18.8: A Química do Nitrogênio
Reações e Compostos de Nitrogênio
Como o carbono, o nitrogênio tem quatro orbitais de valência (um 2s e três 2p), assim ele pode participar de no máximo quatro ligações de pares de elétrons usando orbitais híbridos sp3. Ao contrário do carbono, porém, o nitrogênio não forma longas cadeias devido às interações repulsivas entre pares solitários de elétrons em átomos adjacentes. Essas interações tornam-se importantes nas distâncias internucleares mais curtas encontradas com os elementos menores, de segundo período, dos grupos 15, 16 e 17. Compostos estáveis com ligações N-N estão limitados a cadeias de não mais de três átomos N, como o íon azida (N3-).
Nitrogênio é o único pnicogênio que normalmente forma ligações múltiplas com ele mesmo e outros elementos do segundo período, usando π sobreposição de orbitais np adjacentes. Assim, a forma estável do nitrogênio elementar é N2, cuja ligação N≡N é tão forte (DN≡N = 942 kJ/mol) em comparação com as ligações N-N e N=N (DN-N = 167 kJ/mol; DN=N = 418 kJ/mol) que todos os compostos contendo ligações N-N e N=N são termodinamicamente instáveis em relação à formação de N2. De fato, a formação da ligação N≡N é tão favorecida termodinamicamente que praticamente todos os compostos contendo ligações N-N são potencialmente explosivos.
O nitrogênio, ao contrário do carbono, sofre apenas duas importantes reações químicas à temperatura ambiente: reage com lítio metálico para formar nitreto de lítio, e é reduzido a amônia por certos microorganismos. A temperaturas mais elevadas, porém, o N2 reage com elementos mais electropositivos, como os do grupo 13, para dar nitretos binários, que variam de covalente a iónico em carácter. Como os compostos correspondentes de carbono, compostos binários de nitrogênio com oxigênio, hidrogênio ou outros não metálicos são geralmente substâncias moleculares covalentes.
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Poucos compostos moleculares binários de nitrogênio são formados por reação direta dos elementos. A temperaturas elevadas, N2 reage com H2 para formar amônia, com O2 para formar uma mistura de NO e NO2, e com carbono para formar cianogênio (N≡C-C≡N); o nitrogênio elementar não reage com os halogênios ou outros calcogênios. No entanto, todos os halogenetos de nitrogênio binários (NX3) são conhecidos. Com exceção do NF3, todos são tóxicos, termodinamicamente instáveis e potencialmente explosivos, e todos são preparados reagindo o halogênio com NH3 e não com N2. Tanto o monóxido de nitrogênio (NO) quanto o dióxido de nitrogênio (NO2) são termodinamicamente instáveis, com energias livres de formação positiva. Ao contrário do NO, o NO2 reage prontamente com excesso de água, formando uma mistura 1:1 de ácido nitroso (HNO2) e ácido nítrico (HNO3):
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Nitrogênio também forma N2O (monóxido de dinitrogênio, ou óxido nitroso), uma molécula linear que é isoeletrônica com CO2 e pode ser representada como -N=N+=O. Como os outros dois óxidos de nitrogênio, o óxido nitroso é termodinamicamente instável. As estruturas dos três óxidos de nitrogênio comuns são as seguintes:
Poucos compostos moleculares binários de nitrogênio são formados pela reação direta dos elementos.
A temperaturas elevadas, o nitrogênio reage com metais altamente eletropositivos para formar nitretos iônicos, como o Li3N e o Ca3N2. Estes compostos são constituídos por treliças iônicas formadas por íons Mn+ e N3-. Assim como o boro forma boretos intersticiais e o carbono forma carbonetos intersticiais, com metais menos eletropositivos o nitrogênio forma uma gama de nitretos intersticiais, nos quais o nitrogênio ocupa buracos em uma estrutura metálica compactada e fechada. Como os carbonetos e boretos intersticiais, essas substâncias são tipicamente materiais muito duros, de alta fusão, com brilho metálico e condutividade.
