučenina, která při teplotě 358,9 °C sublimuje
- vzniká spalováním fosforu v nadbytku vzduchu a ochlazením par ve velkých komorách:
  - P₄ — ^O2 -> P₄O₆ – ^O2 -> P₄O₁₀
- má mimořádnou dehydratační schopnost, proto se často používá jako sušidlo
- po osvětlení zeleně světélkuje

kyseliny:
- kyselina fosforitá H₃PO₃:
  - bezbarvá krystalická látka, ve vodě dobře rozpustná
  - má hygroskopické účinky
  - používá se jako redukční činidlo
- kyselina trihydrogenfosforečná H₃PO₄:
  - = kyselina ortofosforečná
  - trojsytná, středně silná kyselina
  - ve vodných roztocích je dvojsytná
  - je stálá, nemá oxidační vlastnosti
  - většinu kovů nerozpouští (dochází k pasivaci)
  - krystalická čirá látka
  - při zahřívání dochází ke vzniku kyseliny metafosforečné:
    - H₃PO₄ (HPO₃)_n
  - vznik:
    - P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄

- - vyrábí se rozkladem fosforečnanů kyselinou sírovou
  - použití:
    - ve farmacii jako přísada do roztoku peroxidu vodíku (zpomaluje jeho rozklad)
    - výroba průmyslových hnojiv (např. superfosfát), léčiv, pracích prostředků
    - povrchová úprava kovů
    - zpracování ropy
    - výroba nealkoholických nápojů – okyselování (např. Coca Cola)
    - výroba zubních tmelů
  - tvoří tři řady solí:
    - dihydrogenfosforečnany MH₂PO₄
    - hydrogenfosforečnany M₂HPO₄
    - fosforečnany M₃PO₄
    - dihydrogenfosforečnany jsou ve vodě rozpustné, hydrogenfosforečnany a fosforečnany jsou rozpustné jen jako soli alkalických kovů
    - fosforečnany se používají jako změkčovadla vody v pracích prášcích
    - fosforečnan vápenatý Ca₃(PO₄)₂:
      - obsažen v minerálech fosforitu a apatitu
      - ve vodě nerozpustný
      - surovina pro výrobu fosforečných hnojiv – např. superfosfát
        
        Ca₃(PO₄)₂ + 2 CaSO₄. 2 H₂O

ATP:
- adenosintrifosfát o univerzální makroergická sloučenina tvořící spojovací článek mezi exergonickými a exergonickými reakcemi
- tvoří se z ADP (adenozindifosfátu) navázáním zbytku kyseliny fosforečné v procesu nazývaném fosforylace
- energie se uvolňuje hydrolýzou makroergických vazeb mezi fosfátovými zbytky – na 1 mol je to 33 kJ

Hnojiva

slouží k výživě rostlin, k dodávání minerálních látek (především C, N, P, K, Ca, Mg, S)
minerální látky jsou přijímány rozpuštěné ve vodě – ta je zdrojem H a O
dále jsou potřeba i stopové prvky (B, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, Si, Na, Cl,…)
dusík:
- podporuje bujný růst, sytě zelenou barvu rostlin, hodně listů
- způsobuje malou odolnost vůči chorobám a málo plodů – ty jsou netrvanlivé, nevybarvené, bez vůně
- při nedostatku jsou rostliny malé, slabé, neduživé, světle zelené, listy i plody předčasně opadávají
- dobré je hnojit jím na jaře
fosfor:
- podporuje růst květů a plodů, které jsou krásně voňavé a vybarvené
- zkracuje vegetační období
- při nedostatku mají rostliny málo květů, které jsou malé a zasychají, plody opadávají, jsou chuťově nevýrazné a vybledlé, listy mají červené žilky
draslík:
- je potřebný na konci vegetačního období
- způsobuje vysokou odolnost vůči mrazu, plísním a chorobám
- při nedostatku – malá odolnost vůči suchu a mrazu, rostliny se snadno lámou a kroutí se jim listy
vápník:
- důležitý pro kořenový systém a pro tvorbu pevných větví, silné kůry, kmene a slupky plodů
- při nedostatku jsou rostliny málo zakořeněné
- důležitý je hlavně na podzim
hořčík:
- je součástí chlorofylu → sytě zelené listy
síra:
- součást bílkovin a rostlinných silic
železo:
- podporuje tvorbu chlorofylu
stopové prvky:
- bor – důležitý pro květy a plody
- hliník – součást buněčných stěn
- křemík, sodík, chlor – součást katalyzátorů
- měď – důležitá pro tvorbu chlorofylu
- molybden – podporuje činnost půdních bakterií

statková hnojiva (přírodní) – hnůj, trus, kompost (organické zbytky + vápno + zemina), močůvka, zelené hnojení
průmyslová (syntetická hnojiva):
- jednosložková:
  - N – NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂, NH₃, NH₄⁺
  - P – Ca(H₂PO₄)₂, superfosfát
  - K – KCl, K₂SO₄, K₂O
- vícesložková:
  - NPK 1 (obsahuje nejvíc N), NPK 2 (obsahuje nejvíc P), NPK 3 (obsahuje nejvíc K)
  - Cererit (NPK + mikroprvky)
  - floran