మాంసకృత్తులు, ఎమినో ఆమ్లాలు, DNA, RNA, అగ్గిపుల్లలు, రసాయన ఎరువులు, ఎముకలు, పాలు, గుడ్లు వీటన్నిటిలో N, P మూలకాలున్నాయి. 15వ గ్రూపులో N, P, As (ఆర్సెనిక్), Sb (యాంటిమొని), Bi (బిస్మత్) ఉన్నాయి. ఈ గ్రూపు మూలకాలను ''ప్నికోజన్లు'' అంటారు. (గ్రీకు భాషలో ప్నికోమిగ్ అంటే ఊపిరాడక పోవటం అని అర్థం).
N, Pలు అలోహాలు. As, Sbలు అర్ధలోహాలు. Bi మాత్రమే లోహం. N ద్విపరమాణుక వాయువు, P4 చతుర్ పరమాణుక ఘన పదార్థం. గ్రూపులో పై నుంచి కిందికి సాంద్రత, పరమాణు వ్యాసార్ధాలు, లోహ స్వభావం, ద్రవీభవన, బాష్పీభవన ఉష్ణోగ్రతలు పెరుగుతాయి. రుణ విద్యుదాత్మకత, ఎలక్ట్రాన్ ఎఫినిటి, అయోనైజేషన్ పొటెన్షియల్, కాటనేషన్ ప్రవృత్తి మాత్రం తగ్గుతాయి. వీటి సాధారణ ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసం ns2np3. ఈ మూలకాలు అనేక ఆక్సీకరణ స్థితులను చూపుతాయి. N అయితే -3, +1, +2, +3, +4, +5; P అయితే -3, +3, +4, +5; As, Sbలు -3, +3, +5; Bi కేవలం +3 (జడ జంట ఎలక్ట్రాన్ ప్రభావం) ఆక్సీకరణ స్థితులను చూపుతాయి. అత్యధిక కోవెలన్సీ Nకు 4, Bi, P, As, Sbలకు 5 లేదా 6 ఉంటుంది. Bi మినహా మిగతా అన్ని మూలకాలు బహురూపకతను ప్రదర్శిస్తాయి. ఒక మూలకం రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ భౌతిక రూపాల్లో ఉండటాన్ని బహురూపకత (Allotropy) అంటారు. Nకి α, β నైట్రోజన్లు, Pకి ఎరుపు, తెలుపు, ఊదా, స్కార్లెట్, α - నలుపు, β - నలుపు, As కి బూడిదరంగు, పసుపు, నలుపు రూపాంతరాలున్నాయి.
చిన్న పరమాణుసైజు, అధిక రుణ విద్యుదాత్మకత, అయోనైజేషన్ పొటెన్షియల్లు, d ఆర్బిటాళ్లు లేకపోవడం వల్ల Nప్రవర్తన మిగతా మూలకాల కంటే భిన్నంగా ఉంటుంది. ఈ గ్రూపు మూలకాలు ఆక్సైడ్లు, హైడ్రైడ్లు, హాలైడ్లను ఇస్తాయి.
హైడ్రెడ్లు: ఇవి MH3 రకం హైడ్రైడ్లను ఏర్పరుస్తాయి. వీటిని తయారు చేసే పద్ధతులు.
NH4Cl + NaOH NH3 + NaCl + H2O
Ca3P2 + 6 H2O 2PH3 + 3Ca (OH)2
ఈ హైడ్రైడ్లలో NH3 స్థిరమైంది, అత్యధిక B.P., అల్పబాష్పశీలత, అత్యధిక క్షార స్వభావం కలిగి ద్రవస్థితిలో ఉంటుంది. BiH3 తక్కువ స్థిరత్వాన్ని, అత్యధిక క్షయీకరణ స్వభాన్ని కలిగి ఉంది.
NH3 నుంచి BiH3కి వీటి...
* ఈ క్షార బలం తగ్గుతుంది.
* క్షయీకరించే స్వభావం పెరుగుతుంది.
* స్థిరత్వం తగ్గుతుంది.
* బంధధైర్ఘ్యం పెరుగుతుంది.
* బంధకోణాలు తగ్గుతాయి.
* B.P లు తగ్గుతాయి.
