Abundancia en la naturaleza y ciclo
En la naturaleza, el nitrógeno se distribuye de manera sumamente desigual. Su principal reservorio es la atmósfera, donde se encuentra como gas simple $N_2$. En la litosfera, los minerales sólidos de nitrógeno son prácticamente inexistentes; la única excepción notable son los yacimientos de salitre de Chile (nitrato de sodio, $NaNO_3$) en los desiertos chilenos. En la biosfera, el elemento se acumula en la biomasa, así como en la turba y el carbón (que contienen entre un 1% y un 1,8% de nitrógeno).
En la naturaleza existe una paradoja de deficiencia de nitrógeno. Las plantas están rodeadas por una atmósfera compuesta en un 78% por nitrógeno, pero a menudo sufren por su escasez. La razón radica en la enorme estabilidad de la molécula de $N_2$, que impide que los organismos vivos la incorporen fácilmente a los ciclos bioquímicos. Al descomponerse la biomasa, el nitrógeno vuelve a convertirse en gas y se volatiliza, mientras que sus sales solubles se lavan hacia los cuerpos de agua.
Estructura atómica y estados de oxidación
El nitrógeno es un elemento trivalente en su estado fundamental. A diferencia de muchos otros elementos, no puede elevar su valencia a cinco mediante la transición a un estado excitado, ya que carece de un subnivel d en su nivel energético más externo.
La única forma en que el nitrógeno puede volverse tetravalente es ceder un electrón y convertirse en el catión $N^+$. En este caso, los electrones s se desemparejan, formando cuatro electrones desapareados. Esto solo es posible al interactuar con vecinos más electronegativos (flúor u oxígeno).
En el subnivel 2s, el átomo de nitrógeno posee un par de electrones no enlazantes. Esto determina sus propiedades como dador (base) y le permite formar enlaces adicionales mediante un mecanismo dativo o coordinado (por ejemplo, en sales de amonio o compuestos de coordinación).
El estado de oxidación depende del entorno:
- En la hidrazina es igual a –2 debido al enlace N–N.
- En el aminoetano es –3 (el nitrógeno atrae electrones del C y del H).
- En el nitrobenceno es +3 (el nitrógeno cede 4 electrones al oxígeno, pero sustrae 1 al carbono).
Sustancia simple y propiedades químicas
La única sustancia simple del elemento es el dinitrógeno ($N_2$). Es la molécula más estable y menos reactiva de todas las sustancias simples. No posee electrones antienlazantes adicionales, a diferencia del oxígeno, por lo que el enlace es un triple enlace genuino ($:N \equiv N:$).
Debido a esta alta estabilidad, las reacciones químicas con el nitrógeno ocurren con dificultad:
- En condiciones normales, el gas es inerte y reacciona únicamente con litio metálico, formando nitruro en su superficie: $6Li + N_2 = 2Li_3N$.
- En medio acuoso existe una reacción específica de reducción del nitrógeno a hidrazina en presencia de $V(OH)_2$ (precipitado junto con $Mg(OH)_2$): $N_2 + 4V(OH)_2 + 4H_2O = N_2H_4 + 4V(OH)_3$.
- Al calentar hasta los 2000 °C (o mediante una descarga eléctrica atmosférica), reacciona endotérmicamente con el oxígeno: $N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO$. El rendimiento del producto es de apenas un par de porcentajes.
- Con el hidrógeno, la reacción es exotérmica. Esta es la base de la síntesis industrial de amoníaco.
Obtención e importancia industrial
Hasta principios del siglo XX, la obtención de compuestos nitrogenados era una tarea sumamente compleja. El avance decisivo lo logró F. Haber, quien desarrolló un catalizador (hierro con óxidos de potasio y aluminio) para la síntesis directa de amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno atmosférico.
