Compostos de nitrogênio. Propriedades do Nitrogênio

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

Dando salitre - é assim que a palavra Nitrogênio é traduzida do latim. Este é o nome do nitrogênio - um elemento químico com número atômico 7, encabeçando o 15º grupo na versão longa da tabela periódica. Na forma de uma substância simples, é distribuído na camada de ar da Terra - a atmosfera. Uma variedade de compostos de nitrogênio são encontrados na crosta terrestre e nos organismos vivos, e são amplamente utilizados nas indústrias, assuntos militares, agricultura e medicina.

Por que o nitrogênio foi chamado de "sufocante" e "sem vida"

Como sugerem os historiadores da química, Henry Cavendish (1777) foi o primeiro a receber essa substância simples. O cientista passou ar sobre carvões quentes, usando álcalis para absorver os produtos da reação. Como resultado do experimento, o pesquisador descobriu um gás incolor e inodoro que não reagia com o carvão. Cavendish chamou de "ar sufocante" por ser incapaz de sustentar a respiração, além de queimar.

Um químico moderno explicaria que o oxigênio reagiu com o carbono para formar dióxido de carbono. A parte "sufocante" restante do ar consistia principalmente de N₂ moléculas. Cavendish e outros cientistas da época ainda não conheciam essa substância, embora os compostos de nitrogênio e salitre fossem amplamente utilizados na economia. O cientista relatou o gás incomum a seu colega, que conduziu experimentos semelhantes, Joseph Priestley.

Ao mesmo tempo, Karl Scheele chamou a atenção para um constituinte desconhecido do ar, mas não conseguiu explicar corretamente sua origem. Somente Daniel Rutherford em 1772 percebeu que o gás “sufocante” “estragado” presente nos experimentos era o nitrogênio. Qual cientista deve ser considerado seu descobridor - os historiadores da ciência ainda estão discutindo sobre isso.

15 anos após os experimentos de Rutherford, o famoso químico Antoine Lavoisier sugeriu mudar o termo ar "estragado", referindo-se ao nitrogênio, para outro - Nitrogenium. Naquela época, ficou provado que esta substância não queima, não suporta a respiração. Ao mesmo tempo, apareceu o nome russo "nitrogênio", que é interpretado de maneiras diferentes. O termo é mais frequentemente dito para significar "sem vida". Trabalhos subsequentes refutaram a opinião generalizada sobre as propriedades da matéria. Os compostos nitrogenados - proteínas - são as macromoléculas mais importantes na composição dos organismos vivos. Para construí-los, as plantas absorvem os elementos necessários de nutrição mineral do solo - íons NO₃^2- e NH⁴⁺.

Nitrogênio é um elemento químico

O sistema periódico (PS) ajuda a entender a estrutura do átomo e suas propriedades. Pela posição de um elemento químico na tabela periódica, pode-se determinarcarga nuclear, número de prótons e nêutrons (número de massa). É necessário prestar atenção ao valor da massa atômica - essa é uma das principais características do elemento. O número do período corresponde ao número de níveis de energia. Na versão curta da tabela periódica, o número do grupo corresponde ao número de elétrons no nível de energia mais externo. Vamos resumir todos os dados nas características gerais do nitrogênio por sua posição no sistema periódico:

• Este é um elemento não metálico, localizado no canto superior direito do PS.
• Sinal químico: N.
• Número do pedido: 7.
• Massa atômica relativa: 14,0067.
• Fórmula do composto de hidrogênio volátil: NH₃ (amônia).
• Produz o óxido mais alto N₂O₅, em que a valência do nitrogênio é V.

A estrutura do átomo de nitrogênio:

• Carga do núcleo: +7.
• Número de prótons:7; número de nêutrons: 7.
• Número de níveis de energia: 2.
• Número total de elétrons: 7; fórmula eletrônica: 1s²2s²2p³.

