Inquinamento e piogge acide Disponibilit Impieghi Ciclo dellazoto

Inquinamento e piogge acide Disponibilità Impieghi Ciclo dell’azoto AZOTO Proprietà chimiche ed etimologia È il costituente fondamentale delle molecole organiche più importanti dal punto di vista biochimico (DNA, proteine, alcune vitamine), oltre che di composti inorganici estremamente diffusi e importanti come l'ammoniaca e l'acido nitrico e del 78% dell'atmosfera terrestre. Origine e scoperta Composti Esperimenti

Nella tavola periodica, l’azoto si trova nel 15º gruppo e il suo simbolo è N. N dal francese nitrogène, coniato nel 1790 dal chimico Jean Antoine Chaptal fondendo in Lingua greca νίτρον, nitron, «nitrato di potassio» con la radice γεν-, ghen-, «dare vita a» ). Azoto deriva dal francese azotè, voce formulata dallo stesso Lavoisier che significa "privo di vita" (dal greco ζωή, zoè, "vita", preceduto dall'alfa privativo, e quindi "privo di vita"); fu attribuito tale nome in quanto l'azoto molecolare N 2 costituisce il componente dell'aria non necessario alla respirazione degli esseri viventi. La massa atomica relativa dell'azoto è 14. 0067 e sono noti due isotopi stabili 14 N (99, 63%) e 15 N (0, 37%). Ridotto allo stato liquido, bolle a − 195, 8 °C; solidifica a − 210 °C.

L'azoto è tra gli atomi più elettronegativi e quindi, così come l'ossigeno e il fluoro, è in grado di partecipare alla formazione di legami a idrogeno. Nei legami a idrogeno in cui sono coinvolti, gli atomi di azoto giocano un ruolo fondamentale nell'accoppiamento dei nucleotidi nella struttura del DNA, tenendo ‘’uniti’’ i due filamenti che formano la doppia elica. Anche la struttura delle proteine è fortemente influenzata da legami a idrogeno che coinvolgono atomi di azoto. L'azoto è un tipico non metallo. È uno dei pochi elementi per cui la regola dell'ottetto è valida con poche eccezioni. L'azoto forma legami con tutti gli elementi della tavola periodica a eccezione dei gas nobili più leggeri.

Origine e scoperta Vi sono validi motivi per ritenere che le atmosfere primordiali fossero costituite essenzialmente da vapore acqueo, anidride carbonica e azoto (oltre 4 miliardi di anni fa). L'azoto è divenuto il componente dominante dell'atmosfera terrestre poiché si è progressivamente accumulato in essa, data la sua inerzia chimica e la sua bassa solubilità in acqua. Daniel Rutherford, un allievo di Joseph Black, è considerato lo scopritore dell'azoto, nonostante esso sia stato contemporaneamente scoperto da Joseph Pristley, Carl Wilhelm Scheele e Henry Cavendish. Rutherford nel 1919 fece passare le particelle alfa generate da un radionuclide naturale attraverso una camera contenente atomi di azoto. Scoprì che veniva prodotta un'altra radiazione, più 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. Egli studiò questo gas, 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 è una miscela di un gas attivo, che cioè mantiene la combustione e la respirazione O 2 e un gas inattivo N 2.

Disponibilità L'azoto è il quinto elemento più abbondante nell'universo, il 19º sulla crosta terrestre di cui costituisce lo 0, 03%), il primo elemento per abbondanza nell'aria (di cui costituisce il 78, 09%), ed è il quarto elemento più abbondante del corpo umano (di cui costituisce il 3%). È poi contenuto in depositi minerali come nitrato, soprattutto Na. NO 3(salnitro del Cile, derivato del guano), ma anche KNO 3, Ca(NO 3)2 e Mg(NO 3)2; questi sali, tutti di derivazione biologica, sono solubili in acqua e giacimenti si trovano solo in zone particolarmente aride. Insieme a carbonio, ossigeno e idrogeno l’azoto è uno degli elementi biogeni fondamentali: costituisce infatti il 2, 4% del corpo umano. È infatti presente in tutti gli organismi viventi in numerosissime molecole quali DNA, proteine, ATP ecc. e dunque anche nei residui fossili, in particolare il carbone contiene di norma quantità significative di ammoniaca (NH 3) e di N 2. Si indica come bilancio dell’azoto la relazione esistente fra l’azoto ingerito da un organismo umano (sotto forma di proteine) e quello espulso nell’urina (sotto forma di urea, ammoniaca, acido urico e altre sostanze azotate: azoturia).

