Dar salitre: así se traduce la palabra nitrógeno del latín. Este es el nombre del nitrógeno, un elemento químico con número atómico 7, que encabeza el grupo 15 en la versión larga de la tabla periódica. En forma de una sustancia simple, se distribuye en la capa de aire de la Tierra: la atmósfera. Una variedad de compuestos de nitrógeno se encuentran en la corteza terrestre y en los organismos vivos, y se usan ampliamente en industrias, asuntos militares, agricultura y medicina.
Por qué se llamó al nitrógeno "sofocante" y "sin vida"
Como sugieren los historiadores de la química, Henry Cavendish (1777) fue el primero en recibir esta sustancia simple. El científico pasó aire sobre carbones calientes, usando álcali para absorber los productos de la reacción. Como resultado del experimento, el investigador descubrió un gas incoloro e inodoro que no reaccionaba con el carbón. Cavendish lo llamó "aire sofocante" por no poder respirar y arder.
Un químico moderno explicaría que el oxígeno reacciona con el carbono para formar dióxido de carbono. La parte "sofocante" restante del aire consistía principalmente en moléculas N2. Cavendish y otros científicos en ese momento aún no conocían esta sustancia, aunque los compuestos de nitrógeno y salitre se usaban ampliamente en la economía. El científico informó sobre el gas inusual a su colega, quien realizó experimentos similares, Joseph Priestley.
Al mismo tiempo, Karl Scheele llamó la atención sobre un constituyente desconocido del aire, pero no pudo explicar correctamente su origen. Solo Daniel Rutherford en 1772 se dio cuenta de que el gas "sofocante" "estropeado" presente en los experimentos era nitrógeno. ¿Qué científico debería ser considerado su descubridor? Los historiadores de la ciencia todavía están discutiendo sobre esto.
15 años después de los experimentos de Rutherford, el famoso químico Antoine Lavoisier sugirió cambiar el término aire "estropeado", en referencia al nitrógeno, por otro: nitrógeno. En ese momento, se demostró que esta sustancia no se quema, no es compatible con la respiración. Al mismo tiempo, apareció el nombre ruso "nitrógeno", que se interpreta de diferentes maneras. La mayoría de las veces se dice que el término significa "sin vida". El trabajo posterior refutó la opinión generalizada sobre las propiedades de la materia. Los compuestos de nitrógeno, las proteínas, son las macromoléculas más importantes en la composición de los organismos vivos. Para construirlos, las plantas absorben los elementos necesarios de la nutrición mineral del suelo: iones NO32- y NH4+.
El nitrógeno es un elemento químico
El sistema periódico (PS) ayuda a comprender la estructura del átomo y sus propiedades. Por la posición de un elemento químico en la tabla periódica, se puede determinarcarga nuclear, número de protones y neutrones (número de masa). Es necesario prestar atención al valor de la masa atómica, esta es una de las principales características del elemento. El número de período corresponde al número de niveles de energía. En la versión corta de la tabla periódica, el número de grupo corresponde al número de electrones en el nivel de energía exterior. Resumamos todos los datos en las características generales del nitrógeno por su posición en el sistema periódico:
- Este es un elemento no metálico, ubicado en la esquina superior derecha del PS.
- Signo químico: N.
- Número de pedido: 7.
- Masa atómica relativa: 14.0067.
- Fórmula del compuesto de hidrógeno volátil: NH3 (amoníaco).
- Produce el óxido más alto N2O5, en el que la valencia del nitrógeno es V.
La estructura del átomo de nitrógeno:
- Carga básica: +7.
- Número de protones:7; número de neutrones: 7.
- Número de niveles de energía: 2.
- Número total de electrones: 7; fórmula electrónica: 1s22s22p3.
Los isótopos estables del elemento No. 7 han sido estudiados en detalle, sus números de masa son 14 y 15. El contenido de átomos del más ligero de ellos es 99.64%. También hay 7 protones en los núcleos de los isótopos radiactivos de vida corta, y el número de neutrones varía mucho: 4, 5, 6, 9, 10.
