Nitrógeno

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El nitrógeno es un elemento químico que se clasifica como un gas y un no metal. Fue descubierto en 1772 por Daniel Rutherford e independientemente por Carl Scheele.

Descubrimiento de nitrógeno

En 1674 el médico inglés John Mayow demostró que el aire no es un solo elemento, está formado por diferentes sustancias. Lo hizo demostrando que sólo una parte del aire es combustible. La mayor parte no lo es.

Casi un siglo después, el químico escocés Joseph Black llevó a cabo un trabajo más detallado sobre el aire. Después de eliminar el oxígeno y el dióxido de carbono, quedó parte del aire. Black usó fósforo quemado como paso final en la eliminación de oxígeno. (El fósforo quemado tiene una afinidad muy alta por el oxígeno y es eficiente para eliminarlo por completo). Black luego asignó un estudio más detallado de los gases en el aire a su estudiante de doctorado, Daniel Rutherford.

Rutherford se basó en el trabajo de Black y en una serie de pasos eliminó por completo el oxígeno y el dióxido de carbono del aire. Demostró que, como el dióxido de carbono, el gas residual no podía sustentar la combustión ni los organismos vivos. Sin embargo, a diferencia del dióxido de carbono, el nitrógeno era insoluble en agua y soluciones alcalinas. Rutherford informó sobre su descubrimiento en 1772 del «aire nocivo«, que ahora llamamos nitrógeno.

El farmacéutico sueco Carl Scheele descubrió el nitrógeno de forma independiente, llamándolo aire gastado. Scheele absorbió oxígeno de varias maneras, incluido el uso de una mezcla de azufre y limaduras de hierro y la quema de fósforo. Después de eliminar el oxígeno, informó de un gas residual que no soportaría la combustión y tenía entre dos tercios y tres cuartos del volumen del aire original. Scheele publicó sus resultados en 1777, aunque se cree que el trabajo se realizó en 1772.

Aunque a Rutherford y Scheele ahora se les atribuye conjuntamente el descubrimiento, parece haber sido descubierto antes por Henry Cavendish, pero no publicado. Antes de 1772 (se desconoce la fecha precisa; Priestley se refiere a ella en su obra «Experimentos y observaciones realizados en y antes del año 1772») Cavendish le escribió a Joseph Priestley describiendo el ‘aire quemado‘.

El ‘aire quemado’ se preparó pasando aire repetidamente sobre carbón al rojo vivo (eliminando el oxígeno) y luego burbujeando el gas restante a través de una solución de potasa cáustica (hidróxido de potasio) que habría eliminado el dióxido de carbono.

Cavendish escribió: “Se encontró que la gravedad específica de este aire difiere muy poco de la del aire común; de los dos, parecía bastante más ligero. Extinguía la llama y hacía que el aire común no fuera apto para hacer arder los cuerpos de la misma manera que el aire fijo, pero en menor grado, como una vela que ardía alrededor de 80″ en aire común puro, y que se apagaba inmediatamente en aire común mezclado con 6/55 de aire fijo, quemado unos 26″ en aire común mezclado con la misma porción de este aire quemado.”

En 1790, el químico francés Jean-Antoine-Claude Chaptal nombró al elemento ‘nitrógeno’ después de que los experimentos demostraran que era un constituyente del nitro, como se llamaba entonces al nitrato de potasio.

Datos interesantes sobre el nitrógeno

Alrededor del 2,5 por ciento del peso de los organismos vivos proviene del nitrógeno en las moléculas orgánicas.
Muchas de las moléculas de la vida contienen nitrógeno. Es el cuarto elemento más abundante en el cuerpo humano.
El compuesto de nitrógeno nitroglicerina se puede utilizar para aliviar la angina de pecho, una afección cardíaca potencialmente mortal.
Tritón, el satélite de Neptuno, tiene géiseres alimentados con nitrógeno de cinco millas de altura.
Al igual que la Tierra, la atmósfera de Tritón es principalmente nitrógeno, pero Tritón es tan frío que el nitrógeno se asienta en la superficie como un sólido duro como una roca. El nitrógeno sólido permite que la débil luz que llega del sol lo atraviese. Las impurezas oscuras en el hielo de nitrógeno o en las rocas más oscuras debajo del hielo se calientan ligeramente a la luz del sol, derritiendo y vaporizando el nitrógeno sólido, que finalmente se abre paso a través del nitrógeno sólido en forma de géiseres que empujan las partículas de hielo hasta 8 kilómetros por encima de la superficie congelada de Tritón.
Es el séptimo elemento más abundante en el universo.
En 1919, el mundo supo por primera vez que los núcleos atómicos podían desintegrarse. Ernest Rutherford informó que había bombardeado gas nitrógeno con partículas alfa (núcleos de helio) y descubrió que se producía hidrógeno. (La investigación adicional de Patrick Blackett mostró que las partículas alfa habían transmutado el nitrógeno-14 en oxígeno-17 más hidrógeno).
El nitrógeno del universo fue hecho, y está siendo hecho, por el ciclo CNO en estrellas más pesadas que nuestro sol. (Ver imagen abajo)

Nitrógeno y el ciclo CNO

Cuando nació la primera generación de estrellas del universo, solo contenían los elementos producidos en el big bang: hidrógeno, helio y una pequeña cantidad de litio.

