Utente:Grasso Luigi/sanbox1/diazoto

Il diazoto è una molecola biatomica che consiste di due atomi di azoto con un legame covalente triplo. Ha formula chimica N₂. In condizioni normali di temperatura e pressione, le molecole di diazoto formano un gas incolore, che costituisce un composto dell'aria. Oggi, il diazoto viene generalmente ottenuto dalla liquefazione dell'aria, che è il componente principale con una concentrazione di 78.06% in volume e 75,5% in peso, seguita da distillazione frazionata.

Diazoto
Struttura di Lewis del diazoto
Struttura 3D a sfere del diazoto Struttura 3D van der Waals del diazoto
Nome IUPAC
[1]
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	N2
Massa molecolare (u)	28,0134 ± 0,0004
Aspetto	gas: liquido incolore e inodore
Numero CAS	7727-37-9
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	0,808 al punto di ebollizione
Temperatura di fusione	-210,01 °C
Temperatura di ebollizione	-159,79 °C
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
attenzione
Frasi H	---
Consigli P	---

Produzione

Il diazoto atmosferico può essere convertito in ammoniaca utilizzando il processo Haber-Bosch. L'ammoniaca così prodotta viene utilizzata principalmente per la produzione di fertilizzanti. Produzione globale in milioni di tonnellate nel 2014: ^[2] :

	Paese	Produzione	% mondiale
1	Cina	47.3	32.6
2	Russia	11.8	8.1
3	India	11.0	7.6
4	USA	9.33	6.4
5	Indonesia	5.0	3.4
6	Trinidad e Tobago	4.73	3.3
7	Ucraina	4.24	2.9
8	Canada	3.94	2.7
9	Arabia Saudita	3.2	2.2
10	Qatar	2.99	2.1
11	Germania	2.8	1.9
12	Pakistan	2.7	1.9
13	Egitto	2.66	1.8
14	Francia	2.6	1.8
15	Iran	2.5	1.7
TOTALE		145.0	100

Metodi di preparazione

In laboratorio N₂ si può ottenere sottraendo O₂ all'aria facendola passare attraverso fili di rame al calor rosso; si può anche, e questa è un'area di ricerca in forte crescita, separare N₂ e O₂ sfruttando membrane permeabili all'ossigeno biatomico ma non all'azoto biatomico.

Un altro metodo di preparazione è la decomposizione termica di alcuni sali che lo contengono, per esempio:

NH₄NO₂(aq) → N₂(g) + 2 H₂O

Se si vuole ottenere N₂ a maggior grado di purezza si sfrutta la decomposizione termica di un azoturo di un metallo alcalino o alcalino terroso:

2NaN₃(s) → 3N₂(g) + 2Na(s)

Nell'industria viene invece esclusivamente ottenuto dalla distillazione frazionata dell'aria liquida. Di norma l'azoto molecolare N₂ che ne risulta contiene impurezze in ppm, soprattutto Ar e O₂ , in misura più o meno significativa a seconda dei metodi impiegati e della qualità dell'impianto di produzione; le moderne colonne di frazionamento garantiscono purezze superiori al 99,9995%, dato che soddisfa la massima parte delle necessità.

Tra i metodi di purificazione (tesi a ridurre il tenore di O₂) resi oggi obsoleti dal miglioramento delle colonne di frazionamento si annoveravano:

1. la reazione con piccole quantità di idrogeno su catalizzatore di platino;
2. il passaggio del gas su rame al calor rosso;
3. il passaggio del gas attraverso soluzione riducente (p.e.contenente V²⁺ o Cr²⁺).

Caratteristiche fisiche e chimico-fisiche

Strutturali

Caratteristiche strutturali di N2
Gruppo puntuale	D∞h
Distanza di legame (pm)	14N2	110,010
	14N15N	110,003
	15N2	109,998
Massa molecolare (u.a.)	14N2	28,0062
	14N15N	29,0032
	15N2	30,0002
Momenti d'inerzia 14N2 (g m2)	Ia = 0
	Ib = 1,407×10−43
	Ib = 1,407×10−43

Elettroniche

Caratteristiche elettroniche di N2
Configurazione elettronica	(σg1s)2(σu*1s)2(σg2s)2(σu*2s)2(πu2p)4(σg2p)2
Stati	1Σ+g
Energia di legame 14N2(kJ mol−1)	941,7
Energia di ionizzazione	15,59 eV
Momento di dipolo (Debye)	0
Polarizzabilità (10−30m³)	1,77

Sia la configurazione elettronica MO, che le teorie elementari della valenza sono concordi nel ritenere l'ordine di legame dell'azoto molecolare (N₂) uguale a 3. Ciò è coerente con gli elevati valori dell'energia di dissociazione e della costante vibrazionale.