Composti dell’azoto • Ammoniaca (NH₃) • Acido nitrico (HNO₃) • Nitrati • Nitriti • Diossido di azoto • Monossido di azoto • Biossido di azoto

Ammoniaca La reazione che più è stata studiata per via dell'enorme interesse pratico è la sintesi dell'ammoniaca secondo il processo Haber-Bosch: N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g) L'ammoniaca, sotto forma di sale d'ammonio, era già nota in età classica: nell'opera di Plinio si trovano riferimenti a una sostanza indicata come Hammoniacus sal, sebbene non sia chiaro se si riferisse alla sostanza che noi oggi chiamiamo sale d'ammonio. Quest'ultimo deve il suo nome al luogo dove fu identificato per la prima volta come sostanza a sé, e cioè il tempio di Giove Ammone, in Egitto. Ogni anno circa 50 milioni di tonnellate di N 2 vengono convertiti in ammoniaca. La grande importanza di questa reazione deriva dal fatto che tutto l'azoto impiegato nell'industria chimica per la preparazione di numerosissimi composti viene tutto dall'ammoniaca. L'applicazione più importante dell'ammoniaca (fertilizzanti, vernici, materie esplosive, come sbiancante e solvente) è la produzione di acido nitrico.

Inquinamento L’inquinamento da azoto reattivo, risultato della trasformazione dell’azoto atmosferico in ossidi di azoto e ammoniaca, viene considerato come la terza minaccia in ordine di gravità per il nostro pianeta. NOx è una sigla generica che identifica collettivamente tutti gli ossidi di azoto e le loro miscele. La sigla (NOx) identifica in modo generico gli ossidi di azoto che si producono come sottoprodotti durante una combustione che avvenga utilizzando aria (dal camino a legna, al motore delle automobili, alle centrali termoelettriche). Gli ossidi di azoto sono considerati sostanze inquinanti dell'atmosfera e si ritiene che aggravino le condizioni dei malati di asma. Alcuni di essi in presenza di radiazione solare possono reagire con l'ossigeno formando ozono e altri composti del cosiddetto smog fotochimico se in presenza anche di idrocarburi incombusti (HC). Il triossido ed il pentossido di diazoto sono solubili in acqua e con l'umidità atmosferica possono formare acido nitroso e acido nitrico, entrambi presenti nelle cosiddette "piogge acide". E’ prodotto soprattutto nel corso dei processi di combustione ad alta temperatura assieme al biossido di azoto (che costituisce meno del 5% degli NOx totali emessi).

Piogge acide 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 biossido di azoto reagisce con l'acqua formando acido nitrico: 3 NO₂(g) + H₂O(g) → 2 HNO₃(g) + NO(g) Le piogge acide possono creare non pochi problemi alle piante aumentando l'acidità dei terreni e di conseguenza la solubilità di alcuni ioni metallici, che se assimilati indeboliscono la pianta compromettendone la crescita e in alcuni casi la sopravvivenza.

Il ciclo dell’azoto è un ciclo biogeochimico con il quale l'azoto si muove principalmente tra l'atmosfera, il terreno e gli esseri viventi. L'importanza del ciclo per gli organismi viventi è dovuta alla loro necessità di assimilare azoto per la formazione di composti organici vitali, quali le proteine e gli acidi nucleici. Il ciclo biologico dell’azoto, che è uno dei processi fondamentali per il mantenimento della vita terrestre, inizia con la fissazione dell’azoto atmosferico da parte dei microrganismi del terreno. I microrganismi che intervengono in questo processo appartengono a due tipi fondamentali: a) microrganismi a vita libera come i clostridi, le alghe blu, i batteri purpurei e soprattutto gli Azotobacter; b) microrganismi simbionti, dei quali l’esempio più noto è quello dei batteri del genere Rhizobium, che vivono nei noduli radicali delle leguminose, in simbiosi con queste.

