- Configuració electrònica i valències
- Compostos de nitrogen
- Nomenclatura de compostos de nitrogen
- referències
Les valències de l'nitrogen van de l'-3, com en amoníac i amines, a l'+5 com en àcid nítric (Tyagi, 2009). Aquest element no s'expandeix valències com altres.
L'àtom de nitrogen és un element químic amb nombre atòmic 7 i el primer element de el grup 15 (antigament VA) de la taula periòdica. El grup consisteix en nitrogen (N), fòsfor (P), arsènic (As), antimoni (Sb), bismut (Bi) i moscovium (Mc).
Figura 1: diagrama de Bohr de l'àtom de nitrogen.
Els elements comparteixen certes similituds generals en el comportament químic, tot i que estan clarament diferenciats entre si químicament. Aquestes similituds reflecteixen característiques comunes de les estructures electròniques dels seus àtoms (Sanderson, 2016).
El nitrogen és present en gairebé totes les proteïnes i juga un paper important tant en aplicacions bioquímiques, com en aplicacions industrials. El nitrogen forma forts llaços per la seva capacitat de formar un triple enllaç amb un altre àtom de nitrogen i altres elements.
Per tant, hi ha una gran quantitat d'energia en els compostos de nitrogen. Abans de 100 anys enrere, poc se sabia sobre el nitrogen. Ara, el nitrogen s'utilitza comunament per conservar els aliments, i com a fertilitzant (Wandell, 2016).
Configuració electrònica i valències
En un àtom, els electrons omplen els diferents nivells segons les seves energies. Els primers electrons omplen els nivells d'energia baixa i després es mouen a un nivell d'energia més alt.
El nivell d'energia més extern en un àtom es coneix com a capa de valència i els electrons col·locats en aquesta capa són coneguts com electrons de valència.
Aquests electrons es troben principalment en la formació d'enllaços i en la reacció química amb altres àtoms. Per tant, els electrons de valència són responsables de diferents propietats químiques i físiques d'un element (Valence Electrons, SF).
El nitrogen, com es va esmentar abans, posseeix un nombre atòmic Z = 7. Això implica que la seva ompliment dels electrons en els seus nivells d'energia, o configuració electrònica, sigui 1S 2 2S 2 2P 3.
Cal recordar que en la naturalesa, els àtoms sempre busquen tenir la configuració electrònica de gasos nobles ja sigui guanyant, perdent o compartint electrons.
En el cas de l'nitrogen, el gas noble a què busca tenir configuració electrònica és el neó, el nombre atòmic és Z = 10 (1S 2 2S 2 2P 6) i l'heli, el nombre atòmic és Z = 2 (1S 2) (Reusch, 2013).
Les diferents formes que té el nitrogen de combinar-li donaran la seva valència (o estat d'oxidació). En el cas específic de l'nitrogen, per estar en el segon període de la taula periòdica, és incapaç d'expandir la seva capa de valència com ho fan els altres elements del seu grup.
És d'esperar que tingui valències de -3, +3 i +5. No obstant això, el nitrogen posseeix estats de valència que van des del -3, com en amoníac i amines, a +5, com en àcid nítric. (Tyagi, 2009).
La teoria de l'enllaç de valència ajuda a poder explicar la formació de compostos, segons la configuració electrònica de l'nitrogen per a un estat d'oxidació donat. Per això cal prendre en compte el nombre d'electrons en la capa de valència i quant falta per adquirir configuració de gas noble.
Compostos de nitrogen
Figura 2: estructura de l'nitrogen molecular amb valència 0.
Donat el seu gran nombre d'estats d'oxidació, el nitrogen pot formar una gran quantitat de compostos. En primera instància, cal recordar que en el cas de l'nitrogen molecular, per definició la seva valència és 0.
L'estat d'oxidació de -3 és un dels més comuns per a l'element. Exemples de compostos amb aquest estat d'oxidació són l'amoníac (NH3), les amines (R3N), l'ió amoni (NH 4 +), les imines (C = NR) i els nitrils (C≡N).
L'estat d'oxidació -2, el nitrogen queda amb 7 electrons en la seva capa de valència. Aquest nombre imparell d'electrons en la capa de valència explica per què els compostos amb aquest estat d'oxidació posseeixen un enllaç pont entre dues nitrogen. Exemples de compostos amb aquest estat d'oxidació són HIDRACINES (R 2 -NNR 2) i hidrazonas (C = NNR 2).