B.P క్రమం:
BiH3 > SbH3 > NH3 > AsH3 > PH3
(290 K) (255 K) (239 K) (211 K) (186 K)
* ద్రావణీయత తగ్గుతుంది.
* NH3లో హైడ్రోజన్ బంధాలున్నందు వల్ల అది ద్రవరూపంలో ఉంటుంది. దీని B.P. దీని తర్వాతి హైడ్రైడ్ల కంటే ఎక్కువ
ఆక్సైడ్లు: N అనేక ఆక్సైడ్లు (ఆక్సీకరణ స్థితి +1 నుంచి +5 వరకు) ఏర్పరిస్తే, P మాత్రం ట్రై, పెంటాక్సైడ్లను ఇస్తుంది. NO, N2Oలు తటస్థ ఆక్సైడ్లు. AS2O3, Sb2O3 లు ద్విస్వభావ ఆక్సైడ్లు. NO చాలా స్థిరమైంది, పారా అయస్కాంత పదార్థం, ఆకాశంలో మెరుపు వచ్చినప్పుడు ఏర్పడుతుంది.గాలిలో జేగురు ఎరుపు రంగులోకి మారుతుంది. వీటి తయారీ, స్వభావం, నిర్మాణం, ఇతర ధర్మాలు కింద పట్టికలో ఉన్నాయి.
P4O6, P4O10 లలో P చుట్టూ వరుసగా 3, 4 ఆక్సిజన్లుఉన్నాయి. ఈ రెండింటిలో 6 P − O − P బంధాలు (వారధి ఆక్సిజన్లు) ఉన్నాయి. ఈ రెండింటిలోనూ P − P బంధాలు లేవు. ఇవి జలవిశ్లేషణలో అస్&ఇక్ ఆమ్లాలను ఇస్తాయి.
P4O6 + 6H2O 4H3PO3
ఫాస్ఫరస్ ఆమ్లం
P4O10+ 6H2O 4H3PO4(ఫాస్ఫారికామ్లం)
హాలైడ్లు: 15వ గ్రూపు మూలకాలు MX3, MX5 రకం హాలైడ్లను ఇస్తాయి. Nలో d ఆర్బిటాళ్లు లేనందున అది పెంటా హాలైడ్లను ఇవ్వలేదు. జడ జంట ఎలక్ట్రాన్ ప్రభావం వల్ల Bi పెంటా హాలైడ్లను ఇవ్వలేదు. (BiF5ను ఏర్పరచగలదు.)
ట్రైహాలైడ్లు: పిరమిడల్ ఆకృతితో ఉంటాయి. వీటి బంధ కోణాల క్రమం, PF3 < PCl3 < PBr3 < PI3. ఇవి చాలా వరకు సమయోజనీయ సమ్మేళనాలు. NF3 స్థిరమైనది. మిగతా N హాలైడ్లు అస్థిరమైనవి.
P4 + 6 Cl2 4 PCl3
NH3 + 3 Cl2 NCl3 + 3 HCl
BiF3 అయానిక్ హాలైడ్. ఇవి తేలిగ్గా జలవిశ్లేషణ చెందుతాయి.
జల విశ్లేషణ క్రమం: NCl3 > PCl3 > AsCl3 > SbCl3 > BiCl3
NCl3 + 3 H2O NH3 + 3 HOCl
PCl3 + 3 H2O H3PO3 + 3 HCl
ఇవి లూయీస్ ఆమ్లాలు. వీటి ఆమ్ల బలాల క్రమం:
PCl3 > AsCl3 > SbCl3 & PF3 > PCl3 > PBr3 > PI3.
పెంటా హాలైడ్లు: N, Bi మినహా మిగతా మూలకాలు పెంటా హాలైడ్లను ఇస్తాయి.
P4 + 10 Cl2 4 PCl3
As4O10 + 10 F2
PCl5 లో ఫాస్ఫరస్ sp3d సంకరీకరణంలో పాల్గొంటుంది. దీనికి ట్రైగోనల్బై పిరమిడల్ ఆకృతి ఉంటుంది.