Nitrogênio também reage com semimetálicos a temperaturas muito altas para produzir nitretos covalentes, como Si3N4 e BN, que são sólidos com estruturas de rede covalente estendida, semelhantes às de grafite ou diamante. Consequentemente, são geralmente materiais de alta fusão e quimicamente inertes.
Amoníaco (NH3) é um dos poucos compostos binários de nitrogênio termodinamicamente estáveis com um não-metal. Não é inflamável no ar, mas queima em uma atmosfera de O2:
>Sobre 10% da amônia produzida anualmente é usada para fazer fibras e plásticos que contenham ligações amidas, como nylons e poliuretanos, enquanto 5% é usada em explosivos, como nitrato de amônio, TNT (trinitrotolueno), e nitroglicerina. Grandes quantidades de amônia líquida anidra são usadas como fertilizante.
Nitrogênio forma dois outros compostos binários importantes com hidrogênio. O ácido hidrazóico (HN3), também chamado azida hidrogênio, é uma substância incolor, altamente tóxica, e explosiva. A hidrazina (N2H4) também é potencialmente explosiva; é usada como propulsor de foguetes e para inibir a corrosão em caldeiras.
B, C, e N reagem todos com metais de transição para formar compostos intersticiais que são materiais duros e de alta fusão.
Exemplo \(\PageIndex{1}})
Para cada reacção, explique porque é que os produtos em causa se formam quando os reagentes são aquecidos.
- Sr(s) + N2O(g) {\i1}(xrightarrow{\i}{\i1}SrO(s) + N2(g)
- NH4NO2(s) {\i}(xrightarrow{\i}}(xrightarrow{\i}(delta) N2(g) + 2H2O(g)
- Pb(NO3)2(s) {\xrightarrow{\Delta}} PbO2(s) + 2NO2(g)
Dado: equações químicas balanceadas
Passado para: porque é que os produtos dados se formam
Estratégia:
Classificar o tipo de reacção. Usando tendências periódicas em propriedades atómicas, termodinâmica e cinética, explicar porque é que os produtos de reacção observados se formam.
Solução
- Como um metal alcalino, o estrôncio é um forte redutor. Se o outro reagente pode actuar como um oxidante, então uma reacção redox irá ocorrer. O óxido nitroso contém nitrogênio em um estado de baixa oxidação (+1), então normalmente não o consideraremos como um oxidante. O óxido nitroso é, contudo, termodinamicamente instável (ΔH°f > 0 e ΔG°f > 0), e pode ser reduzido para N2, que é uma espécie estável. Consequentemente, prevemos que uma reação redox ocorrerá.
- Quando uma substância é aquecida, uma reação de decomposição provavelmente ocorrerá, o que muitas vezes envolve a liberação de gases estáveis. Neste caso, o nitrito de amônio contém nitrogênio em dois diferentes estados de oxidação (-3 e +3), portanto uma reação redox interna é uma possibilidade. Devido à sua estabilidade termodinâmica, N2 é o produto que provavelmente contém nitrogênio, enquanto que nós prevemos que H e O se combinarão para formar H2O.
- Again, esta é provavelmente uma reação de decomposição térmica. Se um elemento estiver em um estado de oxidação geralmente alta e outro em um estado de oxidação baixa, uma reação redox provavelmente ocorrerá. O nitrato de chumbo contém o catião Pb2+ e o anião nitrato, que contém nitrogénio no seu estado de oxidação mais elevado possível (+5). Assim o nitrogênio pode ser reduzido, e sabemos que o chumbo pode ser oxidado para o estado de +4 oxidação. Consequentemente, é provável que o nitrato de chumbo(II) se decomponha em óxido de chumbo(IV) e dióxido de nitrogénio quando aquecido. Embora o PbO2 seja um oxidante poderoso, a libertação de um gás como o NO2 pode muitas vezes conduzir a uma reacção desfavorável à conclusão (princípio de Le Chatelier). Note-se, contudo, que o PbO2 irá provavelmente decompor-se em PbO a altas temperaturas.