Le reazioni dell’azoto avvengono tipicamente con i metalli alcalini, alcalino-terrosi, terrosi e con i cristallogeni ovvero elementi del gruppo 14
L’azoto è un elemento del Gruppo 15 della Tavola periodica si presenta come molecola biatomica N2 in cui è presente un triplo legame ed è pertanto necessaria una energia a 944.7 kJ/mol per rompere tali legami; per tale ragione l’azoto è relativamente poco reattivo ed è considerato un gas inerte al punto da essere stato denominato azoto dal greco ἄζωτος (senza vita).
Una volta che si è rotto il triplo legame gli atomi di azoto sono molto reattivi e quindi può formare molti composti con diversi tipi di legame. Ad esempio l’azoto può formare ioni nitruro N3- in cui sono presenti legami singoli o doppi legami come nei diazocomposti aventi formula R-N=N-R o tripli legami come nei cianuri RC≡ N. La configurazione elettronica dell’azoto è 1s2, 2s2. 2p3 e quindi presenta 3 elettroni spaiati e un doppietto elettronico solitario.
Nonostante la sua scarsa reattività l’azoto reagisce con alcuni elementi appartenenti ai vari gruppi.
Reazioni dell’azoto
Tra le più importanti reazioni dell’azoto si ricorda quella con l’idrogeno per la sintesi dell’ammoniaca:
N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = – 15 kcal/mol)
La sintesi dell’ammoniaca messa a punto da Haber presenta molte difficoltà: essa infatti è esotermica e presenta una variazioni del numero di moli pari a 2 – 3 -1 = -2 per cui da un punto di vista puramente termodinamico, la reazione procede verso destra in modo significativo a temperature relativamente basse e alle alte pressioni.
Dal punto di vista cinetico, invece, l’aumento di temperatura rende la reazione veloce, mentre alle basse temperature la velocità è praticamente nulla. Si verifica quindi che gli aspetti termodinamici e cinetici si trovavano ad essere competitivi.
Inoltre anche la degradazione termica dei catalizzatori aumenta al crescere della temperatura e le pressioni troppo elevate possono creare inconvenienti tecnici. Si rese quindi necessario studiare le condizioni migliori che potessero garantire la sintesi tramite l’impiego di un catalizzatore che rendesse sufficientemente veloce la reazione a temperature abbastanza basse e un riciclo della miscela idrogeno-azoto dopo condensazione dell’ammoniaca che permettesse di operare anche con rese di conversione relativamente basse per ogni singolo passaggio sul catalizzatore.
Il problema del catalizzatore fu superato parzialmente con l’utilizzo di tetrossido di osmio OsO4, ma gli alti costi del catalizzatore, unitamente alla sua scarsa disponibilità spinsero Haber a ricercare un altro catalizzatore che fu individuato nel ferro attivato con ossidi di metalli alcalini. Dopo numerosissimi tentativi lo scienziato riuscì a trovare le condizioni che potessero realizzare un compromesso tra l’aspetto termodinamico e quello cinetico operando alla temperatura di circa 300°C e alla pressione di 200 atm.
Metalli del 1° Gruppo
Le reazioni dell’azoto con i metalli del 1° Gruppo sono limitate al Litio che reagisce a temperatura ambiente con ottenimento del nitruro di litio secondo la reazione:
6 Li(s) + N2(g) → 2 Li3N(s)
Il nitruro di sodio, invece, si può preparare sotto vuoto usando fasci atomici di sodio e azoto depositati su un substrato di zaffiro alla temperatura di – 196°C
Il nitruro di litio in cui l’azoto ha numero di ossidazione -3 è una base di Brønsted e Lowry essendo l’azoto, grazie al suo doppietto elettronico solitario, un accettore di ioni H+. Esso reagisce con l’acqua dando ammoniaca e idrossido di litio secondo la reazione:
Li3N(s) + 3 H2O(l) → 3 LiOH(aq) + NH3(aq)
Metalli del 2° Gruppo
Le reazioni dell’azoto con i metalli alcalino-terrosi avvengono ad alte temperature. Si ottengono i nitruri aventi formula generale M3N2 (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba) secondo la reazione:
3 M(s) + N2(g) → M3N2(s)
Solo l’elemento più leggero del gruppo, ovvero il Berillio, anche se finemente suddiviso, non reagisce rapidamente con l’azoto per dare il nitruro. L’elevata reattività dei metalli del 2° Gruppo rispetto a quella dei metalli del 1° Gruppo è dovuta all’alta energia reticolare tra gli ioni M2+ e N3-. I nitruri dei metalli alcalino-terrosi sono tutti ionici e solidi ad eccezione del nitruro di berillio che è covalente. Analogamente ai nitruri dei metalli alcalini anche quelli dei metalli alcalino-terrosi reagiscono con l’acqua secondo la reazione:
M3N2(s) + 6 H2O(l) → 3 M(OH)2(aq) + 2 NH3(aq)
Elementi del Gruppo 13
Con gli elementi del Gruppo 13 che hanno un’elettronegatività maggiore rispetto agli elementi dei gruppi 1 e 2 l’azoto forma idruri. Essi hanno carattere covalente e formula generale MN ( M = B, Al, Ga, In, Tl)
Elementi del Gruppo 14
Il Silicio forma un nitruro con l’azoto secondo la reazione che avviene a 1300-1400 °C in presenza di ferro quale catalizzatore:
3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N2(s)
Il nitruro di silicio è largamente usato:
- nell’industria automobilistica
- nei cuscinetti a sfera
- in campo ortopedico
- in elettronica quale isolante e barriera chimica nell’ambito dei circuiti integrati.