El nitrógeno forma una serie de óxidos en los que el estado de oxidación del N puede tomar cualquier valor en el intervalo de +1 a +5. En la tabla 3 se muestran los óxidos de nitrógeno.
Tabla 3. Estados de oxidación comunes para el N
Estado de oxidación |
Fórmula |
ΔHºf a 298K (KJ/mol) |
Comentario |
|---|---|---|---|
+1 |
N2O |
82.0 |
Gas incoloro; usado como anestésico dental |
+2 |
NO |
90.3 |
Gas incoloro; contaminante del aire |
+3 |
N2O3 |
83.7 |
Gas café rojizo |
+4 |
NO2 |
33.2 |
Gas café naranja; venenoso y contaminante del aire |
+4 |
N2O4 |
9.16 |
Líquido incoloro a amarillo |
+5 |
N2O5 |
11.3 |
Sólido incoloro, volátil |
Los óxidos de nitrógeno no son tan habituales como otros compuestos de nitrógeno, pero los encontraremos en muchas ocasiones. El N2O tiene propiedades anestésicas y utiliza algo en odontología (“gas hilarante”). El NO2 se emplea en la fabricación del ácido nítrico. El N2O4 se utiliza mucho como oxidante en combustibles de cohetes. El NO es el óxido de nitrógeno más importante desde un punto de vista biológico. En los seres humanos, juega el papel de mantener la presión de la sangre, ayuda en la respuesta inmunológica de eliminación de organismos extraños, y es esencial para la conservación de la memoria a largo plazo. En 1996, los científicos descubrieron que la hemoglobina transporta NO así como O2. El NO disminuye el espesor de las paredes de los vasos sanguíneos, facilitando el transporte de oxígeno a los tejidos circundantes.
El monóxido de dinitrógeno (óxido nitroso) N2O(g) puede obtenerse en el laboratorio a partir de una interesante reacción de desproporción, la descomposición de NH4NO3(s) a temperaturas de 200-260 ºC:
NH4NO3(s) → N2O(g) + 2H2O(g)
El átomo de N en el NH4+ está en el estado de oxidación –3 y en el NO3- el estado de oxidación del N es de +5. En el N2O ambos átomos de N están en estado de oxidación +1. La disminución en el estado de oxidación de un átomo de N es compensada exactamente por el aumento en el estado de oxidación del otro, o cual permite ajustar muy fácilmente la ecuación redox.
El monóxido de nitrógeno (óxido nítrico), NO(g), se obtiene comercialmente mediante la oxidación catalítica del NH3 (primera reacción del proceso Ostwald). Otra fuente de NO, normalmente no deseada, son los procesos de combustión a altas temperaturas, tales como los que tienen lugar en los motores de los automóviles y en las plantas de energía eléctrica. Cuando el combustible se combina con el oxígeno del aire para producir una temperatura alta, el N2(g) y el O2(g) del aire caliente se combinan en cierta medida para formar NO(g):
N2(g) + O2(g) → 2 NO(g)
Con frecuencia se ve el óxido de nitrógeno marrón, NO2(g) en las reacciones del ácido nítrico. De interés para los químicos de la atmósfera es el papel clave que juega el NO2(g) en la formación de las nubes de contaminación fotoquímica.
Un problema medioambiental relacionado con los óxidos de nitrógeno: la nube de contaminación (el smog fotquímico).
Hace unos 100 años apareció una palabra nueva en la lengua inglesa: smog, nube de contaminación. Se refería a una situación, frecuente en Londres, en la que una combinación de humo (smoke) y niebla (fog) disminuía la visibilidad y producía riesgos para la salud (incluso mortales). Estas situaciones se asocian a menudo con la industria pesada. Este tipo de nueve de contaminación se llama ahora nube de contaminación industrial.
La forma de contaminación del aire que más corrientemente se considera como nube de contaminación procede de la acción de la luz solar sobre los productos de la combustión. Las reacciones químicas causadas por la luz se llaman reacciones fotoquímicas y la nube de contaminación formada por dichas reacciones es la nube de contaminación fotoquímica.
La nube de contaminación fotoquímica se origina a partir de procesos de combustión a altas temperaturas, como los que tienen lugar en los motores de los automóviles. Debido a que la combustión de la gasolina se realiza en el aire, en lugar de oxígeno puro, el NO(g) obtenido por la reacción directa entre O2(g) y N2(g) está inevitablemente presente en los escapes de los automóviles. Otros productos encontrados en los escapes son hidrocarburos (gasolinas sin quemar) e hidrocarburos parcialmente oxidados. Estos, después, son los materiales de partida, los precursores de la nube fotoquímica de contaminación.
