Početna za: DUŠIK, N  

SPOJEVI, DOBIVANJE I UPORABA

Dobivanje dušika:

Elementarni dušik dobiva se isključivo iz zraka, pri čemu se koriste dvije metode: 

1) Ukapljivanje i frakcijska destilacija tekućeg zraka. Koristi se za dobivanje velikih količina dušika, a zasniva se na nižem vrelištu dušika od kisika pa se lakše ukapljuje i frakcijskom destilacijom izdvaja kao plinovita faza.

2) Uklanjanje kisika iz zraka kemijskim putem. Ovom metodom dobivaju se srednje velike količine dušika, a odvija se tako da kisik iz zraka reagira s ugljikom pri čemu nastaje generatorski plin prema jednadžbi:

4N2(g) + O2(g) + 2C(s) -> 4N2(g) + 2CO(g).

Dobiveni generatorski plin reagira s vodenom parom pri čemu nastaje smjesa dušika, vodika i ugljikovog dioksida. Iz smjese se izdvoji dušik čijim se ispiranjem, sušenjem i kemijskom obradom može postići čistoća od čak 99,99%. 
Male količine dušika mogu se dobiti raznim kemijskim reakcijama dušikovih spojeva, npr. disocijacijom amonijaka (uz prisutnost katalizatora pri temperaturi 500-600°C), oksidacijom amonijaka vrućim metalnim oksidom prema reakciji: 

3CuO + 2NH3 -> 3Cu +3H2O + N2

i termičkim raspadom dušikom bogatog spoja kao što je amonijev nitrit:

NH4NO2(S) -> N2(g) + 2H2O(g)


Svojstva i upotreba dušika:

Prirodni dušik je smjesa dvaju stabilnih izotopa: 14N (99,63%) i I5N (0,37%), a pri standardnim uvjetima je plin bez boje, okusa i mirisa. Sastavljen je od dvoatomnih molekula u kojima su atomi dušika povezani s trostrukom kovalentnom vezom. Pri temperaturi od -195,78°C plinoviti dušik prelazi u tekućinu, a pri -209,96°C prelazi u čvrsto stanje stvarajući beta-modifikaciju koja ima heksagonsku kristalnu rešetku. Ova modifikacija pri temperaturi -237,48°C prelazi u alfa-modifikaciju koja ima kubičnu kristalnu rešetku. Djelovanjem ultraljubičastog zračenja, molekule dušika disociraju u atome zbog toga što se u slojevima atmosfere iznad 250 km od površine Zemlje dušik nalazi u atomarnom stanju. Iz spektra polarne svjetlosti može se zaključiti da, osim u molekulskom stanju, dušik postoji i u obliku iona N2+, vjerojatno zbog utjecaja kozmičkog zračenja.

Dušik ne gori, ne podržava gorenje i lakši je od zraka. Zbog jake trostruke veze u molekuli dušika molekula je izuzetno stabilna pa je elementarni dušik izrazito inertan. Pri sobnoj temperaturi slabo reagira. U vodi je upola manje topljiv od kisika (1L vode pri O°C otapa 23 cm3 dušika) što je značajno za proces disanja organizama u vodi. U nekim organskim otapalima je slabo topljiv (kloroform i nitrobenzen), a u nekima je jače topljiv (benzen, etanol i octena kiselina). 

U brojnim rastaljenim metalima se otapa dajući nitride. Zagrijavanjem do visoke temperature dušik postaje reaktivniji pa reagira s elementima kao: W, Cr, Si, Al, B, Be, Mg, Ba, Sr, Ca, Li i H. Ako se dušik podvrgne tamnom električnom pražnjenju, prelazi u pobuđeno stanje (tzv. aktivni dušik). Nakon prekida pražnjenja vraća u osnovno stanje uz emisiju itenzivne zlatnožute svjetlosti koja može trajati i do šest sati (ovu pojavu je opazio J. W. Strutt, 1842.-1919.). Aktivni dušik vrlo je reaktivan i reagira s brojnim metalima i nemetalima (fosforom i sumporom) već pri sobnoj temperaturi. Dušik je dijamagnetičan.

