Nitrogenio e Fosforo

1. Introdução

As propriedades químicas dos elementos do Grupo 15 são muito diversas. Embora as tendências simples que observamos nos grupos 13 e 14 ainda sejam aparentes, elas se complicam porque os elementos do grupo 15 exibem uma grande variedade de estados de oxidação e formam muitos compostos complexos com oxigênio. O nitrogênio constitui a maior proporção da atmosfera e está muito disseminado na biosfera. O fósforo é essencial tanto para plantas quanto animais. Em contraste marcante, o arsênio é um veneno bem conhecido.

Os elementos do Grupo 15 (nitrogênio, fósforo, arsênio, antimônio e bismuto) são alguns dos elementos mais importantes para a vida, geologia e indústria. Os membros do Grupo 15, o grupo do nitrogênio. Tal qual no restante do bloco p, o elemento no topo do grupo 15, o nitrogênio, difere significativamente dos seus congêneres. Seu número de coordenação é geralmente menor e ele é o único membro do grupo que existe como uma molécula diatômica gasosa, nas condições normais.

Todos os membros do grupo, com exceção do nitrogênio, são sólidos sob condições normais. Os elementos sólidos do grupo 15 existem como vários alótropos. Por exemplo, o fósforo branco é um sólido ceroso que consiste de moléculas de P4 tetraédricas. Apesar do pequeno ângulo PPP(60), estas moléculas persistem em fase vapor até cerca de 80°C, mas acima desta temperatura a concentração de equeilibrio do alótropo P2 torna-se apreciável.  Assim como na molécula gasosa  de N2, o P2 possui uma ligação tripla formal e u comprimento de ligação curto(189pm). O fósforo branco é muito reativo e queima com chama ao ar para formar P4O10. O fósforo vermelho pode ser obtido aquecendo-se o fósforo branco a 300°C em atmosfera inerte por vários dias. Diferentemente do fósforo branco, o fósforo vermelho não se inflama facilmente ao ar.

O nitrogênio é obtido por destilação do ar líquido; ele é usado como um gás inerte e na fabricação da amônia. O fósforo elementar é obtido a partir dos minerais fluorapatita e hidroxiapatita por redução com carbono sob arco voltaico; o fósforo branco resultante é um sólido molecular, P4. O tratamento da apatita com ácido sulfúrico produz acido fosfórico, o qual é convertido em fertilizantes e produtos químicos.

O nitrogênio encontra-se facilmente disponível como dinitrogênio, N2, uma vez que ele constitui 78% em massa da atmosfera, sendo obtido a partir dela em grande escala pela destilação do ar líquido. O nitrogênio líquido é uma forma muito conveniente de estocar e manusear o N2 no laboratório. Embora o preço do N2 seja baixo, a grande quantidade em que é usado é um incentivo para o desenvolvimento de processos mais baratos do que a liquefação seguida de destilação. Membranas mais permeáveis ao O2 do que ao N2 são usadas nas separações em escala de laboratório do oxigênio e do nitrogênio à temperatura ambiente.

O fósforo foi obtido pela primeira vez por Henning Brandt, em 1669. Brandt, confundindo sua cor, estava tentando obter ouro a partir de urina e areia e em vez disto obteve um sólido branco que brilhava no escuro. Este elemento foi chamado fósforo, do grego “que possui luz”. Hoje, a principal matéria-prima para a produção do fósforo elementar e do ácido fosfórico é a rocha fosfática, que são os restos de organismo antigos insolúveis, esmagados e compactados, consistindo basicamente dos minerais fluorapatita, Ca5(PO4)3F, e hidroxiapatita, Ca5(PO4)3OH. O ácido fosfórico pode ser produzido pela ação do ácido sulfúrico concentrado:

Ca5(PO4)3F(s) + 5 H2SO4(l)  3 H3PO4(l) + 5 CaSO4(s) + HF(g)[pic 1]

O poluente em potencial fluoreto de hidrogênio, proveniente do componente fluoreto da rocha, é capturado por reação com silicatos para formar o íon complexo SiF6-2, menos reativo.

O produto do tratamento da rocha fosfática com ácido contém contaminantes de metal d que são difíceis de remover completamente, de forma que seu uso fica principalmente confinado aos fertilizantes e ao tratamento de metais. Compostos de fósforo e ácido fosfórico com grau de pureza são produzidos a partir do elemento, pois ele pode ser purificado por sublimação. A produção do fósforo elementar se inicia com fosfato de cálcio bruto (como rocha fosfática calcinada), o qual é reduzido com carbono em um forno de arco voltaico. Adiciona-se sílica (como areia) para produzir uma escória de silicato de cálcio:

2 Ca3(PO4)2(s) + 6 SiO2(s) + 10 C(s)   1500°C  6 CaSiO3(l) + 10 CO(g) + P4(g)[pic 2]

A escória encontra-se fundida nestas temperaturas elevadas e assim pode ser facilmente removida do forno. O próprio fósforo vaporiza e condensa como um sólido, o qual é armazenado sob a água para protegê-lo da reação com o ar. A maior parte do fósforo produzido desta forma é queimada formar P4O10, o qual é então hidratado para produzir ácido fosfórico puro.

O nitrogênio é essencial para a produção industrial da amônia e do ácido nítrico; o principal uso do fósforo é na fabricação de fertilizantes.

O principal uso não-químico do nitrogênio gasoso é como atmosfera inerte no processamento de metais, no refino de petróleo e no processamento de alimentos. O nitrogênio gasoso é usado para prover atmosfera inerte no laboratório; o nitrogênio líquido (p.e. -196°C, 77 K) é um refrigerante muito prático tanto na indústria quanto no laboratório. O principal uso industrial do nitrogênio é na produção da amônia pelo processo Haber (necessita de alta temperatura e pressão para produzir a amônia) e na sua conversão em ácido nítrico pelo processo Ostwald. A amônia é uma rota para uma grande variedade de compostos nitrogenados, entre os quais fertilizantes, plásticos e explosivos. O nitrogênio tem um papel crucial na biologia como um constituinte dos aminoácidos, ácidos nucléicos e proteínas, o ciclo do nitrogênio é um dos mais importantes processos do ecossistema.