A medida que estas estrellas ardían, sintetizaban elementos más pesados, como el carbono. Las supernovas luego esparcen los elementos más pesados hacia las galaxias donde nacieron más estrellas.

El carbono de las supernovas juega un papel crucial en la forma en que se queman muchas estrellas de segunda generación y superiores. En las estrellas cuya masa es superior a 1,1 o 1,5 veces la de nuestro sol, el carbono 12 cataliza la fusión de hidrógeno en helio, es decir, el carbono 12 participa en la reacción de fusión, pero no es consumido por ella.

Como puede ver a la izquierda, el carbono-12 se regenera al final de cada ciclo, cuyo resultado neto es que se consumen cuatro núcleos de hidrógeno y se produce un núcleo de helio. Esta reacción se llama ciclo CNO.

Con el tiempo, cada núcleo de carbono-12 puede participar en un gran número de ciclos. Una proporción de nitrógeno producido durante el ciclo CNO evade la reacción adicional. Al final de la vida de una estrella, este nitrógeno puede distribuirse en la galaxia. En nuestro sistema solar, el nitrógeno de una estrella que murió hace miles de millones de años terminó siendo un elemento esencial en las proteínas y el ADN y formó alrededor del 80 por ciento de la atmósfera de nuestro planeta.

Apariencia y Características

Efectos nocivos:

El nitrógeno no es tóxico en condiciones normales.
El contacto directo de la piel con nitrógeno líquido provoca congelaciones graves.
La descompresión en buzos o astronautas puede causar ‘curvas’, una condición potencialmente fatal cuando se forman burbujas de nitrógeno en el torrente sanguíneo.

Características:

Es un gas incoloro, inodoro, insípido, diatómico y generalmente inerte a temperatura y presión estándar.
A presión atmosférica, el nitrógeno es líquido entre 63 K y 77 K.
Los líquidos más fríos que este son considerablemente más caros de fabricar que el nitrógeno líquido.

Usos del Nitrógeno

El nitrógeno se utiliza para producir amoníaco (proceso Haber) y fertilizantes, vitales para los métodos actuales de producción de alimentos. También se utiliza para fabricar ácido nítrico (proceso Ostwald).
En la recuperación mejorada de petróleo, se utiliza nitrógeno a alta presión para forzar el petróleo crudo que de otro modo no se recuperaría fuera de los pozos de petróleo. Las cualidades inertes del nitrógeno encuentran uso en las industrias química y petrolera para cubrir los tanques de almacenamiento con una capa inerte de gas.
El nitrógeno líquido se utiliza como refrigerante. Idealmente, los superconductores para tecnologías prácticas no deberían tener resistencia eléctrica a temperaturas superiores a 63K porque esta temperatura se puede lograr de manera relativamente económica utilizando nitrógeno líquido. Las temperaturas más bajas vienen con un precio mucho más alto.
Si bien el nitrógeno elemental no es muy reactivo, muchos de los compuestos de nitrógeno son inestables.
Los óxidos se forman naturalmente en el acero durante la soldadura y estos debilitan la soldadura. El nitrógeno se puede usar para excluir el oxígeno durante la soldadura, lo que resulta en mejores soldaduras.
En el mundo natural, el ciclo del nitrógeno tiene una importancia crucial para los organismos vivos. Este se toma de la atmósfera y se convierte en nitratos a través de tormentas eléctricas y bacterias fijadoras de nitrógeno. Los nitratos fertilizan el crecimiento de las plantas donde el nitrógeno se une en aminoácidos, ADN y proteínas. Luego puede ser comido por los animales. Eventualmente, el nitrógeno de las plantas y los animales regresa al suelo y la atmósfera y el ciclo se repite.

Abundancia e isótopos

Abundancia en la corteza terrestre: 19 partes por millón en peso, 28 partes por millón en moles
Abundancia en el sistema solar: 1.000 ppm por peso, 90 ppm por moles
Coste de producción puro: 0,4€ por 100g
Fuente: Comercialmente, se obtiene del aire líquido por destilación fraccionada. La atmósfera de la Tierra contiene alrededor de 4 cuatrillones de toneladas (4×10¹⁵) de nitrógeno.
Isótopos: Tiene 12 isótopos cuyas vidas medias se conocen, con números de masa de 11 a 19. El nitrógeno natural es una mezcla de dos isótopos, ¹⁴N y ¹⁵N con abundancias naturales de 99,6% y 0,4% respectivamente.

Símbolo	N
Número atómico	7
Valencias	±3, 5, 4, 2, 1
Peso atómico	14,007
Punto de ebullición (ºC)	-196
Punto de fusión (ºC)	-210
Densidad (Kg/m3)	1,25
Estructura atómica	[He] 2s²2p³

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