Dušik se najviše upotrebljava za proizvodnju umjetnih gnojiva za što se troši 85% svjetske proizvodnje. Ostatak se koristi u raznim granama industrije. U kemijskoj industriji dušik se upotrebljava kao zaštitni plin u procesima sa zapaljivim plinovima i tekućinama ili pri izradi proizvoda osjetljivih na oksidaciju (npr. poliamidi, polistireni, uretan, arilne smole i drugih), te kao razrjeđivač kojim se regulira brzina reakcije. U industriji nafte upotrebljava se dobivanje voskova, za zaštitu proizvoda od osmoljavanja uslijed djelovanja kisika. U prehrambenoj industriji koristi se za zaštitu proizvoda od oksidativnog kvarenja, npr. za zadržavanje prirodne boje mesa, sprečavanje rasta plijesni i zagađivanja namirnica insektima. U metalurgiji, koja troši oko 4% dušika, koristi se kao zaštitni plin pri termičkoj obradi nehrđajućih čelika i pri izradi posebnih legura.


Spojevi dušika:

Dušik u spojevima ima sve oksidacijske brojeve od +5 do -3, a najčešće je u stanjima oksidacijskog broja -3, +3 i +5. U stanju -3 (ion N3-) postoji samo u nitridima najelektropozitivnijih metala. Nitridi prijelaznih metala su nestehiometrijski jer se atomi intersticijski ugrađuju u kristalnu rešetku metala. Najstabilnije stanje je +3 s koordinacijskim brojem 4 (tetraedarska) i 3 (piramidalna koordinacija) s kovalentnim vezama koje mogu biti jednostruke (NH3), dvostruke (NO2) ili trostruke (N2). Najznačajniji spojevi dušika:

-Amonijak (NH3) bezbojan je plin karakteristična neugodna mirisa. Najznačajniji je spoj dušika koji ima vrlo široku upotrebu. Daleko najrašireniji postupak dobivanja amonijaka je direktna sinteza iz elemenata Haber-Bochovim postupkom koji se odvija pri povišenoj temperaturi (oko 500°C) i visokom tlaku (oko 100 MPa) uz prisutnost katalizatora. Amonijak se upotrebljava za proizvodnju umjetnih gnojiva, amonijevih soli, sode, dušične kiseline, umjetnih boja, a tekući amonijak koristi se za proizvodnju umjetnog leda. 

-Amonijeve soli nastaju neutralizacijom amonijaka kiselinama i sadrže tetraedarski NH4+ ion. Pri sobnoj temperaturi to su stabilni čvrsti spojevi koji se zagrijavanjem raspadaju, a najznačajniji su:

-Amonijev karbonat ((NH4)2CO3) koristi se umjesto kvasca u pekarstvu i kao gnojivo. 

-Amonijev klorid (NH4CI, salmijak) upotrebljava se: za proizvodnju suhih galvanskih članaka, kao umjetno gnojivo, a u medicini kao diuretik i diaforetik te kao sredstvo za čišćenje pri lemljenju.

-Amonijev sulfat ((NH4)2SO4) upotrebljava se kao umjetno gnojivo, kao hranjivi dodatak komini pri proizvodnji kvasca i u proizvodnji plastičnih masa.

-Dušična kiselina (HNO3) jedan je od najvažnijih anorganskih spojeva, upotrebljava se u proizvodnji lijekova, boja, eksploziva te za nitriranje organskih tvari. Talište joj je pri -42°C, a vrelište pri 83°C. Dobiva se najčešće oksidacijom (izgaranjem) amonijaka pri temperaturi 600 °C u prisutnosti platine kao katalizatora (Ostwaldov postupak). U prvoj fazi amonijak se oksidira u dušikov(II)-oksid, (NO) uz kojeg nastaje voda; potom se NO oksidira u dušikov(IV)-oksid (N02) koji otopljen u vodi daje dušičnu kiselinu. Soli dušične kiseline su nitrati, topljivi su u vodi, poznat ih je vrlo veliki broj, a najvažniji je amonijev nitrat (NH4NO3, amonijeva salitra) koja se upotrebljava kao eksploziv (kamniktit) i umjetno gnojivo.