L’associazione pianta-batteri fissa l’azoto atmosferico e produce amminoacidi, che la pianta da sola non sarebbe in grado di sintetizzare. L’enzima responsabile della fissazione dell’azoto atmosferico è la nitrogenasi. Le piante possono assimilare l'azoto tramite l'assorbimento di alcuni composti azotati (nitriti, nitrati) che, disciolti nell'acqua, giungono fino alle loro radici. Una volta organicato nella fitomassa, l'azoto viene quindi trasferito agli organismi eterotrofi, come gli animali, mediante la catena alimentare. La decomposizione dei resti organici restituisce al terreno l'elemento, che può ritornare nell'atmosfera grazie all'azione di alcuni batteri specializzati. Questi microrganismi del terreno idrolizzano mediante i loro enzimi le molecole organiche, fino ad amminoacidi, i quali vengono poi deamminati mediante meccanismi diversi e liberano ammoniaca. Infine, nel suolo sono presenti numerosi batteri che permettono la trasformazione di prodotti ammoniacali, dannosi oltre certi limiti di concentrazione per la vita vegetale, in nitriti e poi in nitrati. Video

Impieghi: La maggior parte dell'azoto prodotto è destinato alla sintesi dell'ammoniaca, da cui saranno poi preparati fertilizzanti, polimeri, esplosivi, coloranti e altri prodotti. L'azoto liquido avendo il punto di ebollizione a -195, 82 °C è utilizzato in vari processi nei quali è necessario ottenere o conservare temperature estremamente basse. Industria alimentare: Il diazoto è impiegato nella conservazione in atmosfera protettiva di prodotti alimentari industriali. Miscele particolarmente ricche di diazoto sono usate nella protezione di alimenti in cui i grassi insaturi sono presenti in quantità significative, in questi casi l'O 2 viene eliminato per evitare l'irrancidimento. L'azoto molecolare N 2 viene di norma impiegato anche nel processo di imbottigliamento dei vini, per evitare che il vino venga a contatto con ossigeno molecolare O 2.

Monossido di azoto Il monossido di azoto è un gas incolore. La sostanza è un forte ossidante e reagisce con materiali combustibili e riducenti. Al contatto con l'aria si trasforma in biossido di azoto. NO Nell'organismo umano il monossido di azoto viene sintetizzato a partire da arginina e ossigeno per azione di enzimi noti col nome di monossido nitrico sintetasi. Possiede la capacità di penetrare attraverso tutte le membrane e le barriere di tutti i microorganismi (batteri, virus, funghi, parassiti), e tra cui le nostre cellule, dato che fra l’altro non possiede carica elettrica e può quindi muoversi liberamente sia all’interno che all’esterno di esse. Oltre ad essere un potente vasodilatatore, inibisce anche l'adesione e l'aggregazione piastrinica. Il meccanismo molecolare risiede nella capacità dell'ossido d'azoto di legarsi covalentemente alle porzioni eme delle emoproteine. Il monossido di azoto è un inquinante primario che si genera in parte nei processi di combustione per reazione diretta tra azoto ed ossigeno dell'aria

Diossido di azoto NO₂ Il diossido di azoto è un gas rosso bruno a temperatura ordinaria dall'odore soffocante e irritante. È più denso dell'aria, pertanto i suoi vapori tendono a rimanere a livello del suolo. È emesso soprattutto dai motori diesel ed è ritenuto cancerogeno. È un forte agente ossidante e reagisce violentemente con materiali combustibili e riducenti. In presenza di acqua è in grado di ossidare diversi metalli. Il diossido di azoto è prodotto o riscaldando il nitrato di piombo o facendo reagire l'ossido di azoto con l'ossigeno dell'aria.

Nitrito NO 2− Il nitrito è un anione composto da un atomo di azoto e due atomi di ossigeno caricati negativamente. Il nitrito di sodio è usato nella preparazione della salsiccia poiché abbatte la carica batterica e, in una reazione con la mioglobina della carne, dà al prodotto un bel colore rosso scuro. Il nitrito di amile viene utilizzato in medicina come trattamento per le malattie cardiache. I nitriti possono essere addizionati come conservanti ai seguenti alimenti: insaccati (freschi, stagionati, cotti), prosciutti (stagionati e cotti), semiconserve non sterilizzate (würstel e mortadella), le conserve sterilizzate, carni affumicate, nei cereali e prodotti tostati, pesce. I nitriti presentano un’alta tossicità per l'uomo, specialmente nei bambini, in quanto provocano metaemoglobinemia, forma non funzionante che riduce l'apporto di ossigeno ai tessuti e talvolta causa anche il decesso.

