Nitrogênio (N)

O nitrogênio (N) é o primeiro elemento químico do grupo 15 da Tabela Periódica. Apresenta-se para nós por meio da substância N₂, dinitrogênio, também conhecida como gás nitrogênio. Em temperatura ambiente, é muito pouco reativo e por isso é considerado inerte. Contudo, o aumento da temperatura faz aumentar sua reatividade.

O nitrogênio é o principal constituinte da atmosfera terrestre por meio do gás N₂. É um elemento essencial para as plantas e, por isso, é amplamente utilizado na confecção de amônia para produção de fertilizantes. Contudo, também pode ser empregado como líquido refrigerante. O nitrogênio em si não é tóxico ou perigoso, dada sua baixa reatividade, mas causa de asfixia em ambientes com baixa concentração de O₂.

Leia também: Bismuto — outro elemento químico localizado no grupo 15 da Tabela Periódica

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre nitrogênio
• 2 - Propriedades do nitrogênio
• 3 - Características do nitrogênio
• 4 - Onde o nitrogênio pode ser encontrado?
• 5 - Obtenção do nitrogênio
• 6 - Para que serve o nitrogênio?
• 7 - Perigos do nitrogênio
  • → Asfixia por nitrogênio
  • → Narcose por nitrogênio em mergulhos
• 8 - História do nitrogênio
• 9 - Curiosidades sobre o nitrogênio

Resumo sobre nitrogênio

• O nitrogênio é o primeiro elemento do grupo 15 da Tabela Periódica e seu símbolo é N.
• Seu nome foi proposto por Jean-Antoine Claude Chaptel, em 1790, embora alguns químicos o chamem de “azoto”, termo cunhado por Lavoisier.
• Apresenta-se, em condições ambiente, como um gás diatômico, N₂, chamado de dinitrogênio ou gás nitrogênio.
• O N₂ é um gás muito pouco reativo em condições ambiente, sendo considerado inerte.
• Quase todo nitrogênio terrestre se encontra disperso na atmosfera, onde ele é o constituinte majoritário na forma de N₂.
• O nitrogênio é muito empregado na fabricação de amônia, utilizada na produção de fertilizantes.
• Também pode ser utilizado como líquido refrigerante.
• Não é considerado tóxico, mas pode causar asfixia em ambientes com baixa concentração de oxigênio.
• No dia 25 de janeiro de 2024, os Estados Unidos realizaram, pela primeira vez na história, a execução de um detento por asfixia por nitrogênio.

Propriedades do nitrogênio

• Símbolo: N
• Número atômico: 7
• Massa atômica: [14,00643; 14,00728] u.m.a
• Eletronegatividade: 3,04
• Ponto de fusão: -210,00 °C
• Ponto de ebulição: -195,798 °C
• Densidade: 1,2506 g.L^-1 (0 °C, 1 atm)
• Configuração eletrônica: [He] 2s² 2p³
• Série química: ametais; pnictogênios; grupo 15; elementos de representativos.

Características do nitrogênio

De símbolo N, o nitrogênio é o primeiro elemento do grupo 15 da Tabela Periódica. Ele pode ser encontrado na natureza por meio de dois isótopos, o ¹⁴N (com abundância de 99,634%) e o ¹⁵N (com abundância de 0,366%). Os átomos de nitrogênio podem formar ligações covalentes simples, duplas e triplas entre si.

A principal forma que o nitrogênio se apresenta para nós é por meio do dinitrogênio, N₂, mais conhecido como gás nitrogênio, que, como o nome mesmo diz, é um gás em temperatura ambiente, além de ser incolor, inodoro e não combustível.

Nesse composto, os átomos de nitrogênio estão ligados via ligação covalente tripla, a qual é muito curta (110 pm) e bastante energética (aproximadamente 944,8 kJ.mol⁻¹), o que torna esse composto praticamente inerte. Por isso, em termos de reatividade, o N₂ apenas reage com o metal lítio em temperatura ambiente. Já quando aquecido, sua reatividade aumenta, sendo capaz de reagir com os metais alcalino-terrosos, além de alumínio, silício, germânio e alguns metais do bloco d. A reação entre CaC₂ e N₂ é utilizada para a produção do fertilizante cianamida de cálcio, CaCN₂.

Contudo, muitos metais que não conseguem reagir com o dinitrogênio acabam fazendo isso com o átomo de nitrogênio, o qual é bastante reativo e pode ser produzido quando o gás N₂ passa por uma descarga elétrica. O N₂ é solúvel em metais fundidos (por exemplo, pode-se solubilizar 4% de N₂ em ferro líquido), e apresenta uma solubilidade baixa em água, sendo de 6,2 x 10⁻⁴ mol N₂ por quilograma em 25 °C e 1 atm.

Onde o nitrogênio pode ser encontrado?

