Al igual que los elementos del grupo 14, el miembro más ligero del grupo 15 , el nitrógeno, se encuentra en la naturaleza como el elemento libre, y los elementos más pesados se conocen desde hace siglos porque se pueden aislar fácilmente de sus minerales. . Aunque el nitrógeno es el elemento más abundante en la atmósfera, fue el último de los pnicógenos ( Grupo 15 elementos) que se obtuvo en forma pura. En 1772, Daniel Rutherford, trabajando con Joseph Black (quien descubrió el CO 2 ), notó que quedaba un gas cuando el CO 2 se retiraba de una reacción de combustión. Antoine Lavoisier llamó al gas azote, que significa “sin vida”, porque no era compatible con la vida. Cuando se descubrió que el mismo elemento también estaba presente en el ácido nítrico y las sales de nitrato como KNO 3 (nitre), se le llamó nitrógeno. Alrededor del 90% del nitrógeno producido en la actualidad se usa para proporcionar una atmósfera inerte para procesos o reacciones sensibles al oxígeno, como la producción de acero, la refinación de petróleo y el envasado de alimentos y productos farmacéuticos.
Preparación y propiedades generales del nitrógeno
Debido a que la atmósfera contiene varios billones de toneladas de nitrógeno elemental con una pureza de aproximadamente el 80%, es una gran fuente de nitrógeno gaseoso. La destilación de aire licuado produce nitrógeno gaseoso que es más del 99,99% puro, pero se pueden obtener pequeñas cantidades de nitrógeno gaseoso muy puro a partir de la descomposición térmica de la azida de sodio:
[ mathrm {2NaN_3 (s) xrightarrow { Delta} 2Na (l) + 3N_2 (g)} label {Eq1} ]
En contraste, la corteza terrestre es relativamente pobre en nitrógeno. Los únicos minerales de nitrógeno importantes son grandes depósitos de KNO 3 y NaNO 3 en los desiertos de Chile y Rusia, que aparentemente se formaron cuando se evaporaron los antiguos lagos alcalinos. En consecuencia, prácticamente todos los compuestos de nitrógeno producidos a escala industrial utilizan nitrógeno atmosférico como material de partida. El fósforo, que constituye solo alrededor del 0.1% de la corteza terrestre, es mucho más abundante en minerales que el nitrógeno. Al igual que el aluminio y el silicio, el fósforo siempre se encuentra en combinación con el oxígeno, y se requieren grandes aportes de energía para aislarlo.
Reacciones y compuestos de nitrógeno
Al igual que el carbono, el nitrógeno tiene cuatro orbitales de valencia (uno 2s y tres 2p), por lo que puede participar en un máximo de cuatro enlaces de pares de electrones mediante el uso de orbitales híbridos sp 3 . Sin embargo, a diferencia del carbono, el nitrógeno no forma cadenas largas debido a las interacciones repulsivas entre pares de electrones solitarios en átomos adyacentes. Estas interacciones se vuelven importantes en las distancias internucleares más cortas encontradas con los elementos más pequeños del segundo período de los grupos 15, 16 y 17. Los compuestos estables con enlaces N – N están limitados a cadenas de no más de tres átomos de N, como la azida ion (N 3 – ).
El nitrógeno es el único pnicogen que normalmente forma enlaces múltiples consigo mismo y con otros elementos del segundo período, utilizando la superposición π de los orbitales np adyacentes. Así, la forma estable de nitrógeno elemental es N 2 , cuyo enlace N≡N es tan fuerte (D N≡N = 942 kJ / mol) en comparación con N – N y N = N enlaces (D N – N = 167 kJ / mol; D N = N = 418 kJ / mol) que todos los compuestos que contienen N – N y Los enlaces N = N son termodinámicamente inestables con respecto a la formación de N 2 . De hecho, la formación del enlace N≡N es tan termodinámicamente favorecida que prácticamente todos los compuestos que contienen enlaces N-N son potencialmente explosivos.
