Azoto Linda Olivetti

Inquinamento
e piogge acide
Disponibilità
Impieghi
Ciclo dell’azoto
Proprietà chimiche
ed etimologia
È il costituente fondamentale delle
molecole organiche più importanti dal
punto di vista biochimico (DNA,
proteine, alcune vitamine), oltre che di
composti inorganici estremamente
diffusi e importanti come l'ammoniaca
e l'acido nitrico e del 78%
dell'atmosfera terrestre .
Origine e
scoperta
Composti
Esperimenti
Nella tavola periodica, l’azoto si trova nel 15º gruppo e il suo simbolo
è N.
N dal francese nitrogène, coniato nel 1790 dal chimico Jean Antoine
Chaptal fondendo in Lingua greca νίτρον, nitron, «nitrato di potassio»
con la radice γεν-, ghen-, «dare vita a»).
Azoto deriva dal francese azotè, voce formulata dallo stesso Lavoisier
che significa "privo di vita" (dal greco ζωή, zoè, "vita", preceduto
dall'alfa privativo, e quindi "privo di vita"); fu attribuito tale nome in
quanto l'azoto molecolare N2 costituisce il componente dell'aria non
necessario alla respirazione degli esseri viventi.
La massa atomica relativa
dell'azoto è 14.0067 e sono
noti due isotopi stabili 14N
(99,63%) e 15N (0,37%).
Ridotto allo stato liquido,
bolle a −195,8 °C; solidifica a
−210 °C.
L'azoto è tra gli atomi più elettronegativi e quindi, così
come l'ossigeno e il fluoro, è in grado di partecipare alla
formazione di legami a idrogeno.
Nei legami a idrogeno in cui sono coinvolti, gli atomi di
azoto giocano un ruolo fondamentale nell'accoppiamento
dei nucleotidi nella struttura del DNA, tenendo ‘’uniti’’ i
due filamenti che formano la doppia elica.
Anche la struttura delle proteine è fortemente influenzata
da legami a idrogeno che coinvolgono atomi di azoto.
L'azoto è un tipico non metallo. È uno dei pochi
elementi per cui la regola dell'ottetto è valida con
poche eccezioni.
L'azoto forma legami con tutti gli elementi della tavola
periodica a eccezione dei gas nobili più leggeri.
Vi sono validi motivi per ritenere che le atmosfere primordiali fossero
costituite essenzialmente da vapore acqueo, anidride carbonica e azoto
(oltre 4 miliardi di anni fa).
L'azoto è divenuto il componente dominante dell'atmosfera terrestre
poiché si è progressivamente accumulato in essa, data la sua inerzia
chimica e la sua bassa solubilità in acqua.
Daniel Rutherford, un allievo di Joseph Black, è considerato lo
scopritore dell'azoto, nonostante esso sia stato contemporaneamente
scoperto da Joseph Pristley, Carl Wilhelm Scheele e Henry Cavendish.
Rutherford nel 1919 fece passare le particelle alfa generate da un radionuclide naturale
attraverso una camera contenente atomi di azoto. Scoprì che veniva prodotta un'altra
radiazione, più penetrante. Egli dimostrò che questa nuova radiazione consisteva di protoni di
alta energia e concluse che questo era il risultato della conversione dei nuclei di azoto in nuclei
di ossigeno.
Egli studiò questo gas, notò che non mantiene la combustione e la respirazione, che
contrariamente all'anidride carbonica non viene assorbito da sostanze caustiche, ma non lo
riconobbe come una distinta specie chimica e lo considerò come aria atmosferica saturata con
flogisto.
Fu Lavoisier a riconoscere che l'aria è una miscela di un gas attivo, che cioè mantiene la
combustione e la respirazione O2 e un gas inattivo N2.
L'azoto è il quinto elemento più abbondante nell'universo, il 19º sulla crosta terrestre
di cui costituisce lo 0,03%), il primo elemento per abbondanza nell'aria (di cui
costituisce il 78,09%), ed è il quarto elemento più abbondante del corpo umano (di cui
costituisce il 3%).
È poi contenuto in depositi minerali come nitrato, soprattutto NaNO3(salnitro del Cile,
derivato del guano), ma anche KNO3, Ca(NO3)2 e Mg(NO3)2; questi sali, tutti di
derivazione biologica, sono solubili in acqua e giacimenti si trovano solo in zone
particolarmente aride.
Insieme a carbonio, ossigeno e idrogeno l’azoto è uno degli elementi biogeni
fondamentali: costituisce infatti il 2,4% del corpo umano.
È infatti presente in tutti gli organismi viventi in numerosissime molecole
quali DNA, proteine, ATP ecc. e dunque anche nei residui fossili, in particolare
il carbone contiene di norma quantità significative di ammoniaca (NH3) e di N2.
