15. a 16. skupina

Jaké jsou hlavní biologické funkce dusíku (N) a fosforu (P)?

Dusík je důležitý pro syntézu aminokyselin a nukleových kyselin; fosfor je klíčový pro energii (ATP) a strukturu DNA.

Jaké jsou allotropní modifikace fosforu?

Bílý fosfor, červený fosfor a černý fosfor.

Jaká je teplota tání bílého fosforu?

44,1 °C.

Jaká je teplota tání červeného fosforu?

600 °C.

Jaké jsou vazby a energetické hodnoty mezi atomy dusíku?

N—N: 167 kJ; N≡N: 945 kJ.

Jaké jsou vazby a energetické hodnoty mezi atomy fosforu?

P—P: 209 kJ; P≡P: 493 kJ.

Jaká je celková energie pro vazby P—P?

1254 kJ·mol−1.

Tendence k řetězení prvků 15. skupiny

N < P > As > Sb > Bi

Důsledky slabé vazby N—N:

• Spojení více atomů N jednoduchými vazbami je stabilní.

• Azoimid, azidy (např. Pb(N3)2, NaN3)

Jaká jsou použití dusíku (N2) v průmyslu?

Používá se v „suchých“ boxech (glove-box).

Jaká je reakce pro systém syntézy amoniaku?

N2 + 3 H2 → 2 NH3 (katalýza γ-Fe, 400 °C / 20 MPa).

Jaké jsou deriváty amoniaku?

NH4+ (amonní kation), NH2− (amid), NH2 -(imid), N3− (nitrid).

Neutralizační reakce NH4+

NH4+ + NH2− → 2 NH3

Jaké jsou oxidy dusíku?

NO, N2O, NO2, N2O4, N2O3, N2O5, N4O.

Jaké jsou struktury oxidů fosforu?

Adamantanoidní, klecovité struktury jako P4, P4O6, P4O10.

výroba kyseliny dusičné?

- spalování NH3

- 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O ΔH = −904 kJ·mol−1

- oxidace NO

- 2NO + O2 → 2NO2 ΔH = −114 kJ·mol−1

- absorpce NO2 ve vodě

- 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO ΔH = −73 kJ·mol−1

Jak se vyrábí kyselina fosforečná?

- extrakční výroba = spalování fosforu a hydratace::

- P4 + 5 O2 → P4O10

- P4O10 + 6 H2O → 4 H3PO4

- termická výroba = rozklad fosforečnanů silnou kyselinou:

- Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 → 3 CaSO4 + 2 H3PO4.

Kyselina „fosforná“:

- H2P(O)OH (dihydridodioxofosforečná, fosfinová)

- 1 kyselý vodík → 1 řada solí

Kyselina „fosforitá“:

- HP(O)(OH)2 (hydridotrioxofosforečná, fosfonová)

- Obsahuje 2 kyselé vodíky → 2 řady solí

Organoprvkové sloučeniny fosforu

- deriváty fosfinové kyseliny

- Kyselina difenylfosfinová

- deriváty fosfonové kyseliny

- Kyselina methylfosfonová

Toxicita organických derivátů fosforu

- Příklady: Malathion, tabun, sarin, soman

Iontové halogenidy fosforu

Alkalické kovy, dobře se rozpouštějí.

Kovalentní halogenidy fosforu

• Reagují s vodou (hydrolyzují)

• Cl3 + 3H2O H3PO3 + 3HCl

• PCl5 + 4H2O H3PO4 + 5HCl

hmojiva

Dusíkatá (NH3), fosforečná (HPO42−, H2PO4−), draselná (KCl, K2SO4).

využití dusíku a fosforu

Plasty, výbušniny, barviva, léčiva

Dusík a fosfor v živých organismech

• Dusíkaté báze v NK:

  • Trifosforečnan v ATP

Allotropní Modifikace Kyslíku

dikyslík a ozon

Dikyslík (O₂)

• Chemická struktura: Kyslík v atmosféře většinou vystupuje jako O₂, dvatomová molekula.

• Teplota varu: -183 °C, což ukazuje na jeho nízkou teplotu varu a potenciál pro použití v ochlazovacích systémech.

• Výroba: Frakční destilace kapalného vzduchu je hlavním způsobem výroby O₂.

• Příprava: Lze vyrobit rozkladem oxidů, peroxidů nebo oxidací peroxidu vodíku (H₂O₂).

Ozon (O₃)

• Reakce: Ozon vzniká fotochemickou reakcí, která probíhá ve dvou krocích: O₂ + hν → 2O a O + O₂ → O₃. + hν O2 + O•

• Environmentální význam: Ozon hraje klíčovou roli ve stratosféře, kde absorbuje UV záření, čímž chrání život na Zemi.

oxidy dle charakteru vazby

iontové a kovalentní

iontové oxidy

vznikají přenosem elektronů mezi atomy, obvykle mezi kovy a nekovy.

kovalentní oxidy

dělí se na nízkomolekulární (např. CO₂) a polymerní (např. SiO₂).

oxidy dle acidobazických vlastností

- Zásadotvorné (alkalické): například MgO + H₂O → Mg(OH)₂.

- Kyselinotvorné: například SO₂ + H₂O → H₂SO₃.

- Amfoterní: oxidy, které se chovají jako kyseliny i zásady, například Al₂O₃.

Jaké oxidační a redukční vlastnosti má peroxid vodíku (H2O2)?

Je slabou kyselinou a oxidačním a redukčním činidlem.

• 2Fe2+ + H2O2 + 2H+→ 2Fe3+ + 2H2O

• 2MnO4− + 5H2O2 + 6H+ → 2Mn2+ + 8H2O + 5O2

laboratorní příprava H2O2

BaO2 + H2SO4 → H2O2 + BaSO4

Allotropní Modifikace Síry

Cyklo-oktasíra (S₈) a polysíra (Sn)

Cyklo-oktasíra (S₈)

Hlavní forma síry: vytváří kroužkovou molekulu skládající se z osmi atomů síry.

Polysíra (Sn)

Obsahuje řetězce sírových atomů (n = 2, 3,... 8).

Co je Fraschův proces?

Proces těžby síry: používá stlačený vzduch a přehřátou vodu k extrakci minerální síry z podzemí.

Jaké jsou obecné vzorce pro polysulfany a polythionové kyseliny?

H₂Sn (s n = 2, 3,... 8) a H₂SnO₆ (s n = 2, 3,... 6).

výroba SO₂

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O

SO₃

• v plynné fázi SO3

• v pevné fázi (SO3)3

výroba kyseliny sírové

- spalování S

- S + O2 → SO2 ΔH = −297,9 kJ.mol−1

- oxidace SO2

- SO2 + ½ O2 → SO3 ΔH = −98,4 kJ.mol−1

- hydratace SO3

- SO3 + H2O → H2SO4 ΔH = −119,9 kJ.mol−1

Jaké jsou ekologické aspekty produkce SO₂?

• spalování síry a sulfanu: 2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2

• pražení sulfidických rud: 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO

Odsiřovací postupy (desulfurizace)

• H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4.2H2O

• H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4