Spettro UPS

Spettro UPS di N₂

Il primo picco che si osserva nello spettro fotoelettronico UPS He I, quello a 15,59 eV, porta a N₂⁺ (²Σ+g) strappando un elettrone dall'orbitale σ_g2p. Mostra una struttura vibrazionale molto modesta, vi è solo un debole picco secondario distanziato dal primo di circa 0,267 eV, quindi la costante vibrazionale di N+2(²Σ+g) è 1906,87 N m⁻¹. È un valore inferiore a quello di N₂ ma ancora elevato, sintomo del fatto che il contributo legante dell'orbitale σ_g2p è scarso.

Il secondo picco, che porta a N+2 (²Π_u), presenta invece una struttura vibrazionale molto marcata. Si può notare che il picco più intenso della serie è quello del primo stato vibrazionale eccitato, ciò significa che la distanza di legame in N+2 (²Π_u) è sensibilmente superiore a quella di N₂ (¹Σ+g). L'espulsione di un elettrone π_u2p comporta quindi un importante indebolimento del legame, come si può anche dedurre dalla separazione dei livelli vibrazionali di N+2 (²Π_u) che è di circa 0,224 eV, con una costante vibrazionale che questa volta diminuisce decisamente (1351,46 N m⁻¹).

L'ultimo picco che si può osservare in UPS è a 18,75 eV, porta a N+2 (²Σ+u), la struttura vibrazionale è simile a quella del primo picco, questa volta la separazione dei livelli vibrazionali è 0,296 eV e quindi la costante vibrazionale uguale a 2356,35 N m⁻¹. È un valore superiore a quello di N₂ (¹Σ+g) e infatti l'elettrone espulso proviene da un orbitale debolmente antilegante (σ_u^*2s).

Spettroscopiche

Caratteristiche spettroscopiche di N2
Costante rotazionale 14N2 (cm−1)	1,9987
Costante della distorsione centrifuga al 1º ordine (cm−1)	5,744×10−6
Frequenza vibrazionale fondamentale 14N2 (cm−1)	2358,07
Energia di punto zero 14N2	0,1462
Costante vibrazionale 14N2 (N m−1)	2293,8

Il piccolo valore della costante al 1º ordine della correzione centrifuga e l'elevata costante vibrazionale sono indici di una notevole rigidità della molecola e sono coerenti con l'elevata energia di legame e con l'ordine di legame uguale a 3.
Mentre lo spettro rotazionale Raman della molecola ¹⁴N¹⁵N, di simmetria C_∞v,

presenta intensità concordi con quanto ci si aspetterebbe dalla distribuzione di Boltzmann, la molecola 

¹⁴N₂, di simmetria D_∞h, mostra le tipiche alternanze (in questo caso I = 1 quindi J_dispari : J_pari = 1: 2) dovute alla statistica nucleare che possono essere interpretate solo alla luce del principio di Pauli.

Termodinamiche

Diagramma p-V dell'azoto

Caratteristiche termodinamiche di N2
Punto di fusione (p = 1 bar)	63,179 K
Entalpia di fusione (kJ mol−1)	0,719
Punto di ebollizione (p = 1 bar)	77,244 K
Entalpia di vaporizzazione (kJ mol−1)	5,586
Entropia molare a 298 K (J K−1 mol−1)	191,61
Cp,m a 298 K (J K−1 mol−1)	29,125
Cv,m a 298 K (J K−1 mol−1)	20,818
Coefficiente di Joule-Thomson a 298 K (K atm−1)	0,27

Stato gassoso

Caratteristiche di N2 in fase gassosa
Densità (kg m−3, 1 bar, 298 K)	1,1308
Temperatura critica	126,3 K
Pressione critica (atm)	33,54
Volume critico (cm³ mol−1)	90,10
Collision cross section (nm2)	0,43
Parametro a dell'eq. di van der Waals (atm L2 mol−2)	1,408
Parametro b dell'eq. di van der Waals (10−2L mol−1)	3,913
Parametro ε del potenziale di Lennard-Jones (K/k)	91,85
Parametro r0 del potenziale di Lennard-Jones (pm)	391,9
Costante della legge di Henry a 298 K (K/torr) per H2O	6,51×10−7
Entalpia di fisisorbimento (max osservata) (kJ mol−1)	−21
Entalpia di chemisorbimento (kJ mol−1)	Ta	−589
	Fe	−293