Nitrógeno en la naturaleza
La capa de aire de la Tierra contiene moléculas de una sustancia simple, cuya fórmula es N2. El contenido de nitrógeno gaseoso en la atmósfera es por volumen.alrededor del 78,1%. Los compuestos inorgánicos de este elemento químico en la corteza terrestre son varias sales de amonio y nitratos (nitratos). Fórmulas de compuestos y nombres de algunas de las sustancias más importantes:
- NH3, amoniaco.
- NO2, dióxido de nitrógeno.
- NaNO3, nitrato de sodio.
- (NH4)2SO4, sulfato de amonio.
Valencia del nitrógeno en los dos últimos compuestos - IV. El carbón, el suelo y los organismos vivos también contienen átomos de N unidos. El nitrógeno es una parte integral de las macromoléculas de aminoácidos, los nucleótidos de ADN y ARN, las hormonas y la hemoglobina. El contenido total de un elemento químico en el cuerpo humano alcanza el 2,5%.
Sustancia simple
El nitrógeno en forma de moléculas diatómicas es la mayor parte del aire atmosférico en volumen y masa. Una sustancia cuya fórmula es N2 no tiene olor, color ni sabor. Este gas constituye más de 2/3 de la envoltura de aire de la Tierra. En forma líquida, el nitrógeno es una sustancia incolora parecida al agua. Hierve a -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. La sustancia simple nitrógeno es ligeramente más ligera que el oxígeno, su densidad en el aire es cercana a 1.
Los átomos en una molécula se unen firmemente a 3 pares de electrones comunes. El compuesto exhibe una alta estabilidad química, lo que lo distingue del oxígeno y de otras sustancias gaseosas. Para que una molécula de nitrógeno se desintegre en sus átomos constituyentes, es necesario gastar una energía de 942,9 kJ/mol. Un enlace de tres pares de electrones es muy fuerte.se descomponen cuando se calientan por encima de 2000 °C.
En condiciones normales, la disociación de moléculas en átomos prácticamente no ocurre. La inercia química del nitrógeno también se debe a la ausencia total de polaridad en sus moléculas. Interactúan muy débilmente entre sí, razón por la cual la materia se encuentra en estado gaseoso a presión normal y temperatura cercana a la temperatura ambiente. La baja reactividad del nitrógeno molecular encuentra aplicación en varios procesos y dispositivos donde es necesario crear un entorno inerte.
La disociación de moléculas N2 puede ocurrir bajo la influencia de la radiación solar en la atmósfera superior. Se forma nitrógeno atómico, que en condiciones normales reacciona con algunos metales y no metales (fósforo, azufre, arsénico). Como resultado, se produce una síntesis de sustancias que se obtienen indirectamente en condiciones terrestres.
Valencia de nitrógeno
La capa externa de electrones de un átomo está formada por 2 electrones s y 3 p. Estas partículas negativas de nitrógeno pueden ceder al interactuar con otros elementos, lo que corresponde a sus propiedades reductoras. Al unir los 3 electrones f altantes al octeto, el átomo exhibe habilidades oxidantes. La electronegatividad del nitrógeno es menor, sus propiedades no metálicas son menos pronunciadas que las del flúor, el oxígeno y el cloro. Al interactuar con estos elementos químicos, el nitrógeno cede electrones (se oxida). La reducción a iones negativos va acompañada de reacciones con otros no metales y metales.
La valencia típica del nitrógeno es III. En este casoLos enlaces químicos se forman debido a la atracción de electrones p externos y la creación de pares comunes (enlace). El nitrógeno es capaz de formar un enlace donante-aceptor debido a su par solitario de electrones, como ocurre en el ion amonio NH4+.
Producción industrial y de laboratorio
Uno de los métodos de laboratorio se basa en las propiedades oxidantes del óxido de cobre. Se utiliza un compuesto de nitrógeno-hidrógeno: amoníaco NH3. Este gas maloliente reacciona con el óxido de cobre negro en polvo. Como resultado de la reacción, se libera nitrógeno y aparece cobre metálico (polvo rojo). Gotas de agua, otro producto de la reacción, se depositan en las paredes del tubo.
