Azoto
L'azoto � l'elemento chimico di numero atomico 7. Il suo simbolo � N.
Cenni Storici
Daniel Rutherford, un allievo di Black, � considerato lo scopritore dell'azoto, nonostante fu contemporaneamente scoperto da Pristley,Scheele e Cavendish. Black, scopritore dell'aria fissa (anidride carbonica), aveva osservato che bruciando una sostanza "carboniosa" in un recipiente chiuso e assorbendo l'anidride carbonica che si sviluppa con potassa caustica (KOH), permane un residuo gassoso. Rutherford studiò questo gas nel 1772, notò che non mantiene la combustione e la respirazione, che contrariamente all'anidride carbonica non viene assorbito da sostanze caustiche, ma non lo riconobbe come una distinta specie chimica e lo considerò come aria atmosferica saturata con flogisto. Fu Lavoisier a riconoscere che l'aria � una miscela di un gas attivo, che cio� mantiene la combustione e la respirazione (l'ossigeno) e un gas inattivo (l'azoto). Azoto deriva dal francese azot�, voce formulata dallo stesso Lavoiser che significa privo di vita (dal greco a- + -zo�). Fu parallelamente adottata la denominazione nitrog�ne (generatore di nitron), proposta da Chaptal; da questo nome deriva il simbolo N. Nella lingua inglese si � conservata la denominazione nitrogen, mentre in tedesco viene chiamato stickstoff.
Chimica Nucleare
La massa atomica relativa dell'azoto � 14.0067, sono noti due isotopi stabili 14N (99.63%) e 15N (0.37%), sono noti anche gli isotopi radioattivi con tempo di dimezzamento brevissimo, 12N, 13N, 16N, 17N, 18N, 19N, 20N, 21N, 22N, 23N e 24N.
| Nuclide | Abbondanza | Massa | Spin | Emivita | Decadimento |
| 12N | - | 12.0186 | 1 | 0.011s | β+ |
| 13N | - | 13.0057 | 1/2 | 9.97m | β+ |
| 14N | 99.63 | 14.0031 | 1 | - | - |
| 15N | 0.37 | 15.0001 | 1/2 | - | - |
| 16N | - | 16.0061 | 2 | 7.13s | β- |
| 17N | - | 17.0084 | 1/2 | 4.17s | β- |
| 18N | - | 18.0141 | 1 | 0.62s | β- |
| 19N | - | 19.0170 | n.m. | 0.3s | β- |
| 20N | - | 20.0237 | n.m. | 0.1s | β- |
| 21N | - | 21.0270 | 1/2 | 87ms | β- |
| 22N | - | 22.0344 | n.m. | 18ms | β- |
| 23N | - | 23.0405 | n.m. | >200ns | n |
| 24N | - | 24.0505 | n.m. | <52ns | n |
Reazioni nucleari
Ernest Rutherford nel 1919 osservò la prima transmutazione realizzata in laboratorio. Egli fece passare le particelle alfa generate da un radionuclide naturale attraverso una camera contenente atomi di azoto. Scoprì che veniva prodotta un'altra radiazione, pi� penetrante. Egli dimostrò che questa nuova radiazione consisteva di protoni di alta energia e concluse che questo era il risultato della conversione dei nuclei di azoto in nuclei di ossigeno. Rutherford ipotizzò che la cattura di una particella alfa da parte del nucleo dell'azoto produce un nucleo eccitato di fluoro-18, che a sua volta emette un protone formando nuclidi di ossigeno-17, un isotopo raro ma stabile
- α + 14N → 18F* → 17O + p
- 14N + n → 14C + p ΔE = -1.14MeV
Poich� il carbonio-14 viene largamente impiegato come tracciante, lo si produce artificialmente sfruttando la stessa reazione.
Se i neutroni hanno energia molto elevata la reazione può decorrere in modo differente dando luogo a trizio:
- 14N + n → 12C + 3H ΔE = 4.015MeV
- 14N + n → 15N* → 15N + γ ΔE = -10.83MeV
| Ciclo del carbonio |
| 12C + p → 13N + γ 13N → 13C + e+ + v 13C + p → 14N + γ 14N + p → 15O + γ 15O → 15N + e+ + v 15N + p → 12C + α |
I nuclidi dell'azoto giocano un ruolo importante nel ciclo del carbonio, una serie di reazioni nucleari che avviene nelle stelle della sequenza principale quando vi � una sufficiente quantità di 12C.
Nella nostra stella non vi � ancora una temperautura abbastanza elevata
da produrre una sufficiente quantità di 12C perch� questo ciclo sia competitivo nei confronti del ciclo protone-protone (vedi idrogeno).
Separazione isotopica
15NO(g) + 14NO3-(aq) ⇄ 14NO(g) + 15NO3-(aq) K = 1.055
15NH3(g) + 14NH4+(aq) ⇄ 14NH3(g) + 14NH4+(aq)
15NO(g) + 14NO2(g) ⇄ 14NO(g) + 15NO2(g)
L'acido nitrico, l'ammoniaca, i sali di ammonio, l'azoto molecolare, gli ossidi NO e NO2, sono disponibili in commercio con diversi gradi di arricchimento dell'isotopo 15N; da questi si possono ottenere i traccianti impiegati in numerosi ambiti di ricerca, molti dei quali sfruttano le tecniche di risonanza magnetica nucleare.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare
Entrambi gli isotopi stabili dell'azoto (14N e 15N) hanno spin nucleare e possono dunque essere sfruttati nelle tecniche di NMR. La sensibilità con cui può essere rivelato 14N � di circa un millesimo rispetto a quella di 1H, ma superiore di circa 5 volte rispetto a quella di 13C. Per 15N � notevolemente inferiore sia a 1H che a 13C. 14N ha inoltre un momento di quadrupolo nucleare che comporta l'allargamento delle linee, un inconveniente che può indurre in taluni casi a preferire 15N nonostante la scarsa abbondanza e la minore sensibilità.
Gli studi NMR dei nuclidi di azoto hanno ormai acquisito notevole importanza e versatilità, il loro impiego spazia dall'indagine strutturale a quella sui meccanismi di reazione, dal riconoscimento di nuove specie allo studio della natura dei legami di specie contenenti azoto.
Abbondanza e disponibilità
L'azoto � il quinto elemento pi� abbondante nell'universo, il 19° sulla crosta terrestre, di cui costituisce lo 0.03% e il quarto nel corpo umano, di cui costituisce il 3%.
Sotto forma di molecola diatomica, N2 , � il costituente principale dell'atmosfera (78.08% in volume, nell'atmosfera di Marte costituisce il 2.6% in volume ).
È poi contenuto in depositi minerali come nitrato, soprattutto NaNO3 (salnitro del Cile, derivato del guano), ma anche KNO3, Ca(NO3)2 e Mg(NO3)2; questi sali, tutti di derivazione biologica, sono solubili in acqua e giacimenti si trovano solo in zone particolarmente aride.
È inoltre presente in tutti gli organismi viventi in numerosissime molecole quali DNA, proteine, ATP, etc., e dunque anche nei residui fossili, in particolare il carbone contiente di norma quantità significative di ammoniaca (NH3) e di N2.
L'azoto � contenuto, come ione ammonio, nei minerali rari buddingtonite e tobelite.
Ancora pi� rari sono i nitruri osbornite, carlbergite, roaldite, nierite e sinoite rinvenuti in meteoriti e il siderazoto di origine vulcanica (Vesuvio).
Caratteristiche atomiche
L'azoto � il primo elemento del 15° gruppo della tavola periodica.
| Configurazione elettronica fondamentale | 1s22s22p3 |
| Stati | 4S, 2D, 2P |
| Energia di 1° ionizzazione (eV) | 14.534 |
| Energia di 2° ionizzazione (eV) | 29.601 |
| Energia di 3° ionizzazione (eV) | 47.448 |
| Energia di 4° ionizzazione (eV) | 77.462 |
| Energia di 5° ionizzazione (eV) | 97.880 |
| Energia di 6° ionizzazione (eV) | 552.061 |
| Energia di 7° ionizzazione (eV) | 667.033 |
| Affinità elettronica (eV) | -0.07 |
| Elettronegatività (Pauling) | 3.04 |
| Elettronegatività (Mulliken) | 3.08 |
| Elettronegatività (Allred-Rochow) | 3.07 |
| Polarizzabilità | - |
| Raggio atomico (Å) | 0.74 |
| Raggio ionico (Å) | N3- 1.71 |
| Raggio di Van Der Waals (Å) | 1.55 |
L'atomo di azoto ha 5 elettroni nel guscio di valenza, lo stato elettronico fondamentale � 4S.
L'energia di 1° ionizzazione ha un valore particolarmente elevato, contrariamente a quanto si potrebbe prevedere dall'andamento periodico � maggiore del valore per l'ossigeno. Anche l'affinità elettronica assume un valore che devia, in questo caso in maniera molto pi� marcata, dalla periodicità della proprietà, presentando addirittura un valore negativo.
Questi dati si ripresentano per tutti gli elementi del gruppo, anche se in misura pi� sfumata man mano che aumenta il numero atomico e possono essere giustificati, nell'ambito del modello orbitalico, considerando che gli elettroni nello stato fondamentale dell'atomo di azoto si dispongono riempiendo per metà il guscio p. Tale disposizione, con un solo elettrone per ogni orbitale p minimizza le repulsioni interelettroniche e rende relativamente stabile l'atomo rispetto sia alla perdita che al guadagno di un elettrone.
Per quanto riguarda invece l'elettronegatività e il raggio atomico i valori rispettano bene la regolarità dell'andamento periodico.
L'azoto atomico può essere prodotto da N2, a bassa pressione, con scariche elettriche.
Ha un tempo di vita relativamente lungo perch� la ricombinazione ha ordine di reazione 3
- N(g) + N(g) + M(g) → N2(g) + M*(g)
La costante di velocità a 298K � 1.25×10-32 cm6molecole-2s-1. La ricombinazione dev'essere necessariamente del 3° ordine per via dell'elevata esotermicità della reazione, � indispensabile che una terza specie chimica assorba l'energia sviluppata, altrimenti il sistema dissocierebbe nuovamente. Come � facile immaginare l'azoto atomico � estremamente reattivo, per esempio:
- reagisce gli idrocarburi formando HCN, RCN e C2N2
- con O2 formando NO e NO2
- con H2 dà ammoniaca
- con CO2 dà NO e CO
Allotropi
L'unico allotropo rilevato in natura � la molecola diatomica N2, che viene di norma chiamato semplicemente azoto o pi� formalmente diazoto. Dal 1890 � nota la specie chimica N3- , chiamato ione azoturo, tende a formare composti esplosivi con metalli: gli azoturi di piombo, mercurio e bario, per esempio, vengono impiegati nelle capsule di detonazione. Recentemente � stata riportata la sintesi della specie N5+ in ambiente superacido. Nonostante appaia piuttosto rischioso, il prossimo passo potrebbe essere la combinazione di N3- e N5+ per preparare un "sale" che contenga solo azoto. Sarebbe sorprendente scoprire che una tale forma allotropica dell'azoto sia stabile. È stata inoltre proposta la possibile esistenza di cluster di atomi di azoto simili ai fullereni sulla base di calcoli quantomeccanici, che risulta però difficoltoso verificare sperimentalmente.
Metodi di preparazione
In laboratorio l'azoto si può ottenere sottraendo ossigeno all'aria facendola passare attraverso fili di rame al calor rosso; si può anche, e questa � un'area di ricerca in forte crescita, separare azoto e ossigeno sfruttando membrane permeabili all'ossigeno ma non all'azoto. Un'altro metodo di preparazione � la decomposizione termica di alcuni sali che lo contengono, per esempio:
- NH4NO2(aq) → N2(g) + H2O
- 2NaN3(s) → 3N2(g) + 2Na(s)
I metodi usati sono:
- reazione con piccole quantità di idrogeno su catalizzatore di platino;
- passaggio del gas su rame al calor rosso;
- passaggio del gas attraverso soluzione riducente (p.e.contenente V2+ o Cr2+).
Caratteristiche fisiche e chimico fisiche di N2
Strutturali
| Gruppo puntuale | D∞h |
| Distanza di legame(pm) | 14N2 110.010 14N15N 110.003 15N2 109.998 |
| Massa molecolare (u.a.) | 14N2 28.0062 14N15N 29.0032 15N2 30.0002 |
| Momenti d'inerzia 14N2(g m2) | Ia = 0 Ib = 1.407×10-43 Ib = 1.407×10-43 |
Elettroniche
| Configurazione elettronica | (σg1s)2(σu*1s)2(σg2s)2(σu*2s)2(πu2p)4(σg2p)2 |
| Stati | 1Σg+ |
| Energia di legame 14N2(KJ mol-1) | 941.7 |
| Energia di ionizzazione (eV) | 15.59 |
| Momento di dipolo (Debye) | 0 |
| Polarizzabilità (10-30m3) | 1.77 |
Spettro UPS
Il primo picco che si osserva nello spettro fotoelettronico UPS He I , quello a 15.59eV, porta a N2+ (2Σg+) strappando un elettrone dall'orbitale σg2p. Mostra una struttura vibrazionale molto modesta, vi � solo un debole picco secondario distanziato dal primo di circa 0.267eV, quindi la costante vibrazionale di N2+ (2Σg+) � 1906.87 N m-1. E' un valore inferiore a quello di N2 ma ancora elevato, sintomo del fatto che il contributo legante dell'orbitale σg2p � scarso.
Il secondo picco, che porta a N2+ (2Πu), presenta invece una struttura vibrazionale molto marcata. Si può notare che il picco pi� intenso della serie � quello del primo stato vibrazionale eccitato, ciò significa che la distanza di legame in N2+ (2Πu) � sensibilmente superiore a quella di N2 (1Σg+). L'espulsione di un elettrone πu2p comporta quindi un importante indebolimento del legame, come si può anche dedurre dalla separazione dei livelli vibrazionali di N2+ (2Πu)
che � di circa 0.224eV, con una costante vibrazionale che questa volta diminuisce decisamente (1351.46 N m-1).
L'ultimo picco che si può osservare in UPS � a 18.75eV, porta a N2+ (2Σu+), la struttura vibrazionale � simile a quella del primo picco, questa volta la separazione dei livelli vibrazionali � 0.296eV e quindi la costante vibrazionale uguale a 2356.35 N m-1. E' un valore superiore a quello di N2 (1Σg+) e infatti l'elettrone espulso proviene da un orbitale debolmente antilegante (σu*2s).
Spettroscopiche
| Costante rotazionale 14N2(cm-1) | 1.9987 |
| Costante della distrosione centrifuga al 1° ordine (cm-1) | 5.744×10-6 |
| Frequenza vibrazionale fondamentale 14N2(cm-1) | 2358.07 |
| Energia di punto zero 14N2(eV) | 0.1462 |
| Costante vibrazionale 14N2(N m-1) | 2293.8 |
Il piccolo valore della costante al 1° ordine della correzione centrifuga e l'elevata costante vibrazionale sono indici di una notevole rigidità della molecola e sono coerenti con l'elevata energia di legame e con l'ordine di legame uguale a 3.
Mentre lo spettro rotazionale Raman della molecola 14N15N, di simmetria C∞v, presenta intensità concordi con quanto ci si aspetterebbe dalla distribuzione di Boltzmann, la molecola 14N2, di simmetria D∞h, mostra le tipiche alternanze (in questo caso I = 1 quindi Jdispari : Jpari = 1 : 2) dovute alla statistica nucleare che possono essere interpretate solo alla luce del principio di Pauli.
Termodinamiche
| Punto di fusione (p = 1bar) | 63.179K |
| Entalpia di fusione (KJ mol-1) | 0.719 |
| Punto di ebollizione (p = 1bar) | 77.244K |
| Entalpia di vaporizzazione (KJ mol-1) | 5.586 |
| Entropia molare a 298K (J K-1 mol-1) | 191.61 |
| Cp,m a 298K (J K-1 mol-1) | 29.125 |
| Cv,m a 298K (J K-1 mol-1) | 20.818 |
| Coefficiente di Joule-Thompson a 298K (K atm-1) | 0.27 |
Stato gassoso
| Densità (Kg m-3, 1bar, 298K) | 1.1308 |
| Temperatura critica | 126.3K |
| Pressione critica (atm) | 33.54 |
| Volume critico (cm3 mol-1) | 90.10 |
| Collision cross section (nm2) | 0.43 |
| Parametro a dell'eq. di Van Der Waals (atm L2 mol-2) | 1.408 |
| Paremetro b dell'eq. di Van Der Waals ( 10-2L mol-1) | 3.913 |
| Paremetro ε del potenziale di Lennard-Jones (K/k) | 91.85 |
| Paremetro r0 del potenziale di Lennard-Jones (pm) | 391.9 |
| Costante della legge di Henry a 298K (K/torr) per H2O | 6.51×10-7 |
| Entalpia di fisisorbimento (max osservata) (KJ mol-1) | -21 |
| Entalpia di chemisorbimento (KJ mol-1) | Ta -589 Fe -293 |
Stato solido
Sono state osservate sei fasi solide dell'azoto, denominate alfa, beta, gamma, delta, epsilon e zeta. A pressioni inferiori a 3500bar esistono solo le fasi alfa e beta. La temperatura di transizione tra le due fasi alla pressione di 1 bar � 36.61K. La fase alfa, quella che esiste a minor temperatura, ha un reticolo cubico a facce centrate (a=5.660Å), mentre la fase beta un reticolo esagonale(a=4.036Å e c=6.630Å). La fase gamma ha un reticolo tetragonale a corpo centrato. Le altre fasi sono stabili solo a pressioni superiori a 20000bar. Il diagramma di stato delle fasi solide di N2 si può vedere alla pagina [1]. Sopra l'incredibile pressione di 1.5Mbar vi � una fase semiconduttrice. Studi strutturali accurati non sono ancora stati eseguiti, ma da misure spettroscopiche si può dedurre che non siano pi� presenti molecole N2. E' possibile che nel nucleo di Giove vi sia azoto in questa forma.
Proprietà di trasporto
Nelle condizioni di 1 bar e 298K, e quindi in fase gassosa.
| Conduttività termica (W m-1 s-1) | 0.025724 |
| Conduttività elettrica | - |
| Viscosità (μP) | 178.05 |
| Velocità del suono (m s-1) | 351.98 |
Nelle condizioni di 1 bar e alla temperatura di ebollizione(77.244K) in fase liquida.
| Conduttività termica (W m-1 s-1) | 0.14605 |
| Conduttività elettrica | - |
| Viscosità (μP) | 1613.7 |
| Velocità del suono (m s-1) | 852.53 |
Proprietà chimiche
Reattività di N2
La molecola N2 � incolore, inodore e insapore. Presenta un'eccezionale inerzia chimica, dovuta principalmente alla elevata energia di legame, alla scarsa polarizzabilità e all'assenza di momento dipolare. Le uniche reazioni note di N2 a temperatura ambiente sono:1. L'ossidazione del litio metallico:
- 1/2N2(g) + 3Li(s) → Li3N(s)
2. La coordinazione di alcuni complessi metallici:
- [Ru(NH3)5(H2O)]2+(aq) + N2(g) → [Ru(NH3)5(N2)]2+(aq) + H2O
- WCl4(PMe2Ph)2 + 2N2(g) + 2PMe2Ph + 4Na(Hg) → W(PMe2Ph)4(N2)2 + 4NaCl
- MoCl5 + 4(PR3) + 2N2(g) + 5Na(Hg) → trans-Mo(N2)2(PR3)4 + 5NaCl
3. Fissazione biologica.
A temperature elevate N2 mostra una reattività maggiore combinandosi direttamente con berillio, magnesio, calcio, stronzio, bario, torio, uranio, alluminio, scandio, titanio, vanadio, cromo, manganese, ittrio, zirconio, afnio, molibdeno, tungsteno e tutti i lantanoidi con formazione dei rispettivi nitruri.
La reazione che pi� � stata studiata per via dell'enorme interesse pratico � la sintesi dell'ammoniaca secondo il processo Haber:
- N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
Ogni anno circa 50 milioni di tonnellate di azoto vengono convertiti in ammoniaca.
Prima della messa a punto del processo Haber uno dei metodi utilizzati per la fissazione dell'azoto era la reazione con carburo di calcio per dare calcio cianammide:
- CaC2(s) + N2(g) → CaNCN(s)
Ma il primo metodo industriale per la fissazione dell'azoto, proposto dall'inglese Crookes e poi migliorato dai norvegesi Birkeland e Eyde, era basato sull'ossidazione da parte dell'ossigeno:
- N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ΔrH°(298K) = 90.29KJ mol-1
Questa reazione � responsabile ogni anno della conversione di circa 30 milioni di azoto in monossido e diossido; 20 milioni di tonnellate sono prodotte nelle combustioni, soprattutto nei motori a scoppio delle automobili, mentre circa 10 milioni di tonnellate a causa dei fulmini.
Questo fenomeno influisce notevolmente sulla chimica dell'atmosfera.
Nella troposfera gli ossidi di azoto catalizzano la formazione di ozono secondo il seguente ciclo:
- NO2(g) + hν(λ<400nm) → O(g) + NO(g)
- O(g) + O2(g) + M(g) → O3(g) + M*(g)
- NO(g) + 1/2O2(g) → NO2(g)
Nella stratosfera invece, gli ossidi di azoto possono distruggere lo strato di ozono necessario per l'assorbimento della radiazione UV di alta frequenza:
- NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g)
- NO2(g) + O(g) → NO(g) + O2(g)
Gli ossidi di azoto sono inoltre tra i maggiori responsabili dell'elevata acidità delle piogge in alcune aree particolarmente sottoposte a inquinamento atmosferico. Infatti il diossido reagisce con l'acqua formando acido nitrico:
- 3NO2(g) + H2O(g) → 2HNO3(g) + NO(g)
Considerazioni generali sulla chimica dell'azoto
Stereochimica
| Numero di coordinazione | Geometria | Esempi |
| 0 | azoto atomico | |
| 1 | NO, N2, C2N2, CN-, RCN, NNO | |
| 2 | lineare | HNNN, NO2+ |
| angolare | NO2-, NH2-, FNO, NO2 | |
| 3 | piramidale | NH3, N2H2, Ammine, NCl3 |
| planare | HNO3, ClNO2 | |
| 4 | tetraedrica | NH4+, NF3O, NF4+ |
| 5 | bipiramide trigonale | [N(AuPPh3)5]+ |
| 6 | ottaedrica | nitruri interstiziali |
| 8 | cubica | nitruri ternari |
Legami a idrogeno
Chimica redox in soluzione acquosa
| Semi-reazione di riduzione | E°/V |
| H2N2O2 + 2H+ + 2e- → N2 + 2H2O | align=center |
| HN3 + 3H+ + 2e- → NH4+ + N2 | +1.96 |
| N2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O | +1.77 |
| NO+ + e- → NO | 1.46 |
| 2NH3OH+ + H+ + 2e- → 2N2H5+ + 2H2O | +1.42 |
| NH3OH+ + 2H+ + 2e- → NH4+ + H2O | +1.35 |
| HNO2 + 4H+ + 4e- → N2O + 3H2O | +1.29 |
| N2H5+ + 3H+ + 2e- → 2NH4+ | +1.275 |
| N2O4 + 2H+ + 2e- → 2HNO2 | +1.065 |
| N2O4 + 4H+ + 2e- → 2NO + 2H2O | +1.035 |
| HNO2 + H+ + e- → NO + H2O | +0.983 |
| NO3- + 4H+ + 3e- → NO + 2H2O | +0.957 |
| NO3- + 3H+ + 2e- → HNO2 + H2O | +0.94 |
| 2HNO2 + 4H+ + 4e- → H2N2O2 + 2H2O | +0.86 |
| 2NO3- + 4H+ + 2e- → N2O4 + 2H2O | +0.803 |
| 2NO + 2H+ + 2e- → H2N2O2 | +0.712 |
| HN3 + 11H+ + 8e- → 3NH4+ | +0.695 |
| H2N2O2 + 6H+ + 4e- → 2NH3OH+ | +0.387 |
| N2 + 5H+ + 4e- → N2H5+ | align=center |
| 3/2N2 + H+ + e- → HN3 | align=center |
Composti dell'azoto
Meritano una menzione particolare i composti pi� importanti.
- Ammoniaca
- Idrazina
- Monossido di diazoto
- Monossido di azoto
- Diossido di azoto
- Acido nitrico
- Nitrati
- Nitriti
- Urea
- Amminoacidi
Impieghi
La maggior parte dell'azoto prodotto � destinato alla sintesi dell'ammoniaca, da cui saranno poi preparati fertilizzanti, polimeri, esplosivi, coloranti, etc. (per maggiori informazioni vedere la pagina ammoniaca).
Grandi quantità sono anche destinate alle applicazioni criogeniche e per la creazione di atmosfere inerti.
Applicazioni criogeniche
Industria alimentare
Industria chimica
Ricerca scientifica
In numerosi campi della ricerca scientifica � necessario operare a basse temperature, l'azoto liquido si dimostra il mezzo pi� conveniente per soddisfare la bisogna quando la temperatura richiesta non � inferiore a -192°C. Per esempio viene usato nello studio dei superconduttori e in tutte le loro applicazioni (p.e. SQUID, NMR, acceleratori di particelle, etc.). Nella diffrazione dei raggi X se si mantiene il campione a bassa temperatura si limita il moto vibrazionale e si permette una maggior risoluzione della misura. Anche in spettroscopia e in astronomia si possono ottenere misure a maggior risoluzione grazie all'azoto liquido, questa volta raffreddando il detector per minimizzare il rumore di fondo.
Tecnologie edili
Nello scavo di tunnel o pozzi in terreni umidi si può adottare l'accorgimento di congelare il terreno per prevenire allagamenti e permettere quindi agli addetti di lavorare in condizioni di sicurezza.
Metallurgia
In metallurgia e siderurgia si impiega l'azoto liquido per raffreddare le scorie, per la tempra criogenica, nel calettamento e in particolari tecniche di estrusione.
Tecnologie ambientali
Tecnologie mediche
Nella chirurgia dermatologica la crioterapia ha dimostrato di essere una buona alternativa al laser o alla chirurgia classica nel trattamento di numerose patologie. Insieme all'anidride carbonica, l'azoto liquido � uno dei criogeni pi� usati anche in questo campo.
Viene anche usato per la conservazione degli organi destinati ai trapianti e a quella del sangue per le trasfusioni
Altre minori applicazioni
In alcuni rari casi l'azoto liquido � stato adottato per raffreddare componenti hardware di supercomputer, questa soluzione tecnica viene però oggi usata solo in campo amatoriale.
Per una raccolta di applicazioni non convenzionali e bizzarre dell'azoto liquido si veda la pagina [1]
Applicazioni per atmosfere inerti
L'azoto � particolarmente indicato per la creazione di atmosfere inerti in diversi ambiti industriali e tecnologici in virt� della sua scarsa reattità, dell'abbondanza e del basso costo. Viene dunque preferito all'argon, gas che offre in assoluto le prestazioni migliori, in quasi tutte le applicazioni a temperatura ambiente, talvolta anche alle alte temperature.
Industria chimica e petrolchimica
In diverse reazioni chimiche, condotte sia nell'industria che nei laboratori, � richiesta un'atmosfera prima di ossigeno affinch� si giunga ai prodotti desiderati. Grandi quantità di azoto vengono riservate per questo scopo.
L'azoto viene anche impiegato per le bonifiche e le polmonazioni di reattori e serbatoi, sempre per evitare che i composti contenuti possano reagire, anche in maniera esplosiva, con l'ossigeno dell'aria.
Nella lavorazione delle materie plastiche si usa l'azoto per la produzione di polimeri espansi e nello stampaggio ad iniziezione assistito da gas.
Metallurgia
- Nell'annealing, di acciai, rame, alluminio e altri metalli e leghe; in alcuni processi � necessaria una diluizione con argon.
- Nella sinterizzazione di acciaio e alluminio.
- Come costituente delle miscele nella carbocementazione in fase gassosa degli acciai.
- Nella protezione durante la brasatura, il taglio e la saldatura; i metalli pi� reattivi nei confronti dell'azoto, per esempio titanio e zirconio, necessitano l'argon come gas protettivo.
Industria alimentare
L'azoto � largamente impiegato, puro o in miscela, nella conservazione in atmosfera protettiva di prodotti alimentari industriali. Miscele particolarmente ricche d'azoto sono usate nella protezione di alimenti in cui i grassi insaturi sono presenti in quantità significative, in questi casi l'ossigeno viene eliminato per evitare l'irrancidimento.
Industria elettronica
Nella produzione di compenenti elettronici come transistor, diodi e circuiti integrati si usa l'azoto sia come gas vettore dei gas di processo, sia per la creazione di atmosfere inerti durante i trattamenti termici.
Altre applicazioni
L'azoto viene usato anche nel gonfiaggio dei pneumatici delle automobili, nell'estrazione del petrolio e del gas naturale e costituisce il mezzo attivo del laser a azoto.
Bibliografia
- Chimica Inorganica, F.A.Cotton G.Wilkinson, Casa Editrice Ambrosiana, 3°Edizione, 1984
- Chemistry of the Elements, N.N.Greenwood A.Earnshaw, Butterworth Heinemann, 2° Edizione, 1997
- Inorganic Chemistry, D.F.Shriver P.W.Atkins, Oxford University Press, 3° Edizione, 1999
- Compendio di Chimica Inorganica, L.Malatesta, Casa Editrice Ambrosiana, 4° Edizione, 1999
- L'industria dell'azoto, L.Berti M.Calatozzolo R.di Bartolo, Casa Editrice G.D'Anna, 1994
- The Development of Modern Chemistry, A.J.Ihde, Dover Publications, 2° Edizione, 1984
- Photochemistry, C.E.Wayne R.P.Wayne, Oxford Chemistry Primers, 1999
- Physical Chemistry, P.W.Atkins, Oxford University Press, 6° Edizione, 1998
- Database del NIST