En l'estat d'oxidació -1, el nitrogen queda amb 6 electrons en la capa de valència. Exemple de compostos de nitrogen amb aquesta valència són la hidroxil amina (R 2 NOH) i els azocompuestos (RN = NR).
En els estats d'oxidació positius, el nitrogen generalment està unit a àtoms d'oxigen formant òxids, oxisals o oxoàcids. Per al cas de l'estat d'oxidació +1, el nitrogen posseeix 4 electrons en la seva capa de valència.
Són exemple de compostos amb aquesta valència l'òxid de dinitrogen o gas hilarant (N 2 O) i els compostos nitrós (R = NO) (Reusch, Oxidation States of Nitrogen, 2015).
Per al cas de l'estat d'oxidació de +2, és un exemple l'òxid de nitrogen o òxid nítric (NO), un gas incolor produït per la reacció de metalls amb àcid nítric diluït. Aquest compost és un radical lliure summament inestable ja que reacciona amb O 2 en l'aire per formar el gas NO 2.
Nitrit (NO 2 -) en solució bàsica i àcid nitrós (HNO 2) en solució àcida són exemples de compostos amb estat d'oxidació +3. Aquests poden ser agents oxidants per produir normalment NO (g) o agents reductors per formar el ió nitrat.
El triòxid de dinitrogen (N 2 O 3) i el grup nitro (R-NO 2) són altres exemples de compostos nitrogenats amb valència +3.
El diòxid nítric (NO 2) o diòxid de nitrogen és un compost de nitrogen amb valència +4. És un gas marró produït generalment per la reacció de l'àcid nítric concentrat amb molts metalls. Dimeriza per formar N 2 O 4.
En estat +5 trobem els nitrats i l'àcid nítric els quals són agents oxidants en solucions àcides. En aquest cas, el nitrogen posseeix 2 electrons en la capa de valència, els quals estan en l'orbital 2S. (Oxidation states of nitrogen, SF).
També hi ha compostos com la nitrosilazida i el triòxid de dinitrogen on el nitrogen presenta diversos estats d'oxidació en la molècula. En el cas de la nitrosilazida (N 4 O) el nitrogen posseeix valència -1, 0, +1 i +2; i en el cas de l'triòxid de dinitrogen, posseeix valència +2 i +4.
Nomenclatura de compostos de nitrogen
Donada la complexitat de la química dels compostos de nitrogen, la nomenclatura tradicional no n'hi havia prou per anomenar-los i molt menys identificar-los adequadament. És per això, entre altres raons, que la unió internacional de química pura i aplicada (IUPAC per les seves sigles en anglès) crec una nomenclatura sistemàtica on es nomena els compostos segons la quantitat d'àtoms que continguin.
Això és beneficiós a l'hora de nomenar els òxids de nitrogen. Per exemple l'òxid nítric es nomenaria monòxid de nitrogen i l'òxid nitrós (NO) monòxid de dinitrogen (N 2 O).
Addicionalment, en l'any de 1919, el químic alemany Alfred Stock va desenvolupar un mètode per nomenar els compostos químics basats en l'estat d'oxidació, el qual s'escriu en nombres romans tancat entre parèntesis. Així, per exemple l'òxid nítric i l'òxid nitrós es cridarien òxid de nitrogen (II) i òxid de nitrogen (I) respectivament (IUPAC, 2005).
referències
- (2005). Nomenclature OF Inorganic Chemistry IUPAC Recommendations 2005. Recuperat de iupac.org.
- Oxidation states of nitrogen. (SF). Recuperat de kpu.ca.
- Reusch, W. (2013, maig 5). Electron configurations in the Periodic Table. Recuperat de chemistry.msu.edu.
- Reusch, W. (2015, agost 8). Oxidation States of Nitrogen. Recuperat de chem.libretexts.org.
- Sanderson, RT (2016, desembre 12). Nitrogen group element. Recuperat de britannica.com.
- Tyagi, VP (2009). Essential Chemistry Xii. Nova Delhi: Ratna Sagar.
- Valence Electrons. (SF). Recuperat de chemistry.tutorvista.com.
- Wandell, A. (2016, desembre 13). Chemistry of Nitrogen. Recuperat de chem.libretexts.org.