PCl5 లో అక్షీయ బంధాల పొడవు నాడీ మండల బంధాల (equitorial bonds) కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. PCl5 వాయుస్థితిలో సమయోజనీయ పదార్థం. కానీ ఘనస్థితిలో [PCl4] + [PCl6]-గా ఉంటుంది. పెంటాహాలైడ్ల స్థిరత్వం ట్రైహాలైడ్ల కంటే తక్కువ. PCl5 మంచి క్లోరినీకరణ కారకం (PCl5 → PCl3 + Cl2). PCl5లో బలమైన P − F బంధాలుండటం వల్ల ఇది జల విశ్లేషణ చెందదు.
PCl5 + 4H2O H3PO4 + 5HCl
నైట్రోజన్ ఆక్సీఆమ్లాలు: నైట్రోజన్ H2N2O2 (హైపోనైట్రస్ ఆమ్లం), HNO2 (నైట్రస్ ఆమ్లం), HNO3 (నైట్రిక్ఆమ్లం), HNO4 (పర్నైట్రిక్ ఆమ్లం)లను ఇస్తుంది.
H2N2O2 నిర్మాణం: HO − N = N − OH
నైట్రస్ ఆమ్లం (HNO2): మంచులాంటి చల్లటి H2SO4 బేరియం నైట్రైట్తో చర్య జరిపి HNO2ను ఇస్తుంది. దీనికి "V" ఆకృతి, 132º ల బంధకోణం ఉంటాయి.
Ba (NO2)2 + H2SO4 BaSO4 + 2HNO2
ఇది చాలా అస్థిరమైంది. స్వయం ఆక్సీకరణం, క్షయకరణం చెందుతుంది. ఇది ఆక్సీకరణి, క్షయకరణి.
3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O
ఇది ఎరోమాటిక్ ప్రైమరీ ఎమైన్లతో డయజోనియం సమ్మేళనాలను ఇస్తుంది.
నైట్రిక్ ఆమ్లం (HNO3)
ప్రయోగశాల పద్ధతిలో తయారీ:
NaNO3 + H2SO4 (గాఢ)
పారిశ్రామిక పద్ధతిలో తయారీ:
* బర్క్లాండ్ - ఐడ్ పద్ధతి: విద్యుత్ చాపం N2, O2 లను NO గా మారుస్తుంది. వాతావరణంలోని O2, NO ను NO2 గా మారుస్తుంది. ఇది క్వార్జ్ సమక్షంలో గాలి, నీటితో కలిసి HNO3ని ఇస్తుంది.
విద్యుత్ చాపం
N2 + O2 2 NO - 180.7 కి.జౌ.
గాలి
2 NO + O2 2 NO2
క్వార్జ్
4 NO2 + O2 + 2 H2O 4 HNO3
* ఆస్వాల్డ్ పద్ధతి: అమ్మోనియా, గాలిని 1 : 7 నిష్పత్తిలో 1155 K వరకు వేడిచేస్తే NO ఏర్పడుతుంది.
NOను చల్లబరచి ఆక్సిజన్తో చర్య జరిపితే NO2 వస్తుంది.
2NO + O2 2ΝΟ2
NO2 ను నీటిలోకి పంపితే 61% HNO3 వస్తుంది.
4 NO2 + 2 H2O + O2 4 HNO3
61% HNO3ని స్వేదనం చేస్తే 68% HNO3 వస్తుంది. దీన్ని గాఢ H2SO4 తో స్వేదనం చేస్తే 98% HNO3 ఏర్పడుతుంది. దీన్ని శీతలీకరణ మిశ్రమంతో చల్లబరిస్తే శుద్ధమైన 100% HNO3 స్ఫటికాలు ఏర్పడతాయి.
HNO3 ధర్మాలు, నిర్మాణం: దీన్ని ''ఆక్వా ఫోర్టిస్'' అంటారు. మంచి ఆక్సీకరణి. ప్రయోగశాలలో ఉండే HNO3 గాఢత 68%, B.P: 394 K (స్థిరబాష్పీభవన స్థాన మిశ్రమం). ఇది అలోహాలతో NO2 ను ఇస్తుంది.