Han sido identificadas muchas sustancias en el aire de la nube de contaminación, incluyendo NO, NO2, ozono y una variedad de compuestos orgánicos derivados de los hidrocarburos de la gasolina. El ozono es muy reactivo y es en gran parte el responsable de las dificultades respiratorias que experimentan algunas personas durante la nube de contaminación. Otra sustancia perjudicial encontrada en la nube de contaminación es un compuesto orgánico conocido como el nitrato de peroxacetilo (NPA). El NPA es un potente lacrimógeno, es decir, ocasiona la formación de lágrimas en los ojos. Los componentes de la nube de contaminación fotoquímica producen daños importantes en las cosechas y el deterioro de objetos de goma. Y, por supuesto, el síntoma mejor conocido de la nube de contaminación es el aire marrón brumoso que ocasiona una visibilidad reducida.
Los químicos que han estudiado la formación de nubes de contaminación fotoquímica desde hace varias décadas han establecido que los precursores citados anteriormente, se convierten en componentes observables de la nube de contaminación a través de la acción de la luz solar. Debido a que las reacciones químicas implicadas son muy complejas y todavía no totalmente conocidas, se dará solamente un esquema breve, simplificado, que muestre cómo se forma la nube de contaminación fotoquímica.
El precursor en la formación de la nube es el NO(g) producido por la reacción que tiene lugar en los motores de los automóviles:
N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) (1)
El NO(g) se convierte después en NO2(g), que absorbe radiación ultravioleta de la luz solar y se descompone:
NO2(g) + luz solar → NO(g) + O(g) (2)
Este proceso es seguido por la formación de ozono:
O + O2 → O3 (3)
Por lo tanto, una gran acumulación de ozono en la nube de contaminación fotoquímica precisa de una fuente abundante de NO2. En el pasado se pensó que esta fuente era la reacción:
2 NO + O2 → 2 NO2 (4)
Sin embargo, actualmente está bien establecido que la reacción anterior tiene lugar a una velocidad demasiado lenta para proporcionar los niveles requeridos de NO2 en la nube de contaminación fotoquímica. El NO se convierte rápidamente en NO2 cuando reacciona con O3:
O3 + NO → NO2 + O2 (5)
pero si bien esta reacción da cuenta de la formación del NO2 conduce a la destrucción del ozono. Así la formación de la nube de contaminación fotoquímica no puede tener lugar únicamente a través de la secuencia de reacción (1), (5), (2) y (3). El ozono debería consumirse tan rápidamente como se forma y por lo tanto no debería acumularse en absoluto.
Ahora se sabe que los compuestos orgánicos, especialmente los hidrocarburos sin quemar de los escapes automovilísticos, proporcionan una vía de conversión de NO a NO2. La secuencia de reacción siguiente explica algunos fragmentos moleculares extremadamente reactivos conocidos como radicales libres y representados por fórmulas escritas con un punto en negrita. RH representa una molécula de hidrocarburo, y R· es un fragmento de una molécula de hidrocarburo, un radical libre. Los átomos de oxígeno, fragmentos de la molécula de O2, se representan también como radicales libres, igual que los grupos hidroxilo, fragmentos de la molécula de agua.
RH + O· → R· + ·OH
RH + ·OH → R· + H2O
R· + O2 → RO2·
RO2· + NO → RO· + NO2
La etapa final de esta secuencia da cuenta de la conversión rápida de NO a NO2 que parece esencial para la formación de la nube de contaminación.
Para controlar la nube de contaminación, los automóviles está provistos ahora de un convertidor catalítico. El CO y los hidrocarburos son oxidados hasta CO2 y H2O en presencia de un catalizador de oxidación (como los metales platino o paladio) El NO debe ser reducido a N2, y esto requiere un catalizador de reducción. Un sistema de catalizador-dual utiliza ambos tipos de catalizadores. Alternativamente se utiliza una relación adecuada combustible-aire del motor para producir algo de CO e hidrocarburos sin quemar. Estos compuestos actúan después como agentes reductores para reducir el NO a N2:
2CO(g) + 2 NO(g) → 2 CO2(g) + N2(g)
A continuación, los gases de la combustión se pasan a través de un catalizador de oxidación que oxida los hidrocarburos sobrantes y el CO a CO2 y H2O. Las medidas de control futuras pueden incluir también la utilización de combustibles alternativos, tales como metanol o hidrógeno, y el desarrollo de automóviles movidos por energía eléctrica.