El proceso transcurre a una presión de 300–500 atm y a una temperatura de unos 300 °C. Aunque el rendimiento del producto por ciclo apenas supera el 10%, el problema se resuelve mediante la recirculación de la mezcla no reaccionada. Hoy en día, este método produce más de 100 millones de toneladas de amoníaco al año, el cual se destina a la fabricación de fertilizantes y explosivos.
En la naturaleza, un proceso similar (la fijación de nitrógeno en condiciones suaves) es llevado a cabo por microorganismos (bacterias nitrificantes) mediante la enzima nitrogenasa. Los científicos aún no han logrado crear un análogo artificial de esta enzima que funcione a temperatura y presión normales.
Métodos para la obtención de $N_2$ puro:
- A escala industrial: rectificación criogénica de aire líquido ($t_{ebull} = -195,798$ °C) o fijación química del oxígeno.
- En el laboratorio: calentamiento suave de soluciones de nitrito de amonio ($NH_4NO_2 \rightarrow N_2 + 2H_2O$) o de una mezcla de $NH_4Cl$ con $NaNO_3$. Asimismo, el nitrógeno se libera durante la combustión de aminas.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿A qué clases principales de biomoléculas celulares se incorpora obligatoriamente el nitrógeno?
El nitrógeno forma parte obligatoria de dos clases fundamentales de biomoléculas: las proteínas y los ácidos nucleicos.
- Proteínas: polímeros lineales de $\alpha$-aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos.
- Ácidos nucleicos: contienen bases nitrogenadas (derivados sustituidos de purina y pirimidina), cuya secuencia conforma el código genético.
¿Qué función cumple el óxido nítrico (II) en el sistema cardiovascular humano?
El óxido nítrico (II) actúa como un potente vasodilatador, ejerciendo el papel de factor relajante de origen endotelial.
- Relajación vascular: actúa sobre las células de músculo liso de la pared vascular, induciendo su relajación.
- Descenso de la presión arterial: disminuye el tono de los vasos sanguíneos, lo que provoca una reducción de la presión arterial.
¿En forma de qué metabolito final se excreta el principal volumen de nitrógeno del organismo humano?
La mayor parte del nitrógeno se excreta del cuerpo humano en forma de urea (carbida).
- Urea: diamida del ácido carbónico, que constituye el principal producto final del metabolismo nitrogenado.
Se sintetiza exclusivamente en el hígado para eliminar el exceso de amoníaco tóxico, tras lo cual es excretada por los riñones.
Para memorizar las capacidades de valencia del nitrógeno, imagine que dispone de un «apartamento de tres habitaciones» (subnivel p) y un salón compartido (subnivel s). No puede alojar a 5 inquilinos (electrones) debido a la ausencia de «habitaciones» adicionales (subnivel d).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el nitrógeno nunca muestra valencia V?
El átomo de nitrógeno no tiene un subnivel d en su capa electrónica externa. Debido a esto, no puede pasar a un estado excitado ni desemparejar sus electrones s para formar cinco enlaces.
¿Con qué sustancia única reacciona el nitrógeno sin necesidad de calentamiento?
A temperatura ambiente, el nitrógeno atmosférico solo es capaz de reaccionar con litio metálico para formar nitruro de litio ($Li_3N$).
¿Por qué los compuestos nitrogenados suelen ser explosivos?
Termodinámicamente, el nitrógeno tiende a retornar a su estado más estable: la molécula de gas simple $N_2$ con un enlace triple muy fuerte. La descomposición de los compuestos nitrogenados transcurre con la liberación brusca de una gran cantidad de energía y gas.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismo de acción de la enzima nitrogenasa en las bacterias nitrificantes
- Cálculo de los estados de oxidación del nitrógeno en moléculas orgánicas complejas
- Termodinámica y principio de Le Chatelier en el proceso de Haber
- Clasificación de los compuestos nitrogenados según su estado de oxidación
- Mecanismo dativo o coordinado en la formación de complejos de nitrógeno
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