Reattività dell’azoto: reazioni
La reattività dell’azoto è un tema di grande rilevanza sia dal punto di vista chimico sia per le sue vaste implicazioni ambientali. Sebbene l’azoto molecolare (N₂) costituisca circa il 78% dell’atmosfera terrestre, esso partecipa a reazioni solo in condizioni particolari, e la sua trasformazione in composti reattivi può dare origine a fenomeni con impatti profondi su scala globale.
La produzione e l’accumulo di forme reattive dell’azoto, come ammoniaca, ossidi di azoto e nitrati, rappresentano una delle principali sfide ambientali contemporanee. Questi composti contribuiscono a una serie di problemi, tra cui:
L’inquinamento atmosferico
L’acidificazione del suolo e delle acque
L’eutrofizzazione degli ecosistemi acquatici
La perdita di biodiversità
La contaminazione delle falde acquifere attraverso la lisciviazione dei nitrati
L’incremento dell’effetto serra e il riscaldamento globale
L’inerzia dell’azoto molecolare
L’azoto, in natura, si trova principalmente sotto forma di molecola biatomica (N₂), caratterizzata da un triplo legame molto stabile tra i due atomi. Questa struttura, lineare e apolare, conferisce alla molecola una notevole inerzia chimica: per attivare l’azoto molecolare e trasformarlo in forme reattive, è necessario fornire elevate quantità di energia.
La stabilità del legame N≡N è tale che l’azoto molecolare non reagisce spontaneamente con la maggior parte delle sostanze, inclusa l’acqua. Tuttavia, N₂ può sciogliersi in essa: a 20 °C e a 1 atm di pressione, la sua solubilità è di circa 14 mg/L, una quantità modesta ma significativa per alcuni processi biologici e industriali.
Processi naturali e antropici nella trasformazione dell’azoto
Sebbene l’azoto molecolare sia poco reattivo, esistono in natura alcuni processi capaci di trasformarlo in forme chimicamente attive. Queste trasformazioni rappresentano il cuore del ciclo dell’azoto, un ciclo biogeochimico fondamentale per la vita sulla Terra. Tuttavia, l’intervento umano ha profondamente alterato questi equilibri, causando un’eccessiva immissione di azoto reattivo nell’ambiente.
Processi naturali
In natura, la conversione dell’azoto atmosferico in composti reattivi avviene attraverso:
-La fissazione biologica: alcuni batteri simbionti, come quelli del genere Rhizobium, presenti nelle radici delle leguminose, sono in grado di fissare l’azoto atmosferico e convertirlo in ammoniaca (NH₃), rendendolo disponibile per le piante.
-La fissazione abiotica: durante i temporali, l’energia dei fulmini può rompere il triplo legame dell’N₂, permettendo la formazione di ossidi dell’azoto (NOₓ) che, una volta disciolti nell’acqua piovana, entrano nel suolo sotto forma di nitrati e nitriti.
-I processi di ammonificazione, nitrificazione e denitrificazione: il ciclo dell’azoto comprende tappe microbiche che trasformano la materia organica in composti azotati inorganici e viceversa, mantenendo l’equilibrio tra le diverse forme chimiche dell’elemento.
Processi antropici
L’uomo, attraverso numerose attività industriali e agricole, ha profondamente modificato il ciclo dell’azoto, aumentando in modo esponenziale la quantità di azoto reattivo nell’ambiente:
-Produzione industriale di ammoniaca: il processo Haber-Bosch, introdotto nel XX secolo, consente di fissare artificialmente l’azoto atmosferico trasformandolo in ammoniaca, largamente utilizzata nei fertilizzanti. Questo ha rivoluzionato l’agricoltura, ma ha anche causato un surplus di azoto nei suoli e nelle acque.
-Utilizzo intensivo di fertilizzanti azotati: l’eccesso di fertilizzanti non assorbito dalle piante viene lisciviato nel suolo, raggiungendo le falde acquifere sotto forma di nitrati, oppure rilasciato in atmosfera sotto forma di protossido di azoto (N₂O), un potente gas serra.
-Combustione di combustibili fossili: motori a combustione e impianti industriali rilasciano grandi quantità di ossidi di azoto (NOₓ), che contribuiscono alla formazione dello smog fotochimico e alla produzione di piogge acide.
Allevamenti intensivi: le deiezioni animali rilasciano ammoniaca e altre forme di azoto ridotto chepossono depositarsi in ecosistemi lontani, alterandone la chimica e la biodiversità.
Reazioni e reattività dell’azoto
Sebbene i metalli alcalini siano particolarmente reattivi il litio è l’unico elemento del gruppo a reagire con l’azoto a temperatura ambiente per dare il nitruro di litio secondo la reazione:
6 Li(s) + N2(g) → 2 Li3N(s)
A caldo i metalli alcalino-terrosi reagiscono con l’azoto per dare i rispettivi nitruri secondo la reazione generale:
3 M(s) + N2(g) → 2 M3N2(s)
In condizioni normali l’azoto non reagisce con l’ossigeno ma ad elevate temperature si ottengono vari tipi di ossidi di azoto tramite una reazione endotermica.
Il monossido di azoto si ottiene dalla reazione:
N2(g) + O2(g) → 2 NO(g)
Il monossido di azoto può reagire con l’ossigeno per dare il biossido di azoto secondo la reazione:
2 NO(g) + O2(g) →2 NO2(g)
A temperature superiori a 1500 °C l’azoto reagisce con il boruro di calcio e l’ossido di boro per dare il nitruro di boro secondo la reazione:
10 N2 + B2O3 + 3 CaB6 → 20 BN + 3 CaO
L’azoto viene usato nella sintesi dell’ammoniaca secondo il processo Haber:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
Si è scoperto già dal 1965 che l’azoto agisca da legante in alcuni complessi in modo analogo a quanto avviene con il monossido di carbonio nei metallo carbonili.
Il primo complesso in cui l’azoto funge da legante fu sintetizzato a partire da idrazina idrata e tricloruro di rutenio e ha formula [Ru(NH3)6(N2)]2+
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il 6 Maggio 2019