Stato solido

Sono state osservate sei fasi solide dell'azoto, denominate α, β, γ, δ, ε e ζ, ma a pressioni inferiori a 3500 bar esistono solo le fasi alfa e beta. La temperatura di transizione tra le due fasi alla pressione di 1 bar è 36,61 K. La fase alfa, quella che esiste a minor temperatura, ha un reticolo cubico a facce centrate Errore in {{M}}: parametro 1 non è un numero valido.), mentre la fase beta un reticolo esagonale (a = 4 036 Å e c = 6 630 Å). La fase gamma ha un reticolo tetragonale a corpo centrato. Le altre fasi sono stabili solo a pressioni superiori a 20 000 bar.
Sopra l'elevatissima pressione di 1,5 Mbar vi è una fase semiconduttrice. Studi strutturali accurati non sono ancora stati eseguiti, ma da misure spettroscopiche si può dedurre che non siano più presenti molecole N₂.

Proprietà di trasporto

Proprietà di trasporto di N2 in fase gassosa (p = 1 bar, T = 298 K)
Conducibilità termica (W m−1 s−1)	0,025724
Conducibilità elettrica	—
Viscosità (μP)	178,05
Velocità del suono (m s−1)	351,98
Proprietà di trasporto di N2 in fase liquida (p = 1 bar, T = 77,244 K, p.eb.)
Conducibilità termica (W m−1 s−1)	0,14605
Conducibilità elettrica	—
Viscosità (μP)	1613,7
Velocità del suono (m s−1)	852,53

Applicazioni

Il diazoto viene utilizzato:

• In forma gassosa viene usato come gas criogenico.
• Come atmosfera inerte per proteggere i prodotti ( sodio,alimenti, composti organici , vini per esempio), oggetti o contenitori (serbatoi) dall'ossidazione, dalla corrosione, dagli insetti, dai funghi, ecc.
• Per regolare la composizione delle miscele respiratorie nelle camere di decompressione o nei serbatoi per le immersioni.
• Altri usi:
  • Come pesticida per eliminare per asfissia dai tarli o da coleotteri che hanno colonizzato mobili di antiquariato (cornici, sculture e oggetti di legno, incunaboli, pergamene, stampe, etc.);
  • gas di gonfiaggio degli accumulatori idraulici grazie alla sua passività nei confronti degli oli;
  • Agente antincendio: combinato con argon al 50% e talvolta con anidride carbonica, è presente in alcuni sistemi automatici di estinzione del gas che proteggono le sale computer o aree di stoccaggio speciali che non devono essere danneggiate dal fuoco, polvere o acqua. Immagazzinato in sacchetti di metallo a una pressione di circa 200 bar , viene rilasciato in una stanza in cui è stato rilevato un incendio. Il volume di azoto iniettato sostituisce parte dell'atmosfera della stanza e provoca una diminuzione dei livelli di ossigeno nell'aria. Il livello generalmente mantenuto del 15% di comburente interrompe il fenomeno della combustione senza effetti letali sulla respirazione umana;
  • Gas di gonfiaggio dei pneumatici. Sebbene l'aria contenga già il 78% di azoto (ossido di azoto per essere più precisi), alcuni professionisti dell'aviazione, del settore automobilistico e della Formula 1 aumentano questa proporzione e gonfiano i pneumatici con azoto quasi puro. Questo gas, avendo la proprietà di essere inerte e stabile, mantiene una pressione più costante anche in caso di riscaldamento intenso del pneumatico. Inoltre, fugge con difficoltà.

Sicurezza

Ioni correlati

Il diazoto possiede una certa tendenza a protonarsi; a seconda dei casi può subire una protonazione singola o doppia con la formazione rispettivamente del catione diazonio e del diazonio dicatione.

Diazonio

Lo ione diazonio ha formula chimica N₂H⁺ con le strutture:

Struttura Lewis catione diazonio	Struttura a sfere catione diazonio

presenta una carica positiva dislocata sull'atomo di azoto derivato dalla protonazione del diazoto

|N≡N| + H⁺ → |N≡N⁺-H

Diazonio dicatione

Lo ione diazonio dicatione ha formula chimica N₂H2+2 con le strutture:

Struttura Lewis dicatione diazonio	Struttura a sfere dicatione diazonio

presenta due cariche positive nette dislocate sugli atomi di azoto, cariche che derivano dalla doppia protonazione del diazoto

|N≡N| + 2H⁺ → HN⁺≡N⁺H

Note

1. Nomenclature of Inorganic Chemistry : IUPAC Recommendations 2005 (Red Book), Cambridge, The Royal Society of Chemistry, 2005, p. 315, ISBN 978-0-85404-438-2.
2. Kramer e Deborah A., USGS Minerals Information: Nitrogen, su minerals.usgs.gov. Parametro sconosciuto site ignorato (aiuto); Parametro sconosciuto consulté le ignorato (aiuto)

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia