Introducción a la química

Términos

• Combustible, oxidante, masa de reacción o mezcla para uno o más motores (especialmente motores de combustión interna o motores a reacción) que se lleva dentro de un vehículo antes de su uso.
• OxidoUn compuesto químico binario de oxígeno con otro elemento químico.
• AniónUn ion con carga negativa, en contraposición a un catión.
• Energía de disociación de enlaceLa energía necesaria para separar dos átomos unidos por un enlace particular. Se expresa en términos de un mol de dichos átomos unidos. Indica la fuerza del enlace.

Estudio de los compuestos de nitrógeno y sus usos

Los compuestos de nitrógeno desempeñan un papel importante en muchos aspectos de la vida y de los procesos comerciales, desde la producción industrial de fertilizantes hasta los componentes básicos de la vida.

El triple enlace nitrógeno-nitrógeno en el N2 contiene 226 kcal/mol de energía, lo que lo convierte en uno de los enlaces más fuertes conocidos. Cuando se forma gas nitrógeno como producto de varias reacciones, la energía de enlace asociada al triple enlace N-N se libera, causando las propiedades explosivas que se observan en muchos compuestos de nitrógeno.

Aminas

El principal hidruro neutro de nitrógeno es el amoníaco (NH3), aunque también se suele utilizar la hidracina (N2H4). El amoníaco es más básico que el agua en 6 órdenes de magnitud. En solución, el amoníaco forma el ion amonio (NH4+). El pKa del cloruro de amonio es de 9,2. El amoníaco líquido (punto de ebullición 240 K) es anfiprótico (muestra un carácter ácido o básico de Brønsted-Lowry) y forma iones amonio y los menos comunes iones amida (NH2-). El amoníaco tiene un pKa de 38, por lo que los iones amida correspondientes son bases muy fuertes. Los compuestos alquílicos del amoníaco simple, doble, triple y cuádruplemente sustituidos se denominan aminas (cuatro sustituciones, para formar aminas cuaternarias comercial y biológicamente importantes, dan como resultado un nitrógeno cargado positivamente, y por tanto un compuesto soluble en agua).

Azidas

Otras clases de aniones de nitrógeno (iones cargados negativamente) son las azidas venenosas (N3-), que son lineales e isoelectrónicas al dióxido de carbono, pero que se unen a importantes enzimas que contienen hierro en el cuerpo de forma parecida al cianuro.

Óxidos de nitrógeno

Otra molécula de la misma estructura es el gas anestésico incoloro y relativamente inerte óxido nitroso (monóxido de dinitrógeno, N2O), también conocido como gas de la risa. Este es uno de los diversos óxidos de nitrógeno que forman una familia a menudo abreviada como NOx. El óxido nítrico (monóxido de nitrógeno, NO), es un radical libre natural utilizado en la transducción de señales tanto en plantas como en animales. El rojizo y venenoso dióxido de nitrógeno (NO2) contiene un electrón no apareado y es un componente importante del smog. Las moléculas de nitrógeno que contienen electrones no apareados muestran una tendencia a dimerizarse (emparejando así los electrones) y son, en general, muy reactivas. Los ácidos correspondientes son el nitroso (HNO2) y el ácido nítrico (HNO3), con las sales correspondientes llamadas nitritos y nitratos.

Compuestos de nitrógeno utilizados como explosivos y propulsores

Uno de los primeros usos de un compuesto de nitrógeno como explosivo fue el nitrato potásico, también llamado salitre, utilizado en la pólvora. Se trata de una mezcla de nitrato de potasio, carbono y azufre. Cuando la mezcla se enciende en un espacio cerrado, como un cañón de pistola o un fuego artificial, los iones de nitrato oxidan el carbono y el azufre en una reacción altamente exotérmica, produciendo gases de alta temperatura muy rápidamente. Esto puede propulsar una bala de un arma o provocar la explosión de un artefacto pirotécnico.

Los óxidos superiores, el trióxido de dinitrógeno (N2O3), el tetróxido de dinitrógeno (N2O4) y el pentóxido de dinitrógeno (N2O5), son inestables y explosivos, consecuencia de la estabilidad química del N2. Casi todos los motores de cohetes hipergólicos (es decir, que no requieren ignición) utilizan N2O4 como oxidante; sus combustibles, diversas formas de hidracina, también son compuestos de nitrógeno.

Estos motores se utilizaron ampliamente en naves espaciales como el transbordador espacial y las del Programa Apolo porque sus propulsores son líquidos a temperatura ambiente y la ignición se produce por contacto sin necesidad de un sistema de encendido, lo que permite muchas quemas controladas con precisión. El N2O4 es un intermedio en la fabricación del ácido nítrico HNO3, uno de los pocos ácidos más fuertes que el ion hidronio, y un agente oxidante bastante fuerte.

El nitrógeno destaca por la gama de compuestos explosivamente inestables que puede producir. El triyoduro de nitrógeno (NI3) es un explosivo de contacto extremadamente sensible. La nitrocelulosa, producida por la nitración de la celulosa con ácido nítrico, también se conoce como algodón para armas. La nitroglicerina, producida por la nitración de la glicerina, es el ingrediente explosivo peligrosamente inestable de la dinamita. El trinitrotolueno (TNT), un explosivo comparativamente estable pero menos potente, es el explosivo estándar con el que se mide la potencia de las explosiones nucleares. En todos los casos, las propiedades explosivas de los compuestos de nitrógeno se derivan de la extrema estabilidad del producto de estas reacciones: el nitrógeno molecular gaseoso, N2.

Compuestos de nitrógeno en fármacos y medicina

El nitrógeno es un componente de las moléculas de todas las clases principales de fármacos en farmacología y medicina. Recientemente se ha descubierto que el óxido nítrico (NO) es una importante molécula de señalización en la fisiología. El óxido nitroso (N2O) se descubrió a principios del siglo XIX como anestésico parcial, aunque no se utilizó como anestésico quirúrgico hasta más tarde. Llamado «gas de la risa», se descubrió que inducía un estado de desinhibición social parecido a la embriaguez.

Otras drogas notables que contienen nitrógeno son las derivadas de los alcaloides de las plantas, como la morfina. Se sabe que muchos alcaloides tienen efectos farmacológicos; en algunos casos, aparecen como defensas químicas naturales de las plantas contra la depredación. Entre los fármacos que contienen nitrógeno se encuentran las principales clases de antibióticos y los fármacos orgánicos con nitrato, como la nitroglicerina y el nitroprusiato, que regulan la presión arterial y la acción del corazón. Las aminas (derivados alquílicos del nitrógeno) son importantes en farmacología porque pueden llevar fácilmente una carga positiva, como las correspondientes especies de amonio protonado. Esto permite que haya interacciones electrostáticas entre el catión amonio y varias especies cargadas negativamente o polarizables en las proteínas.