Si indica come bilancio dell’azoto la relazione esistente fra l’azoto ingerito da un
organismo umano (sotto forma di proteine) e quello espulso nell’urina (sotto forma di
urea, ammoniaca, acido urico e altre sostanze azotate: azoturia).
• Ammoniaca (NH₃)
• Acido nitrico (HNO₃)
• Nitrati
• Nitriti
• Diossido di azoto
• Monossido di azoto
• Biossido di azoto
La reazione che più è stata studiata per via dell'enorme interesse pratico è
la sintesi dell'ammoniaca secondo il processo Haber-Bosch:
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
L'ammoniaca, sotto forma di sale d'ammonio, era già nota in età classica:
nell'opera di Plinio si trovano riferimenti a una sostanza indicata come
Hammoniacus sal, sebbene non sia chiaro se si riferisse alla sostanza che
noi oggi chiamiamo sale d'ammonio. Quest'ultimo deve il suo nome al
luogo dove fu identificato per la prima volta come sostanza a sé, e cioè il
tempio di Giove Ammone, in Egitto.
Ogni anno circa 50 milioni di tonnellate di N2 vengono convertiti in
ammoniaca.
La grande importanza di questa reazione deriva dal fatto che tutto l'azoto
impiegato nell'industria chimica per la preparazione di numerosissimi
composti viene tutto dall'ammoniaca. L'applicazione più importante
dell'ammoniaca (fertilizzanti, vernici, materie esplosive, come sbiancante e
solvente) è la produzione di acido nitrico.
L’inquinamento da azoto reattivo, risultato della
trasformazione dell’azoto
atmosferico in ossidi di azoto e ammoniaca, viene
considerato come la terza
minaccia in ordine di gravità per il nostro pianeta.
NOx è una sigla generica che identifica collettivamente tutti gli ossidi di azoto e le loro miscele.
La sigla (NOx) identifica in modo generico gli ossidi di azoto che si producono come
sottoprodotti durante una combustione che avvenga utilizzando aria (dal camino a legna, al
motore delle automobili, alle centrali termoelettriche).
Gli ossidi di azoto sono considerati sostanze inquinanti dell'atmosfera e si ritiene che aggravino
le condizioni dei malati di asma. Alcuni di essi in presenza di radiazione solare possono reagire
con l'ossigeno formando ozono e altri composti del cosiddetto smog fotochimico se in presenza
anche di idrocarburi incombusti (HC). Il triossido ed il pentossido di diazoto sono solubili in
acqua e con l'umidità atmosferica possono formare acido nitroso e acido nitrico, entrambi
presenti nelle cosiddette "piogge acide".
E’ prodotto soprattutto nel corso dei processi di combustione ad alta temperatura assieme al
biossido di azoto (che costituisce meno del 5% degli NOx totali emessi).
Gli ossidi di azoto sono inoltre tra i maggiori
responsabili dell'elevata acidità delle piogge
in alcune aree particolarmente sottoposte a
inquinamento atmosferico. Infatti il biossido
di azoto reagisce con l'acqua formando acido
nitrico:
3NO₂(g) + H₂O(g) → 2HNO₃(g) + NO(g)
Le piogge acide possono creare non pochi
problemi alle piante aumentando l'acidità
dei terreni e di conseguenza la solubilità di
alcuni ioni metallici, che se assimilati
indeboliscono la pianta compromettendone
la crescita e in alcuni casi la sopravvivenza.
Il ciclo dell’azoto è un ciclo
biogeochimico con il quale l'azoto si muove
principalmente tra l'atmosfera, il terreno e
gli esseri viventi.
L'importanza del ciclo per gli organismi
viventi è dovuta alla loro necessità di
assimilare azoto per la formazione di
composti organici vitali, quali le proteine e
gli acidi nucleici.
Il ciclo biologico dell’azoto, che è uno dei processi fondamentali per il mantenimento della vita
terrestre, inizia con la fissazione dell’azoto atmosferico da parte dei microrganismi del terreno. I
microrganismi che intervengono in questo processo appartengono a due tipi fondamentali:
a) microrganismi a vita libera come i clostridi, le alghe blu, i batteri purpurei e soprattutto gli
Azotobacter;
b) microrganismi simbionti, dei quali l’esempio più noto è quello dei batteri del genere
Rhizobium, che vivono nei noduli radicali delle leguminose, in simbiosi con queste.
L’associazione pianta-batteri fissa l’azoto atmosferico e
produce amminoacidi, che la pianta da sola non sarebbe in
grado di sintetizzare. L’enzima responsabile della fissazione
dell’azoto atmosferico è la nitrogenasi.
Le piante possono assimilare l'azoto tramite l'assorbimento di
alcuni composti azotati (nitriti, nitrati) che, disciolti nell'acqua,
giungono fino alle loro radici.