C + 4 HNO3 4 NO2 + 2 H2O + CO2
H2SO4
P4 + 20 HNO3 20 NO2 + 4 H2O + 4 H3PO4
1 : 1 నిష్పత్తిలో తీసుకునే గాఢ HNO3, గాఢ H2SO4ల మిశ్రమాన్ని నైట్రేషన్ మిశ్రమం (ఇది NO2+ ఎలక్ట్రోఫైల్ను ఇస్తుంది) అంటారు.
H2SO4
C6H6 + HNO3 C6H5NO2 + H2O
330 K
HNO3 ఉపయోగాలు: * కృత్రిమ పట్టు (Silk), అద్దకం రంగులు, పరిమళ ద్రవ్యాలు, విస్ఫోటక పదార్థాలు, ఎరువుల తయారీ, స్టీలు, లోహాలను శుభ్రం చెయ్యడంలో ఉపయోగపడుతుంది.
* బంగారం, వెండిని శుద్ధి చెయ్యడం.
* రాకెట్ ఇంధనాలకు ఆక్సీకరణిగా.
* ప్రయోగశాల కారకంగా దీన్ని ఉపయోగిస్తారు.
ఫాస్ఫరస్ ఆక్సీ ఆమ్లాలు
HPO3 (మెటా ఫాస్ఫారికామ్లం): H3PO4 లేదా H4P2O7 ను 870 K వరకు వేడిచేస్తే ఇది వస్తుంది. ఇది ఏక క్షార, ఘన పదార్థం.
H3PO2 (హైపో ఫాస్ఫరస్ ఆమ్లం): తెల్ల భాస్వరాన్ని సజల Ba(OH)2 ద్రావణంతో వేడిచేసి హైపో ఫాస్ఫరస్ ఆమ్లాన్ని పొందవచ్చు. ఇది ఏక క్షార ఆమ్లం. బలమైన క్షయకరణి.
2P4 + 3Ba(OH)2 + 6H2O 3Ba (H2PO2) + 2 PH3
Ba (H2PO2)2 + H2SO4 2H3PO2 + BaSO4
* ఈ ఆమ్లంలో ఒక P − OH, రెండు P − H, ఒక P = O బంధాలున్నాయి. P ఆక్సీకరణ స్థితి +1.
* H3PO3 (ఫాస్ఫరస్ ఆమ్లం): P4O6 ను చల్లటి నీటిలో కరిగిస్తే ఈ ఆమ్లం వస్తుంది.
P4O6 + 6H2O 4H3PO3.
* ఇది ద్విక్షార ఆమ్లం. దీనిలో రెండు P − OH, ఒక P − H, ఒక P − O బంధం ఉన్నాయి. P ఆక్సీకరణ స్థితి +3.
* OH లో ఉండే Hలు ఆమ్ల ధర్మాన్ని, Pతో కలిసిన Hలు క్షయకరణ ధర్మాన్ని కలిగి ఉన్నాయి. ఇది ప్రైమరీ ఫాస్ఫైట్ (H2PO3-), సెకండరీ ఫాస్ఫైట్ (HPO3-2) లను ఏర్పరుస్తుంది. ఇది బలమైన క్షయకరణి.
P4O10 + 6H2O 4H3PO4
* ఇది త్రిక్షార ఆమ్లం. ఇందులో మూడు P − OH, ఒక P = O బంధాలున్నాయి. ఇది ప్రైమరీ (H2PO4-), సెకండరీ (HPO4-2), టెర్షియరీ (PO4-3) ఫాస్ఫేట్లను ఏర్పరుస్తుంది. P ఆక్సీకరణ స్థితి +5. దీన్ని వేడి చేస్తే అంతిమంగా HPO3 వస్తుంది.
* ఫాస్ఫేట్ అయాన్ కానరీ పసుపు రంగు అవక్షేపాన్నిస్తుంది. ఫాస్ఫేట్ను HNO3, అమ్మోనియం మాలిబ్డేట్లతో మరిగిస్తే అమ్మోనియం ఫాస్ఫోమాలిబ్డేట్ (కానరీ పసుపురంగు) అవక్షేపం ఏర్పడుతుంది.
* H3PO5 (పెరాక్సో మోనో ఫాస్ఫారికామ్లం): P4O10 ను నీటిలో, పెర్హెడ్రాల్లో కరిగిస్తే ఈ ఆమ్లం వస్తుంది.
P4O10 + 2H2O + 4H2O2
* ఇది త్రిక్షార ఆమ్లం. దీనిలో రెండు P − OH, ఒక P − O− OH, ఒక P = O బంధం ఉన్నాయి. P ఆక్సీకరణస్థితి +5.
H3PO4 + 12(NH4)2 Mo O4 (NH4)3 PO4. 12 Mo O3 + 12H2O + 21 NH3
* H4P2O6 (హైపో ఫాస్ఫారికామ్లం): ఎర్ర భాస్వరం NaOCl తో చర్య జరిపి H4P2O6 లను ఏర్పరుస్తుంది.
* ఇది టెట్రా బేసిక్ క్షారం. దీనిలో నాలుగు P − OH, రెండు P = O, ఒక P − P బంధాలున్నాయి. ప్రతీ P ఆక్సీకరణ స్థితి +4.
* H4P2O7 (పైరో ఫాస్ఫారికామ్లం): H3PO4 ను లేదా సమ మోలార్ H3PO4, HPO3ల మిశ్రమాన్ని వేడిచేస్తే H4P2O7 వస్తుంది.
523 K
2H3PO4 H4P2O7 + H2O
373 K
H3PO4 + HPO3 H4P2O7
ఫాస్ఫేట్ మాదిరే పైరోఫాస్ఫేట్ కూడా కానరీ పసుపు రంగు అవక్షేపాన్నిస్తుంది. ఇది టెట్రాబేసిక్ ఆమ్లం. దీనిలో ఒక P − O − P, రెండు P = O, నాలుగు P − OH బంధాలున్నాయి. ప్రతీ P కి +5 ఆక్సీకరణ స్థితి ఉంటుంది.
ఫాస్ఫరస్ ఆక్సీఆమ్లాల ముఖ్య లక్షణాలు
* P చుట్టూ నాలుగు పరమాణువులు లేదా గ్రూపులు టెట్రాహెడ్రల్గా అమరి ఉంటాయి.
* − OH సమూహాలు అయనీకరణం చెందుతాయి. ఆమ్ల స్వభావాన్ని కలిగిస్తాయి.
* +3 ఆక్సీకరణ స్థితి ఉండే ఆక్సీ ఆమ్లాలు అననుపాత చర్యలకు గురవుతాయి.
* − అస్ ఆమ్లాల్లోనే P − H బంధాలుంటాయి.
* P − H బంధాలే క్షయకరణ ధర్మానికి కారణం.
అమ్మోనియా (NH3) :
ప్రయోగశాలలో తయారు చేయడం:
NH4Cl + KOH KCl + H2O + NH3
2 NH4Cl + CaO
2NH4Cl + Ca(OH)2 CaCl2 + 2H2O + 2NH3 (సాల్వే విధానం).
పారిశ్రామిక పద్ధతులలో తయారు చేయడం:
ఎ) సైనమైడ్ పద్ధతి:
మెత్తగా నూరిన CaC2 చూర్ణానికి N2 కలిపి 1273 - 1373 K వరకు వేడి చేస్తే ''నైట్రోలిమ్'' (కాల్షియం సైనమైడ్, గ్రాఫైట్ల మిశ్రమం) ఏర్పడుతుంది. దీన్ని జల విశ్లేషణ చేస్తే NH3 వస్తుంది.
1273 - 1373 K
CaC2 + N2 CaCN2 + C (గ్రాఫైట్)
CaCl2
453 K
CaCN2 + 3H2O CaCO3 + 2 NH3
(బి) హేబర్ విధానం: శుద్ధమైన, పొడిగా ఉన్న N2, H2 లను 1:3 నిష్పత్తిలో తీసుకుని సంపీడన పంపుతో సంపీడ్యం చేస్తారు.