Os isótopos estáveis do elemento nº 7 foram estudados em detalhes, seus números de massa são 14 e 15. O conteúdo de átomos do mais leve deles é de 99,64%. Há também 7 prótons nos núcleos de isótopos radioativos de vida curta, e o número de nêutrons varia muito: 4, 5, 6, 9, 10.

Nitrogênio na natureza

A camada de ar da Terra contém moléculas de uma substância simples, cuja fórmula é N₂. O conteúdo de nitrogênio gasoso na atmosfera é em volumecerca de 78,1%. Compostos inorgânicos deste elemento químico na crosta terrestre são vários sais de amônio e nitratos (nitratos). Fórmulas de compostos e nomes de algumas das substâncias mais importantes:

• NH_3, amônia.
• NO_2, dióxido de nitrogênio.
• NaNO_3, nitrato de sódio.
• (NH₄)₂SO_4, sulfato de amônio.

Valência do nitrogênio nos dois últimos compostos - IV. Carvão, solo, organismos vivos também contêm átomos de N ligados. O nitrogênio é parte integrante das macromoléculas de aminoácidos, nucleotídeos de DNA e RNA, hormônios e hemoglobina. O conteúdo total de um elemento químico no corpo humano chega a 2,5%.

Substância simples

Nitrogênio na forma de moléculas diatômicas é a maior parte do ar atmosférico em volume e massa. Uma substância cuja fórmula é N₂ não tem cheiro, cor ou sabor. Este gás compõe mais de 2/3 do envelope de ar da Terra. Na forma líquida, o nitrogênio é uma substância incolor semelhante à água. Ferve a -195,8°C. M (N₂)=28 g/mol. A substância simples nitrogênio é ligeiramente mais leve que o oxigênio, sua densidade no ar é próxima de 1.

Os átomos em uma molécula ligam firmemente 3 pares de elétrons comuns. O composto apresenta alta estabilidade química, o que o distingue do oxigênio e de várias outras substâncias gasosas. Para que uma molécula de nitrogênio se desintegre em seus átomos constituintes, é necessário gastar uma energia de 942,9 kJ/mol. Uma ligação de três pares de elétrons é muito forte.quebrar quando aquecido acima de 2000 °C.

Em condições normais, a dissociação de moléculas em átomos praticamente não ocorre. A inércia química do nitrogênio também se deve à completa ausência de polaridade em suas moléculas. Eles interagem muito fracamente um com o outro, o que é a razão para o estado gasoso da matéria à pressão normal e temperatura próxima à temperatura ambiente. A baixa reatividade do nitrogênio molecular encontra aplicação em vários processos e dispositivos onde é necessário criar um ambiente inerte.

A dissociação das moléculas N₂ pode ocorrer sob a influência da radiação solar na alta atmosfera. O nitrogênio atômico é formado, que em condições normais reage com alguns metais e não metais (fósforo, enxofre, arsênico). Como resultado, há uma síntese de substâncias que são obtidas indiretamente em condições terrestres.

Valência do Nitrogênio

A camada externa de elétrons de um átomo é formada por 2 se 3 elétrons p. Essas partículas negativas de nitrogênio podem desistir ao interagir com outros elementos, o que corresponde às suas propriedades redutoras. Ao anexar os 3 elétrons ausentes ao octeto, o átomo exibe habilidades oxidantes. A eletronegatividade do nitrogênio é menor, suas propriedades não metálicas são menos pronunciadas do que as do flúor, oxigênio e cloro. Ao interagir com esses elementos químicos, o nitrogênio cede elétrons (é oxidado). A redução a íons negativos é acompanhada por reações com outros não metais e metais.

A valência típica do nitrogênio é III. Nesse casoligações químicas são formadas devido à atração de elétrons p externos e à criação de pares (ligações) comuns. O nitrogênio é capaz de formar uma ligação doador-aceptor devido ao seu par solitário de elétrons, como ocorre no íon amônio NH⁴⁺.