Nuevamente, en contraste con el carbono, el nitrógeno sufre solo dos reacciones químicas importantes a temperatura ambiente: reacciona con litio metálico para formar nitruro de litio, y ciertos microorganismos lo reducen a amoníaco. Sin embargo, a temperaturas más altas, el N 2 reacciona con más elementos electropositivos, como los del grupo 13, para dar nitruros binarios, que varían de carácter covalente a iónico. Al igual que los compuestos de carbono correspondientes, los compuestos binarios de nitrógeno con oxígeno, hidrógeno u otros no metales suelen ser sustancias moleculares covalentes.
Pocos compuestos moleculares binarios de nitrógeno se forman por reacción directa de los elementos. A temperaturas elevadas, N 2 reacciona con H 2 para formar amoníaco, con O 2 para formar una mezcla de NO y NO 2 , y con carbono para formar cianógeno (N≡C – C≡N); El nitrógeno elemental no reacciona con los halógenos u otros calcógenos. Sin embargo, todos los haluros de nitrógeno binarios (NX 3 ) son conocidos. Excepto por NF 3 , todos son tóxicos, termodinámicamente inestables y potencialmente explosivos, y todos se preparan haciendo reaccionar el halógeno con NH 3 en lugar de N 2 . Tanto el monóxido de nitrógeno (NO) como el dióxido de nitrógeno (NO 2 ) son termodinámicamente inestables, con energías libres positivas de formación. A diferencia del NO, NO 2 reacciona fácilmente con el exceso de agua, formando una mezcla 1: 1 de ácido nitroso (HNO 2 ) y ácido nítrico (HNO 3 ):
[2NO_ {2 (g)} + H_2O _ {(l)} rightarrow HNO_ {2 (aq)} + HNO_ {3 (aq)} label {Eq2} ]
El nitrógeno también forma N 2 O (monóxido de dinitrógeno u óxido nitroso), una molécula lineal que es isoelectrónica con CO 2 y puede representarse como – [19459014 ] N = N + = O. Al igual que los otros dos óxidos de nitrógeno, el óxido nitroso es termodinámicamente inestable. Las estructuras de los tres óxidos comunes de nitrógeno son las siguientes:
Pocos compuestos moleculares binarios de nitrógeno se forman por la reacción directa de los elementos.
A temperaturas elevadas, el nitrógeno reacciona con metales altamente electropositivos para formar nitruros iónicos, como Li 3 N y Ca 3 N 2 . Estos compuestos consisten en redes iónicas formadas por iones M n + y N 3− . Así como el boro forma boruros intersticiales y el carbono forma carburos intersticiales, con menos metales electropositivos, el nitrógeno forma una gama de nitruros intersticiales, en los que el nitrógeno ocupa agujeros en una estructura metálica compacta. Al igual que los carburos y boruros intersticiales, estas sustancias son típicamente materiales muy duros y de alta fusión que tienen lustre metálico y conductividad.
El nitrógeno también reacciona con semimetales a temperaturas muy altas para producir nitruros covalentes, como Si 3 N 4 y BN, que son sólidos con estructuras de red covalente extendidas similares a las de grafito o diamante. En consecuencia, generalmente son materiales de alta fusión y químicamente inertes.
El amoníaco (NH 3 ) es uno de los pocos compuestos binarios termodinámicamente estables de nitrógeno con un no metal. No es inflamable en el aire, pero arde en una atmósfera O 2 :
[4NH_ { 3 (g)} + 3O_ { 2 (g)} rightarrow 2N_ { 2 (g)} + 6H_ [ 19459003] 2 O _ {(g)} label {Eq3} ]
Alrededor del 10% del amoníaco producido anualmente se usa para fabricar fibras y plásticos que contienen enlaces amida, como nilones y poliuretanos, mientras que el 5% se usa en explosivos, como nitrato de amonio, TNT (trinitrotolueno) y nitroglicerina. Se usan grandes cantidades de amoníaco líquido anhidro como fertilizante.
El nitrógeno forma otros dos compuestos binarios importantes con hidrógeno. El ácido hidrazoico (HN 3 ), también llamado azida de hidrógeno, es una sustancia incolora, altamente tóxica y explosiva. La hidrazina (N 2 H 4 ) también es potencialmente explosiva; Se utiliza como propulsor de cohetes y para inhibir la corrosión en calderas.
B, C y N reaccionan con metales de transición para formar compuestos intersticiales que son materiales duros de alta fusión.