Em nosso planeta, 99% das cerca de 10¹⁵ toneladas terrestres (ou seja, fora dos oceanos e mares) do átomo de nitrogênio ocorrem no ar atmosférico, de cujo volume ele é responsável por 78,09% (ou 75,52% da sua massa). Em altitudes maiores da atmosfera, os raios ultravioletas conseguem quebrar a forte ligação tripla do N₂, formando átomos de nitrogênio.

Os sais de nitrogênio, principalmente o nitrato (NO₃^‑), apresentam grande solubilidade em água, o que torna difícil encontrar depósitos de minerais que contenham o elemento. Destaca-se, entretanto, minas de KNO₃ (nitrato de potássio, salitre) na Índia e de NaNO₃ (nitrato de sódio, salitre do Chile) no Chile. Há, ainda, cerca de 10¹³ toneladas de N₂ dissolvidas nos oceanos.

Obtenção do nitrogênio

A principal forma de obtenção industrial de nitrogênio é por meio da destilação fracionada do ar atmosférico, onde esse elemento é majoritário. O produto obtido contém também o gás nobre argônio (Ar) e traços de gás oxigênio (O₂). Essa técnica tem grande vantagem e entrega um produto de alto teor de pureza, já que gases de maior ponto de ebulição presentes na atmosfera, como metano, água e dióxido de carbono, são facilmente dispersados.

Os gases de menor ponto de ebulição, como H₂, hélio (He) e neônio (Ne), além do monóxido de carbono (CO), já têm maior dificuldade de separação. No caso de H₂ e CO, eles podem ser, antes da destilação, oxidados, produzindo H₂O e CO₂. Já o He e o Ne podem ser separados mediante fracionamento da destilação e alterações na pressão.

Uma alternativa mais barata à destilação é a separação do N₂ e do O₂ do ar via membranas de separação, já que não é necessário liquefazer os componentes do ar atmosférico. Contudo, o nitrogênio produzido é menos puro (contém de 0,5 a 5% de O₂) e a técnica é desenvolvida para uma produção de menor volume. Nessas membranas, os gases podem ser separados por diferentes permeabilidades.

Outra forma não criogênica é por meio da adsorção por variação de pressão (PSA, do inglês Pressure-Swipe Adsorption). Nesse modelo, os gases N₂ e O₂ são comprimdos e separados pela adsorção do gás oxigênio em peneiras moleculares de carbono (ou zeólitas). Nesse caso, como a molécula do oxigênio é menor que a do nitrogênio, apenas o O₂ ficará retido nos poros do adsorvente.

Para que serve o nitrogênio?

Como o nitrogênio é um dos macronutrientes necessários para o crescimento sadio de plantas, o N₂ se tornou um dos compostos químicos mais importantes para a indústria química. Por meio do processo Haber-Bosch, o N₂, com o H₂, é convertido em amônia (NH₃), a principal molécula sintetizada no planeta. A amônia é convertida em fertilizantes de ampla utilização, na forma dos sais de amônio (NH₄⁺) ou de nitratos (obtidos por meio da reação com o ácido nítrico, o qual também vem da amônia).

Além disso, o gás nitrogênio pode ser usado como atmosfera inerte (já que é pouco reativo em condições ambiente), o que é muito importante na indústria eletrônica (como na produção de transistores). O N₂ na forma líquida, o qual se apresenta na temperatura de -196 °C, é utilizado como refrigerante e congelante.

Outro composto que se destaca comercialmente advindo do nitrogênio é o ácido nítrico, HNO₃, o qual é utilizado na confecção de fertilizantes, como antes dito, e na fabricação de explosivos, como a nitroglicerina e o trinitrotolueno (TNT). Os sais de nitritos (NO₂⁻) são utilizados na indústria alimentícia como conservantes e fixadores de cor e sabor em carnes (durante a cura). Destacam-se também os cianetos (CN⁻), os quais podem ser utilizados para extração de metais nobres, como ouro e prata (cianetação), e as azidas, principalmente a azida de sódio (NaN₃), utilizada na inflação de airbags.

Veja também: Potássio — outro elemento químico amplamente utilizado na produção de fertilizantes

Perigos do nitrogênio

O gás nitrogênio, que corresponde a cerca de 78% em volume da nossa atmosfera, não é considerado um composto perigoso (muito por conta da sua inércia química). Por isso, não causa efeitos aparentes em seres humanos, animais e plantas. A maioria dos problemas letais com N₂ ocorre pela asfixia por ele em ambientes com ausência de oxigênio.

→ Asfixia por nitrogênio

Embora seja atóxico, o gás nitrogênio pode atuar como um diluente de gás oxigênio, assim diminuindo sua concentração no meio. Tal situação pode se desencadear em ambientes hospitalares, instalações industriais, laboratórios ou outros espaços em que pode haver acúmulo de N₂.