Produção laboratorial e industrial

Um dos métodos laboratoriais é baseado nas propriedades oxidantes do óxido de cobre. Um composto de nitrogênio-hidrogênio é usado - amônia NH₃. Este gás fétido reage com óxido de cobre preto em pó. Como resultado da reação, o nitrogênio é liberado e cobre metálico (pó vermelho) aparece. Gotas de água, outro produto da reação, se depositam nas paredes do tubo.

Outro método de laboratório que usa uma combinação de nitrogênio com metais é a azida, como NaN₃. Acontece um gás que não precisa ser purificado de impurezas.

O nitrito de amônio é decomposto em nitrogênio e água no laboratório. Para que a reação comece, é necessário aquecimento, então o processo prossegue com a liberação de calor (exotérmica). O nitrogênio está contaminado com impurezas, por isso é purificado e seco.

Produção de nitrogênio na indústria:

• destilação fracionada de ar líquido - um método que usa as propriedades físicas do nitrogênio e oxigênio (diferentes pontos de ebulição);
• reação química do ar com carvão em brasa;
• separação de gás de adsorção.

Interação com metais e hidrogênio - propriedades oxidantes

Inércia de moléculas fortesnão permite a obtenção de alguns compostos nitrogenados por síntese direta. Para ativar os átomos, é necessário um forte aquecimento ou irradiação da substância. Nitrogênio pode reagir com lítio à temperatura ambiente, com magnésio, cálcio e sódio a reação ocorre apenas quando aquecido. Os nitretos metálicos correspondentes são formados.

A interação do nitrogênio com o hidrogênio ocorre em altas temperaturas e pressões. Este processo também requer um catalisador. Acontece amônia - um dos produtos mais importantes da síntese química. O nitrogênio, como agente oxidante, apresenta três estados de oxidação negativos em seus compostos:

• −3 (amônia e outros compostos de hidrogênio do nitrogênio são nitretos);
• −2 (hidrazina N₂H₄);
• −1 (hidroxilamina NH₂OH).

O nitreto mais importante - amônia - é produzido em grandes quantidades na indústria. A inércia química do nitrogênio permaneceu um grande problema por muito tempo. O salitre era sua fonte de matéria-prima, mas as reservas minerais começaram a diminuir rapidamente à medida que a produção aumentava.

Uma grande conquista da ciência e prática química foi a criação do método de fixação de nitrogênio em escala industrial com amônia. A síntese direta é realizada em colunas especiais - um processo reversível entre nitrogênio obtido do ar e hidrogênio. Ao criar condições ótimas que desloquem o equilíbrio desta reação para o produto, usando um catalisador, o rendimento de amônia chega a 97%.

Interação com propriedades redutoras de oxigênio

Para iniciar a reação de nitrogênio e oxigênio, é necessário um forte aquecimento. Um arco elétrico e uma descarga atmosférica na atmosfera têm energia suficiente. Os compostos inorgânicos mais importantes em que o nitrogênio está em seus estados de oxidação positivos:

• +1 (óxido nítrico (I) N₂O);
• +2 (monóxido de nitrogênio NO);
• +3 (óxido nítrico (III) N₂O₃; ácido nitroso HNO_{2, seus sais são nitritos);}
• +4 (dióxido de nitrogênio (IV) NO₂);
• +5 (pentóxido de nitrogênio (V) N₂O₅, ácido nítrico HNO_{3, nitratos).}

Significado na natureza

As plantas absorvem íons de amônio e ânions de nitrato do solo, usam para reações químicas a síntese de moléculas orgânicas, constantemente acontecendo nas células. O nitrogênio atmosférico pode ser absorvido pelas bactérias do nódulo - criaturas microscópicas que formam crescimentos nas raízes das leguminosas. Como resultado, este grupo de plantas recebe o elemento nutriente necessário, enriquece o solo com ele.

Durante chuvas tropicais ocorrem reações de oxidação do nitrogênio atmosférico. Os óxidos se dissolvem para formar ácidos, esses compostos de nitrogênio na água entram no solo. Devido à circulação do elemento na natureza, suas reservas na crosta terrestre e no ar são constantemente reabastecidas. Moléculas orgânicas complexas contendo nitrogênio são decompostas por bactérias em componentes inorgânicos.