Una volta organicato nella fitomassa, l'azoto viene quindi
trasferito agli organismi eterotrofi, come gli animali, mediante
la catena alimentare. La decomposizione dei resti organici
restituisce al terreno l'elemento, che può ritornare
nell'atmosfera grazie all'azione di alcuni batteri specializzati.
Questi microrganismi del terreno idrolizzano mediante i loro
enzimi le molecole organiche, fino ad amminoacidi, i quali
vengono poi deamminati mediante meccanismi diversi e
liberano ammoniaca. Infine, nel suolo sono presenti numerosi
batteri che permettono la trasformazione di prodotti
ammoniacali, dannosi oltre certi limiti di concentrazione per la
vita vegetale, in nitriti e poi in nitrati.
Video
La maggior parte dell'azoto prodotto è destinato alla sintesi
dell'ammoniaca, da cui saranno poi preparati fertilizzanti, polimeri,
esplosivi, coloranti e altri prodotti.
L'azoto liquido avendo il punto di ebollizione a -195,82 °C è utilizzato in vari
processi nei quali è necessario ottenere o conservare temperature
estremamente basse.
Industria alimentare:
Il diazoto è impiegato nella conservazione in atmosfera protettiva di
prodotti alimentari industriali. Miscele particolarmente ricche di diazoto
sono usate nella protezione di alimenti in cui i grassi insaturi sono presenti
in quantità significative, in questi casi l'O2 viene eliminato per evitare
l'irrancidimento.
L'azoto molecolare N2 viene di norma impiegato anche nel processo di
imbottigliamento dei vini, per evitare che il vino venga a contatto con
ossigeno molecolare O2.
Il monossido di azoto è un gas incolore. La sostanza è un
forte ossidante e reagisce con materiali combustibili e riducenti. Al
contatto con l'aria si trasforma in biossido di azoto.
NO
Nell'organismo umano il monossido di azoto viene sintetizzato a partire da arginina e ossigeno
per azione di enzimi noti col nome di monossido nitrico sintetasi.
Possiede la capacità di penetrare attraverso tutte le membrane e le barriere di tutti i microorganismi (batteri, virus, funghi, parassiti), e tra cui le nostre cellule, dato che fra l’altro non
possiede carica elettrica e può quindi muoversi liberamente sia all’interno che all’esterno di
esse.
Oltre ad essere un potente vasodilatatore, inibisce anche l'adesione e l'aggregazione piastrinica.
Il meccanismo molecolare risiede nella capacità dell'ossido d'azoto di legarsi covalentemente
alle porzioni eme delle emoproteine.
Il monossido di azoto è un inquinante primario che si
genera in parte nei processi di combustione per
reazione diretta tra azoto ed ossigeno dell'aria
NO₂
Il diossido di azoto è un gas rosso bruno a temperatura ordinaria
dall'odore soffocante e irritante. È più denso dell'aria, pertanto i
suoi vapori tendono a rimanere a livello del suolo.
È emesso soprattutto dai motori diesel ed è ritenuto
cancerogeno.
È un forte agente ossidante e reagisce violentemente con
materiali combustibili e riducenti. In presenza di acqua è in grado
di ossidare diversi metalli.
Il diossido di azoto è prodotto o riscaldando il nitrato di piombo o
facendo reagire l'ossido di azoto con l'ossigeno dell'aria.
NO2−
Il nitrito è un anione composto da un atomo di azoto e due atomi di ossigeno caricati
negativamente.
Il nitrito di sodio è usato nella preparazione della salsiccia poiché abbatte la carica batterica e,
in una reazione con la mioglobina della carne, dà al prodotto un bel colore rosso scuro.
Il nitrito di amile viene utilizzato in medicina come trattamento per le malattie cardiache.
I nitriti possono essere addizionati come conservanti ai seguenti alimenti: insaccati (freschi,
stagionati, cotti), prosciutti (stagionati e cotti), semiconserve non sterilizzate (würstel e
mortadella), le conserve sterilizzate, carni affumicate, nei cereali e prodotti tostati, pesce.
I nitriti presentano un’alta tossicità per l'uomo, specialmente nei bambini, in quanto
provocano metaemoglobinemia, forma non funzionante che riduce l'apporto di ossigeno ai
tessuti e talvolta causa anche il decesso.
NO3-
Lo ione nitrato è un importante anione poliatomico.
I nitrati, composti in cui è presente lo ione nitrato, sono i sali dell'acido nitrico.
Sono tutti molto solubili in acqua e per questo motivo sulla crosta terrestre si possono
trovare solo in territori estremamente aridi. I più diffusi in natura sono il nitrato di sodio
e il nitrato di potassio.