Sendo inodoro e incolor, as pessoas acabam não percebendo o maior teor de N₂ no ar, necessitando assim de aparelhos específicos. Em concentrações na faixa de 84% em volume no ar, o gás nitrogênio começar a afetar o funcionamento do nosso corpo e da nossa mente, não fazendo você perceber que está em perigo. Quando a concentração passa dos 94%, a fatalidade é iminente, sendo necessário respirar poucas vezes até a morte.

→ Narcose por nitrogênio em mergulhos

Essa condição é também conhecida como “euforia da profundidade” e ocorre quando se respira o nitrogênio comprimido em altas profundidades (a partir dos 30 metros). Nessas condições, o N₂ pode agir como um anestésico semelhante ao óxido nitroso (N₂O, conhecido como gás hilariante também).

O mergulhador pode sentir uma euforia ou um estímulo inicial, porém os sintomas seguintes são semelhantes aos da intoxicação por álcool, ou seja, nota-se o comprometimento do desempenho intelectual, muscular, além de mudanças de comportamento e personalidade. Tais condições podem levar a um afogamento, e, além disso, em profundidades maiores (por volta dos 90 metros), alucinações e perda de consciência podem ocorrer. Os mergulhadores melhoram dos sintomas após a subida, porém, para prevenção, sugere-se a utilização do gás hélio como diluente de oxigênio nos cilindros para mergulho.

História do nitrogênio

No século VIII, o chinês Mao-Khoa apontou que o ar atmosférico seria composto por duas substâncias: Yan (ar completo) e Yn (ar incompleto). Para ele, o ar poderia se tornar mais perfeito ao se usar metais, enxofre ou carvão para roubar a sua parte Yn. A pontuação de Mao-Khoa nos faz perceber que Yn poderia fazer referência ao oxigênio, uma vez que este reage com metais e é comburente para os casos do enxofre e do carvão, sendo assim consumido. Desse modo, o Yan poderia fazer referência, talvez, ao nitrogênio.

Mesmo assim, a descoberta do nitrogênio só viria a ser reportada de fato quase um milênio depois, na tese de doutorado de Daniel Rutherford em 1772, sob orientação do famoso químico da época Joseph Black. Os estudos de Rutherford partiram da observação de Black, o qual percebeu que, mesmo após toda retirada de gás carbônico formado em uma combustão, havia ali certa massa de ar residual, que não reagia.

Rutherford passou a chamar o ar residual de nocivo, uma vez que não era possível manter a vida com ele presente. Mesmo realizando diversos experimentos e sendo creditado pela descoberta do nitrogênio por muitos, Daniel Rutherford não percebeu que o gás nitrogênio era um constituinte do ar.

Coincidentemente, três séculos antes, Leonardo da Vinci já havia percebido que o ar não era uma substância pura, notando que ele era consumido na combustão como na respiração. Outros cientistas também têm grande importância para a descoberta e elucidação do nitrogênio, como Carl W. Scheele, Henry Cavendish e Joseph Priestley.

O nome nitrogênio foi dado por Jean-Antoine Claude Chaptal, em 1790, quando percebeu que se tratava de um constituinte do ácido nítrico e dos nitratos, ou seja, o nitrogênio poderia ser percebido como formador de nitratos. Já Antoine Lavoisier preferiu chamá-lo de azoto (nomenclatura que ainda persiste para alguns químicos), pois a palavra significa “sem vida”, já que o nitrogênio não é capaz de manter a vida quando presente.

Acesse também: Fósforo — o primeiro elemento químico isolado pelo ser humano

Curiosidades sobre o nitrogênio

• Não só no planeta Terra é encontrado o nitrogênio. O átomo já foi detectado em Marte, Vênus e Plutão, com a possibilidade de ter traços desse elemento também em Mercúrio.
• A ligação entre os átomos de nitrogênio no N₂ é, de fato, muito forte: a energia necessária para romper 1 mol de ligações N≡N é de cerca de 226 kcal (quilocalorias). Para se ter noção, uma pessoa com 70 kg necessita de cerca de 20 minutos pedalando em uma bicicleta para queimar 200 kcal.
• Os átomos de nitrogênio podem formar pequenas cadeias (até oito átomos) ligando-se consigo mesmo (catenação), mas com menos intensidade que seus vizinhos fósforo (P) e, obviamente, o carbono (C).
• No dia 25 de janeiro de 2024, os Estados Unidos realizaram, pela primeira vez na história, a execução de um detento por asfixia por nitrogênio. Mediante muitas críticas pela ausência de testagem e possibilidade de sofrimento ao preso, a Suprema Corte do país permitiu que o estado do Alabama realizasse tal procedimento em Kenneth Eugene Smith, de 58 anos, condenado por homicídio.

Fontes

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