Uso Prático

As conexões mais importantesnitrogênio para a agricultura são sais altamente solúveis. Ureia, salitre (sódio, potássio, cálcio), compostos de amônia (uma solução aquosa de amônia, cloreto, sulfato, nitrato de amônio) são assimilados pelas plantas. Partes do organismo vegetal são capazes de armazenar macronutrientes “para o futuro”, o que piora a qualidade dos produtos. Um excesso de nitratos em vegetais e frutas pode causar intoxicação nas pessoas, o crescimento de neoplasias malignas. Além da agricultura, compostos de nitrogênio são usados em outras indústrias:

• receber medicamentos;
• para a síntese química de compostos macromoleculares;
• na produção de explosivos a partir de trinitrotolueno (TNT);
• para a produção de corantes.

NO óxido é usado em cirurgias, a substância tem efeito analgésico. A perda de sensações ao inalar esse gás foi notada até mesmo pelos primeiros pesquisadores das propriedades químicas do nitrogênio. Foi assim que surgiu o nome trivial "gás hilariante".

Problema de nitratos em produtos agrícolas

Sais de ácido nítrico - nitratos - contêm um ânion de carga simples NO^3-. Até agora, o antigo nome desse grupo de substâncias é usado - salitre. Os nitratos são usados para fertilizar campos, em estufas, pomares. Eles são aplicados no início da primavera antes da semeadura, no verão - na forma de curativos líquidos. As substâncias em si não representam um grande perigo para os seres humanos, masno corpo, eles se transformam em nitritos, depois em nitrosaminas. Os íons nitritos NO^2- são partículas tóxicas, que causam a oxidação do ferro ferroso nas moléculas de hemoglobina em íons trivalentes. Nesse estado, a principal substância do sangue de humanos e animais não é capaz de transportar oxigênio e remover dióxido de carbono dos tecidos.

Qual é o perigo da contaminação dos alimentos por nitrato para a saúde humana:

• tumores malignos que ocorrem quando os nitratos são convertidos em nitrosaminas (carcinógenos);
• desenvolvimento de colite ulcerativa,
• hipotensão ou hipertensão;
• insuficiência cardíaca;
• distúrbio de coagulação sanguínea
• fígado, pâncreas, desenvolvimento de diabetes;
• desenvolvimento de insuficiência renal;
• anemia, memória prejudicada, atenção, inteligência.

O consumo simultâneo de diferentes alimentos com altas doses de nitratos leva à intoxicação aguda. As fontes podem ser plantas, água potável, pratos de carne preparados. A imersão em água limpa e o cozimento podem reduzir o teor de nitrato dos alimentos. Os pesquisadores descobriram que doses mais altas de compostos perigosos foram encontradas em produtos vegetais imaturos e de efeito estufa.

Fósforo é um elemento do subgrupo nitrogênio

Átomos de elementos químicos que estão na mesma coluna vertical do sistema periódico exibem propriedades comuns. O fósforo está localizado no terceiro período, pertence ao 15º grupo, como o nitrogênio. A estrutura dos átomoselementos são semelhantes, mas existem diferenças nas propriedades. Nitrogênio e fósforo apresentam estado de oxidação negativo e valência III em seus compostos com metais e hidrogênio.

Muitas reações do fósforo ocorrem em temperaturas normais, é um elemento quimicamente ativo. Ele interage com o oxigênio para formar um óxido superior P₂O₅. Uma solução aquosa desta substância tem as propriedades de um ácido (metafosfórico). Quando é aquecido, o ácido ortofosfórico é obtido. Forma vários tipos de sais, muitos dos quais servem como fertilizantes minerais, como os superfosfatos. Compostos de nitrogênio e fósforo são uma parte importante do ciclo de substâncias e energia em nosso planeta, eles são usados na indústria, agricultura e outros campos de atividade.