Otro método de laboratorio que utiliza una combinación de nitrógeno con metales es la azida, como NaN3. Resulta un gas que no necesita ser purificado de impurezas.
El nitrito de amonio se descompone en nitrógeno y agua en el laboratorio. Para que comience la reacción, se requiere calentamiento, luego el proceso continúa con la liberación de calor (exotérmico). El nitrógeno está contaminado con impurezas, por lo que se purifica y se seca.
Producción de nitrógeno en la industria:
- destilación fraccionada de aire líquido: un método que utiliza las propiedades físicas del nitrógeno y el oxígeno (diferentes puntos de ebullición);
- reacción química del aire con carbón al rojo vivo;
- separación de gases por adsorción.
Interacción con metales e hidrógeno - propiedades oxidantes
Inercia de moléculas fuertesno permite obtener algunos compuestos nitrogenados por síntesis directa. Para activar los átomos, es necesario un fuerte calentamiento o irradiación de la sustancia. El nitrógeno puede reaccionar con el litio a temperatura ambiente, con el magnesio, el calcio y el sodio la reacción ocurre solo cuando se calienta. Se forman los correspondientes nitruros metálicos.
La interacción del nitrógeno con el hidrógeno se produce a altas temperaturas y presiones. Este proceso también requiere un catalizador. Resulta amoníaco, uno de los productos más importantes de la síntesis química. El nitrógeno, como agente oxidante, exhibe tres estados de oxidación negativos en sus compuestos:
- −3 (el amoníaco y otros compuestos de hidrógeno del nitrógeno son nitruros);
- −2 (hidrazina N2H4);
- −1 (hidroxilamina NH2OH).
El nitruro más importante, el amoníaco, se produce en grandes cantidades en la industria. La inercia química del nitrógeno siguió siendo un gran problema durante mucho tiempo. El salitre era su fuente de materias primas, pero las reservas minerales comenzaron a disminuir rápidamente a medida que aumentaba la producción.
Un gran logro de la ciencia y la práctica químicas fue la creación del método de fijación de nitrógeno con amoníaco a escala industrial. La síntesis directa se lleva a cabo en columnas especiales, un proceso reversible entre el nitrógeno obtenido del aire y el hidrógeno. Al crear las condiciones óptimas que desplazan el equilibrio de esta reacción hacia el producto, utilizando un catalizador, el rendimiento de amoníaco alcanza el 97%.
Interacción con el oxígeno - propiedades reductoras
Para iniciar la reacción de nitrógeno y oxígeno, es necesario un fuerte calentamiento. Un arco eléctrico y la descarga de un rayo en la atmósfera tienen suficiente energía. Los compuestos inorgánicos más importantes en los que el nitrógeno se encuentra en sus estados de oxidación positivos:
- +1 (óxido nítrico (I) N2O);
- +2 (monóxido de nitrógeno NO);
- +3 (óxido nítrico (III) N2O3; ácido nitroso HNO2, sus sales son nitritos);
- +4 (dióxido de nitrógeno (IV) NO2);
- +5 (pentóxido de nitrógeno (V) N2O5, ácido nítrico HNO3, nitratos).
Significado en la naturaleza
Las plantas absorben los iones de amonio y los aniones de nitrato del suelo, utilizan para las reacciones químicas la síntesis de moléculas orgánicas, que ocurre constantemente en las células. El nitrógeno atmosférico puede ser absorbido por las bacterias de los nódulos, criaturas microscópicas que forman crecimientos en las raíces de las leguminosas. Como resultado, este grupo de plantas recibe el elemento nutritivo necesario, enriquece el suelo con él.
Durante los aguaceros tropicales, ocurren reacciones de oxidación del nitrógeno atmosférico. Los óxidos se disuelven para formar ácidos, estos compuestos de nitrógeno en el agua ingresan al suelo. Debido a la circulación del elemento en la naturaleza, sus reservas en la corteza terrestre y el aire se reponen constantemente. Las bacterias descomponen moléculas orgánicas complejas que contienen nitrógeno en componentes inorgánicos.
