Introduzione alla chimica

Termini

• propellenteCombustibile, ossidante, massa di reazione o miscela per uno o più motori (specialmente motori a combustione interna o a reazione) che viene portato all’interno di un veicolo prima dell’uso.
• ossidoUn composto chimico binario di ossigeno con un altro elemento chimico.
• anioneUno ione caricato negativamente, al contrario di un catione.
• energia di dissociazione dei legamiL’energia richiesta per separare due atomi uniti da un particolare legame. Espressa in termini di una mole di tali atomi legati. Indica la forza del legame.

Sondaggio dei composti dell’azoto e dei loro usi

I composti dell’azoto giocano un ruolo importante in molti aspetti della vita e dei processi commerciali, dalla produzione industriale di fertilizzanti ai mattoni della vita.

Il triplo legame azoto-azoto in N2 contiene 226 kcal/mol di energia, rendendolo uno dei più forti legami conosciuti. Quando l’azoto gassoso si forma come prodotto di varie reazioni, l’energia di legame associata al triplo legame N-N viene rilasciata, causando le proprietà esplosive viste in molti composti dell’azoto.

Ammine

Il principale idruro neutro dell’azoto è l’ammoniaca (NH3), sebbene anche l’idrazina (N2H4) sia comunemente usata. L’ammoniaca è più basica dell’acqua di 6 ordini di grandezza. In soluzione, l’ammoniaca forma lo ione ammonio (NH4+). Il pKa del cloruro di ammonio è 9,2. L’ammoniaca liquida (punto di ebollizione 240 K) è anfiprotica (mostra un carattere acido o basico di Brønsted-Lowry) e forma l’ammonio e i meno comuni ioni ammide (NH2-). L’ammoniaca ha un pKa di 38, rendendo i corrispondenti ioni ammide delle basi molto forti. I composti alchilici singolarmente, doppiamente, triplamente e quadruplamente sostituiti dell’ammoniaca sono chiamati ammine (quattro sostituzioni, per formare ammine quaternarie commercialmente e biologicamente importanti, danno come risultato un azoto positivamente carico, e quindi un composto solubile in acqua).

Azidi

Altre classi di anioni azotati (ioni caricati negativamente) sono i velenosi azidi (N3-), che sono lineari e isoelettronici al diossido di carbonio, ma che si legano a importanti enzimi contenenti ferro nel corpo in un modo simile al cianuro.

Ossidi di azoto

Un’altra molecola della stessa struttura è il protossido di azoto (monossido di dinitrogeno, N2O), incolore e relativamente inerte, noto anche come gas esilarante. Questo è uno di una varietà di ossidi di azoto che formano una famiglia spesso abbreviata come NOx. L’ossido nitrico (monossido di azoto, NO), è un radicale libero naturale usato nella trasduzione dei segnali sia nelle piante che negli animali. Il diossido di azoto (NO2), rossastro e velenoso, contiene un elettrone spaiato ed è un componente importante dello smog. Le molecole di azoto che contengono elettroni spaiati mostrano una tendenza a dimerizzare (accoppiando così gli elettroni), e sono, in generale, altamente reattive. Gli acidi corrispondenti sono l’acido nitroso (HNO2) e l’acido nitrico (HNO3), con i sali corrispondenti chiamati nitriti e nitrati.

Composti dell’azoto usati come esplosivi e propellenti

Uno dei primi usi di un composto dell’azoto come esplosivo fu il nitrato di potassio, chiamato anche salnitro, usato nella polvere da sparo. Questo è una miscela di nitrato di potassio, carbonio e zolfo. Quando la miscela viene accesa in uno spazio chiuso, come una canna da fuoco o un fuoco d’artificio, gli ioni di nitrato ossidano il carbonio e lo zolfo in una reazione altamente esotermica, producendo gas ad alta temperatura molto rapidamente. Questo può spingere un proiettile fuori da una pistola o far esplodere un fuoco d’artificio.

Gli ossidi superiori, triossido di diazoto (N2O3), tetrossido di diazoto (N2O4) e pentossido di diazoto (N2O5), sono instabili ed esplosivi, una conseguenza della stabilità chimica di N2. Quasi tutti i motori a razzo ipergolici (cioè che non richiedono l’accensione) usano N2O4 come ossidante; i loro combustibili, varie forme di idrazina, sono anch’essi composti dell’azoto.

Questi motori sono stati ampiamente usati su veicoli spaziali come lo space shuttle e quelli del programma Apollo perché i loro propellenti sono liquidi a temperatura ambiente e l’accensione avviene al contatto senza un sistema di accensione, permettendo molte combustioni precisamente controllate. N2O4 è un intermedio nella fabbricazione dell’acido nitrico HNO3, uno dei pochi acidi più forti dello ione idronio, e un agente ossidante abbastanza forte.

L’azoto è notevole per la gamma di composti esplosivamente instabili che può produrre. Il triioduro di azoto (NI3) è un esplosivo da contatto estremamente sensibile. La nitrocellulosa, prodotta dalla nitrazione della cellulosa con acido nitrico, è conosciuta anche come guncotton. La nitroglicerina, prodotta dalla nitrazione della glicerina, è l’ingrediente esplosivo pericolosamente instabile della dinamite. L’esplosivo relativamente stabile, ma meno potente, il trinitrotoluene (TNT) è l’esplosivo standard con cui si misura la potenza delle esplosioni nucleari. In tutti i casi, le proprietà esplosive dei composti dell’azoto derivano dall’estrema stabilità del prodotto di queste reazioni: l’azoto molecolare gassoso, N2.

Composti dell’azoto nei farmaci e nella medicina

L’azoto è un costituente delle molecole di tutte le principali classi di farmaci in farmacologia e medicina. L’ossido nitrico (NO) è stato recentemente scoperto essere un’importante molecola di segnalazione in fisiologia. Il protossido d’azoto (N2O) è stato scoperto all’inizio del XIX secolo come anestetico parziale, anche se non è stato usato come anestetico chirurgico fino a più tardi. Chiamato “gas esilarante”, si è scoperto che induceva uno stato di disinibizione sociale simile all’ubriachezza.

Altri notevoli farmaci contenenti azoto sono quelli derivati da alcaloidi vegetali, come la morfina. Molti alcaloidi sono noti per avere effetti farmacologici; in alcuni casi, appaiono come difese chimiche naturali delle piante contro la predazione. I farmaci che contengono azoto includono tutte le principali classi di antibiotici, e farmaci organici nitrati come la nitroglicerina e il nitroprussiato che regolano la pressione sanguigna e l’azione del cuore. Le ammine (derivati alchilici dell’azoto) sono importanti in farmacologia perché possono facilmente portare una carica positiva, come le corrispondenti specie di ammonio protonato. Questo permette interazioni elettrostatiche tra il catione ammonio e varie specie caricate negativamente o polarizzabili nelle proteine.