-Nitridi su spojevi dušika s drugim elementima. Nitridi elektropozitivnih metala ionskog su karaktera, oni prijelaznih metala su intersticijski, a polumetala su kovalentni. Borov nitrid (BN), aluminijev nitrid (AIN) i silicijev nitrid (Si3N4) izuzetno su tvrdi materijali i koriste se kao specijalne keramike, abrazivi i za izradu obloga peći. Silicijev nitrid (Si3N4) koristi se za izradu obloga tornjeva za hlađenje i čišćenje SO2, ciklonskih separatora prašine te mlaznica za raspršivanje tekućih goriva u ložištima. Silicij-nitridna keramika danas je jedna od najperspektivnijih visokovrijednih keramika jer ima veliku čvrstoću i žilavost, visoko talište, a malu gustoću. Bor-nitridne i silicij-nitridna keramike imaju izuzetnu mehaničku stabilnost na visokim temperaturama, što je posljedica polimerizacije strukture. Titanijev nitrid, galijev nitrid i indijev nitrid koriste se kao poluvodiči materijali i luminescentne tvari.

-Hidrazin (N2H4) sa zrakom stvara eksplozivne smjese. U dodiru s tkaninom, drvetom azbestom i pepelom je samozapaljiv. Jako nadražuje sluznice i otrovan je. Upotrebljava se kao raketno gorivo, kao jako redukcijsko sredstvo u kemijskoj industriji i analitičkoj kemiji, za proizvodnju lijekova i kao ihibitor rasta biljaka (npr. klijanja krumpira i luka).

-Hidroksilamonijev sulfat ((NH3OH)2SO4) koristi se za dokazivanje i određivanje karbonilne skupine, za prekidanje procesa polimerizacije te kao sastojak fotografskih razvijača.

-Dušikovodična kiselina (HN3) izuzetno je eksplozivna, pa se i njene soli kao što su olovo(II)-azid (Pb(N3)2) i živin(I)-azid (HgN3) upotrebljavaju kao detonatori eksploziva.

-Dušikov(I)-oksid (N2O, dušikov suboksid) bezbojan je plin slatkastog mirisa koji djeluje opojno i podražuje na grčevit smijeh (naziva se rajski plin) a upotrebljava se kao anestetik. Nastaje termičkim raspadom amonijevog nitrata NH4NO3. Ima linearnu molekulu N-O-N i pri sobnoj temperaturi gotovo je inertan.

-Dušikov(II)-oksid (NO) bezbojan je i vrlo otrovan plin važan u procesu dobivanja dušične kiseline. Dobiva se oksidacijom amonijaka u prisutnosti platine kao katalizatora.

-Dušikov(IV)-oksid postoji kao ravnotežna smjesa dušikovog dioksida (NO2) i dvadušikovog tetraoksida (N2O4), kako u plinovitoj fazi, tako i u tekućoj otopini. NO2 je smeđi i paramagnetični plin, dok je N2O4 bezbojan i dijamagnetičan s planarom molekulom O2N-NO2. Smjesa se ukapljuje pri temperaturi 21,15°C gdje u tekuću fazu u biti prelazi N2O4 u kojoj je otopljeno svega 0,1% NO2. U čvrstoj fazi (ispod -11,2°C) postoji samo N2O4. Dušikov(IV)-oksid upotrebljava se kao oksidans pri izgaranju raketnih goriva, za proizvodnju oksiceluloze i za bijeljenje brašna.

 Početna za: DUŠIK, N