దీన్ని శుద్ధిచేసే, ఆరబెట్టే గదిలోకి పంపి, తర్వాత ఉత్ప్రేరక గదిలోకి పంపిస్తారు. దీన్ని వేడిచేసి కండెన్సర్లోకి పంపి అమ్మోనియా ద్రవంగా మారుస్తారు. చర్యజరపని N2, H2 లను మళ్లీ పరిభ్రమణ పంపు ద్వారా వెనక్కి పంపుతారు. అమ్మోనియా తయారీలో లీషాట్లియర్ నియమాన్ని ఉపయోగిస్తారు. దీని ప్రకారం కనీస ఉష్ణోగ్రత (725 - 775 K), అధిక పీడనం (200 - 300 అట్మాస్ఫియర్లు) ఉపయోగిస్తారు. మెత్తగా నూరిన చూర్ణాన్ని ఉత్ప్రేరకంగా, Moను ప్రవర్ధకంగా వాడతారు. ఇనుము బదులు K2O & Al2O3 మిశ్రమాన్ని కూడా వాడవచ్చు. ఈ పద్ధతిలో 10% NH3 ఏర్పడుతుంది.
అమ్మోనియాను అనార్ద్రీకరించడం:
* NH3లో ఉండే తేమను తొలగించడంలో CaO (పొడిసున్నం) వాడతారు. మామూలుగా వాడే CaCl2, P4O10, గాఢ H2SO4 లైతే NH3తో చర్యజరిపి సంకలన సమ్మేళనాలను ఇస్తాయి.
NH3ని పరీక్షించడం:
* NH3 ని నెస్లర్ కారకం (K2HgI4)తో వేడిచేస్తే జేగురు రంగు అవక్షేపం (మిలియన్స్ క్షార అయోడైడ్) వస్తుంది.
NH3 + 2K2 HgI4 + 3 KOH
NH3 ఉపయోగాలు
* ప్రయోగశాల కారకం, శుభ్రపరిచే కారకం, ప్రశీతకం, ద్రావణిగా
* రేయాన్, కృత్రిమ పట్టు తయారీలో
* ఎరువులు (CAN, యూరియా) తయారీ
* Na2CO3 తయారీలో (సాల్వే పద్ధతిలో)
* HNO3 తయారీలో (ఆస్వాల్డ్ పద్ధతిలో)
సూపర్ ఫాస్ఫేట్ ఆఫ్లైమ్:
కాల్షియం డై హైడ్రోజన్ ఫాస్ఫేట్, జిప్సం మిశ్రమాన్ని సూపర్ ఫాస్ఫేట్ ఆఫ్ లైమ్ అంటారు. మెత్తగా చూర్ణం చేసిన ఎముకల పొడిని లేదా ఫాస్ఫేట్రాతిని, ఛాంబర్ ఆమ్లం (70% H2SO4)తో చర్యనొందిస్తే సూపర్ ఫాస్ఫేట్ ఆఫ్ లైమ్ వస్తుంది.
Ca3 (PO4)2 + 2H2SO4 + 4 H2O Ca (H2PO4)2 + 2(CaSO4.2H2O)
ఈ విధానంలో మెత్తగా చూర్ణం చేసిన ఫాస్ఫేట్ రాతికి, తగినంత ఛాంబర్ ఆమ్లాన్ని పోత ఇనుముతో చేసిన మిక్సర్లో వేయాలి. దీన్ని స్టిర్రర్తో బాగా కలియబెట్టాలి. ఈ చర్యా మిశ్రమం V1, V2 అనే కవాటాల ద్వారా D1, D2 గదుల్లోకి కొద్దికొద్దిగా వెళ్తుంది. ఈ మిశ్రమాన్ని 24 నుంచి 36 గంటల వరకు అలాగే ఉంచితే చర్య జరుగుతుంది.
CaCO3, CaF2 మలినాలు CO2, HF లుగా తొలగిపోతాయి. ఉష్ణోగ్రత 373 K కి పెరుగుతుంది. అంతిమంగా వచ్చే పదార్థాన్ని సూపర్ఫాస్ఫేట్ అంటారు. దీనిలో నీటిలో కరగని గట్టి పదార్థం జిప్సం ఉంటుంది. ఇది వ్యర్థ పదార్థం. దీన్ని ఫాస్ఫారికామ్లంతో చర్యనొందించి, నీటిలో పూర్తిగా కరిగే ట్రిపుల్ ఫాస్ఫేట్ని తయారు చేస్తారు. ఇది నీటిలో కరగడం వల్ల మొక్కలు తేలిగ్గా తీసుకోగలుగుతాయి.
Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 3Ca(H2PO4)2