Uso práctico
Las conexiones más importantesnitrógeno para la agricultura son sales altamente solubles. Las plantas asimilan la urea, el salitre (sodio, potasio, calcio), los compuestos de amonio (una solución acuosa de amoníaco, cloruro, sulfato, nitrato de amonio). Partes del organismo de la planta pueden almacenar macronutrientes "para el futuro", lo que empeora la calidad de los productos. Un exceso de nitratos en verduras y frutas puede provocar intoxicaciones en las personas, el crecimiento de neoplasias malignas. Además de la agricultura, los compuestos de nitrógeno se utilizan en otras industrias:
- para recibir medicamentos;
- para la síntesis química de compuestos macromoleculares;
- en la producción de explosivos a partir de trinitrotolueno (TNT);
- para la producción de tintes.
NO se usa óxido en cirugía, la sustancia tiene un efecto analgésico. La pérdida de sensaciones al inhalar este gas fue notada incluso por los primeros investigadores de las propiedades químicas del nitrógeno. Así apareció el trivial nombre "gas de la risa".
Problema de nitratos en productos agrícolas
Sales de ácido nítrico - nitratos - contienen un anión de carga única NO3-. Hasta ahora, se usa el nombre antiguo de este grupo de sustancias: salitre. Los nitratos se utilizan para fertilizar campos, en invernaderos, huertos. Se aplican a principios de la primavera antes de la siembra, en verano, en forma de apósitos líquidos. Las sustancias en sí mismas no representan un gran peligro para los humanos, peroen el cuerpo, se convierten en nitritos, luego en nitrosaminas. Los iones de nitrito NO2- son partículas tóxicas que provocan la oxidación del hierro ferroso de las moléculas de hemoglobina en iones trivalentes. En este estado, la sustancia principal de la sangre humana y animal no puede transportar oxígeno y eliminar el dióxido de carbono de los tejidos.
¿Cuál es el peligro de la contaminación de los alimentos por nitratos para la salud humana?:
- tumores malignos que se producen cuando los nitratos se convierten en nitrosaminas (carcinógenos);
- desarrollo de colitis ulcerosa,
- hipotensión o hipertensión;
- insuficiencia cardiaca;
- trastorno de la coagulación de la sangre
- hígado, páncreas, desarrollo de diabetes;
- desarrollo de insuficiencia renal;
- anemia, problemas de memoria, atención, inteligencia.
El consumo simultáneo de diferentes alimentos con altas dosis de nitratos conduce a una intoxicación aguda. Las fuentes pueden ser plantas, agua potable, platos de carne preparados. Remojar en agua limpia y cocinar puede reducir el contenido de nitrato de los alimentos. Los investigadores encontraron que se encontraron dosis más altas de compuestos peligrosos en productos vegetales inmaduros y de invernadero.
El fósforo es un elemento del subgrupo nitrógeno
Los átomos de elementos químicos que están en la misma columna vertical del sistema periódico exhiben propiedades comunes. El fósforo se encuentra en el tercer período, pertenece al grupo 15, al igual que el nitrógeno. La estructura de los átomosLos elementos son similares, pero hay diferencias en las propiedades. El nitrógeno y el fósforo exhiben un estado de oxidación negativo y valencia III en sus compuestos con metales e hidrógeno.
Muchas reacciones del fósforo tienen lugar a temperaturas ordinarias, es un elemento químicamente activo. Interactúa con el oxígeno para formar un óxido superior P2O5. Una solución acuosa de esta sustancia tiene las propiedades de un ácido (metafosfórico). Cuando se calienta, se obtiene ácido ortofosfórico. Forma varios tipos de sales, muchas de las cuales sirven como fertilizantes minerales, como los superfosfatos. Los compuestos de nitrógeno y fósforo son una parte importante del ciclo de las sustancias y la energía en nuestro planeta, se utilizan en la industria, la agricultura y otros campos de actividad.