Lo ione NO3- ed alcuni suoi sali ricoprono un'importanza fondamentale sia per la natura
sia per l'uomo; esso è infatti indispensabile per il metabolismo vegetale, e quindi per il
mantenimento di tutti gli ecosistemi.
Utilizzi: Diverse categorie di nitrati sono utilizzati dall'industria alimentare come conservanti di
categoria E (la più tossica), coloranti e antiossidanti. Il loro impiego è praticamente reso obbligatorio
per i salumi crudi stagionati ed è principalmente dovuto al fatto che i nitrati sono al momento l'unica
alternativa nota per contrastare la germinazione delle spore di Clostridium botulino che potrebbero
crescere, una delle più gravi forme di infezione alimentare dall'esito mortale, che può soltanto essere
prevenuta.
Le carni, come l'acqua potabile e numerosi ortaggi, contengono naturalmente nitrati e nitriti.
I nitrati sono presenti anche in alimenti di origine vegetale, specie a causa dei fertilizzanti .
NO₂
Il biossido di azoto è un gas tossico di colore giallo-rosso, dall’odore forte e
pungente e con grande potere irritante; è un energico ossidante, molto
reattivo e quindi altamente corrosivo.
Il biossido di azoto si forma in massima parte in atmosfera per ossidazione
del monossido (NO), inquinante principale che si forma nei processi di
combustione. Le emissioni da fonti antropiche derivano sia da processi di
combustione (centrali termoelettriche, riscaldamento, traffico), che da
processi produttivi senza combustione (produzione di acido nitrico,
fertilizzanti azotati, ecc.)
Il ben noto colore giallognolo delle foschie che ricoprono le città ad
elevato traffico è dovuto per l’appunto al biossido di azoto.
Il biossido di azoto svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello
smog fotochimico in quanto costituisce l’intermedio di base per la
produzione di tutta una serie di inquinanti secondari molto pericolosi
come l’ozono, l’acido nitrico, l’acido nitroso, gli alchilnitrati, i
Perossiacetilnitrati, ecc.
Si stima che gli ossidi di azoto contribuiscano per il 30% alla formazione
delle piogge acide (il restante è imputabile al biossido di zolfo e ad altri
inquinanti).
HNO₃
L’acido nitrico è il più importante degli acidi derivati dall’azoto, detto anticamente acqua forte o
spirito di nitro ed è un forte agente ossidante.
Liquido a temperatura ambiente, incolore quando molto puro e dal tipico odore irritante.
I suoi sali vengono chiamati nitrati e sono pressoché tutti solubili in acqua.
Solubile in acqua con reazione esotermica, in forma concentrata può causare gravi ustioni per
contatto.
L’acido nitrico è uno degli acidi di maggior consumo: si usa nella preparazione di esplosivi, di
fertilizzanti, di coloranti organici artificiali e di numerosissimi composti organici, impiegati per
preparare prodotti farmaceutici, profumi.
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MATERIALE
• Alcuni litri di azoto liquido
• Un dewar (contenitore
termicamente isolante per
bassissime temperature) per la
conservazione dell’azoto liquido
• Guanti e pinze appositi per
lavorare con l’azoto liquido
• Alcune vaschette di polistirolo
• Un grappolo d’uva
• Un fiore
• Alcuni palloncini chiari (bianchi
o gialli)
• Spago
PREPARAZIONE
Mettere nel congelatore alcuni acini d’uva, in modo che al momento dell’esperimento siano congelati.
SVOLGIMENTO
Versare l’azoto liquido nella vaschetta di polistirolo e far osservare che il liquido bolle, mentre il “vapore” sprigionato
scende verso il basso. Ciò dimostra che non si tratta di un liquido ad alta temperatura, ma il vapore si trova a una
temperatura molto inferiore rispetto alla temperatura dell’ambiente. A conferma di ciò si possono gettare nella
vaschetta alcune gocce d’acqua, che verranno estratte congelate. Utilizzando le apposite pinze (o semplicemente un
pezzo di spago) immergere alcuni acini d’uva nell’azoto liquido. Gettare a terra prima gli acini immersi nell’azoto liquido,
poi quelli prelevati dal congelatore del frigorifero.
A bassissime temperature gli oggetti perdono completamente la loro elasticità, e non sono più in grado di ammortizzare
gli urti. Il congelatore del frigorifero porta gli oggetti che vi sono conservati a circa -20°C: una temperatura bassa ma non
sufficiente a far perdere tutta l’elasticità. Immergere, reggendolo per il gambo, un fiore nell’azoto liquido. Una volta
estratto colpire col fiore rapidamente il piano di lavoro: il fiore andrà in mille pezzi come se fosse fatto di vetro. Gonfiare
un palloncino e chiuderne bene l’imboccatura con un pezzo di spago, immergerlo quindi nell’azoto liquido: il palloncino
si affloscia.