Reacții și compuși ai azotului

Ca și carbonul, azotul are patru orbitali de valență (unul 2s și trei 2p), astfel încât poate participa la cel mult patru legături pereche de electroni prin folosirea orbitalilor hibrizi sp3. Cu toate acestea, spre deosebire de carbon, azotul nu formează lanțuri lungi din cauza interacțiunilor repulsive dintre perechile de electroni solitari de pe atomii adiacenți. Aceste interacțiuni devin importante la distanțele internucleare mai scurte întâlnite la elementele mai mici, de perioada a doua, din grupele 15, 16 și 17. Compușii stabili cu legături N-N sunt limitați la lanțuri de cel mult trei atomi de N, cum ar fi ionul azidă (N3-).

Nitrogenul este singurul pnicogen care formează în mod normal legături multiple cu el însuși și cu alte elemente din perioada a doua, folosind suprapunerea π a orbitalilor np adiacenți. Astfel, forma stabilă a azotului elementar este N2, a cărui legătură N≡N este atât de puternică (DN≡N = 942 kJ/mol) în comparație cu legăturile N-N și N=N (DN-N = 167 kJ/mol; DN=N = 418 kJ/mol) încât toți compușii care conțin legături N-N și N=N sunt instabili termodinamic în ceea ce privește formarea de N2. De fapt, formarea legăturii N≡N este atât de favorizată termodinamic încât practic toți compușii care conțin legături N-N sunt potențial explozibili.

Din nou, spre deosebire de carbon, azotul suferă doar două reacții chimice importante la temperatura camerei: reacționează cu litiul metalic pentru a forma nitrură de litiu și este redus la amoniac de către anumite microorganisme. Cu toate acestea, la temperaturi mai ridicate, N2 reacționează cu elemente mai electropozitive, cum ar fi cele din grupa 13, pentru a da nitruri binare, care au un caracter de la covalent la ionic. La fel ca și compușii corespunzători ai carbonului, compușii binari ai azotului cu oxigenul, hidrogenul sau alte nemetale sunt, de obicei, substanțe moleculare covalente.

Puțini compuși moleculari binari ai azotului se formează prin reacția directă a elementelor. La temperaturi ridicate, N2 reacționează cu H2 pentru a forma amoniac, cu O2 pentru a forma un amestec de NO și NO2 și cu carbonul pentru a forma cianogen (N≡C-C≡N); azotul elementar nu reacționează cu halogenii sau cu ceilalți calcogeni. Cu toate acestea, sunt cunoscute toate halogenurile binare de azot (NX3). Cu excepția NF3, toate sunt toxice, instabile termodinamic și potențial explozive și toate sunt preparate prin reacția halogenului cu NH3 și nu cu N2. Atât monoxidul de azot (NO), cât și dioxidul de azot (NO2) sunt instabile termodinamic, cu energii libere de formare pozitive. Spre deosebire de NO, NO2 reacționează ușor cu excesul de apă, formând un amestec 1:1 de acid azotic (HNO2) și acid azotic (HNO3):

\

Agenul formează, de asemenea, N2O (monoxid de azot sau protoxid de azot), o moleculă liniară care este izoelectronică cu CO2 și care poate fi reprezentată ca -N=N+=O. Ca și ceilalți doi oxizi de azot, protoxidul de azot este instabil din punct de vedere termodinamic. Structurile celor trei oxizi de azot obișnuiți sunt următoarele:

Puțini compuși moleculari binari ai azotului se formează prin reacția directă a elementelor.

La temperaturi ridicate, azotul reacționează cu metale puternic electropozitive pentru a forma nitruri ionice, cum ar fi Li3N și Ca3N2. Acești compuși constau în rețele ionice formate de ioni de Mn+ și N3-. La fel cum borul formează boruri interstițiale și carbonul formează carburi interstițiale, cu metale mai puțin electropozitive, azotul formează o serie de nitruri interstițiale, în care azotul ocupă găuri într-o structură metalică strâns compactată. La fel ca și carburile și borurile interstițiale, aceste substanțe sunt, de obicei, materiale foarte dure, cu punct de topire ridicat, care au luciu metalic și conductivitate.

Nitrogenul reacționează, de asemenea, cu semimetalele la temperaturi foarte ridicate pentru a produce nitruri covalente, cum ar fi Si3N4 și BN, care sunt solide cu structuri de rețele covalente extinse, asemănătoare celor din grafit sau diamant. În consecință, acestea sunt, de obicei, materiale cu punct de topire ridicat și inerte din punct de vedere chimic.

Amonia (NH3) este unul dintre puținii compuși binari stabili din punct de vedere termodinamic ai azotului cu un nemetal. Nu este inflamabil în aer, dar arde într-o atmosferă de O2:

\

Aproximativ 10% din amoniacul produs anual este utilizat pentru fabricarea fibrelor și a materialelor plastice care conțin legături amidice, cum ar fi nylonul și poliuretanii, în timp ce 5% este utilizat în explozibili, cum ar fi nitratul de amoniu, TNT (trinitrotoluen) și nitroglicerina. Cantități mari de amoniac lichid anhidru sunt folosite ca îngrășământ.

Nitrogenul formează alți doi compuși binari importanți cu hidrogenul. Acidul hidrazoic (HN3), numit și azidă de hidrogen, este o substanță incoloră, foarte toxică și explozivă. Hidrazina (N2H4) este, de asemenea, potențial explozivă; este utilizată ca propulsor pentru rachete și pentru a inhiba coroziunea în cazane.

B, C și N reacționează cu metale de tranziție pentru a forma compuși interstițiali care sunt materiale dure, cu grad ridicat de topire.

.