Nitrato NO 3 - Lo ione nitrato è un importante anione poliatomico. I nitrati, composti in cui è presente lo ione nitrato, sono i sali dell'acido nitrico. Sono tutti molto solubili in acqua e per questo motivo sulla crosta terrestre si possono trovare solo in territori estremamente aridi. I più diffusi in natura sono il nitrato di sodio e il nitrato di potassio. Lo ione NO 3 - ed alcuni suoi sali ricoprono un'importanza fondamentale sia per la natura sia per l'uomo; esso è infatti indispensabile per il metabolismo vegetale, e quindi per il mantenimento di tutti gli ecosistemi. Utilizzi: Diverse categorie di nitrati sono utilizzati dall'industria alimentare come conservanti di categoria E (la più tossica), coloranti e antiossidanti. Il loro impiego è praticamente reso obbligatorio per i salumi crudi stagionati ed è principalmente dovuto al fatto che i nitrati sono al momento l'unica alternativa nota per contrastare la germinazione delle spore di Clostridium botulino che potrebbero crescere, una delle più gravi forme di infezione alimentare dall'esito mortale, che può soltanto essere prevenuta. Le carni, come l'acqua potabile e numerosi ortaggi, contengono naturalmente nitrati e nitriti. I nitrati sono presenti anche in alimenti di origine vegetale, specie a causa dei fertilizzanti.

Biossido di azoto NO₂ Il biossido di azoto è un gas tossico di colore giallo-rosso, dall’odore forte e pungente e con grande potere irritante; è un energico ossidante, molto reattivo e quindi altamente corrosivo. Il biossido di azoto si forma in massima parte in atmosfera per ossidazione del monossido (NO), inquinante principale che si forma nei processi di combustione. Le emissioni da fonti antropiche derivano sia da processi di combustione (centrali termoelettriche, riscaldamento, traffico), che da processi produttivi senza combustione (produzione di acido nitrico, fertilizzanti azotati, ecc. ) Il ben noto colore giallognolo delle foschie che ricoprono le città ad elevato traffico è dovuto per l’appunto al biossido di azoto. Il biossido di azoto svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog fotochimico in quanto costituisce l’intermedio di base per la produzione di tutta una serie di inquinanti secondari molto pericolosi come l’ozono, l’acido nitrico, l’acido nitroso, gli alchilnitrati, i Perossiacetilnitrati, ecc. Si stima che gli ossidi di azoto contribuiscano per il 30% alla formazione delle piogge acide (il restante è imputabile al biossido di zolfo e ad altri inquinanti).

Acido nitrico HNO₃ L’acido nitrico è il più importante degli acidi derivati dall’azoto, detto anticamente acqua forte o spirito di nitro ed è un forte agente ossidante. Liquido a temperatura ambiente, incolore quando molto puro e dal tipico odore irritante. I suoi sali vengono chiamati nitrati e sono pressoché tutti solubili in acqua. Solubile in acqua con reazione esotermica, in forma concentrata può causare gravi ustioni per contatto. L’acido nitrico è uno degli acidi di maggior consumo: si usa nella preparazione di esplosivi, di fertilizzanti, di coloranti organici artificiali e di numerosissimi composti organici, impiegati per preparare prodotti farmaceutici, profumi.

Esperimento Video MATERIALE • Alcuni litri di azoto liquido • Un dewar (contenitore termicamente isolante per bassissime temperature) per la conservazione dell’azoto liquido • Guanti e pinze appositi per lavorare con l’azoto liquido • Alcune vaschette di polistirolo • Un grappolo d’uva • Un fiore • Alcuni palloncini chiari (bianchi o gialli) • Spago PREPARAZIONE Mettere nel congelatore alcuni acini d’uva, in modo che al momento dell’esperimento siano congelati. SVOLGIMENTO Versare l’azoto liquido nella vaschetta di polistirolo e far osservare che il liquido bolle, mentre il “vapore” sprigionato scende verso il basso. Ciò dimostra che non si tratta di un liquido ad alta temperatura, ma il vapore si trova a una temperatura molto inferiore rispetto alla temperatura dell’ambiente. A conferma di ciò si possono gettare nella vaschetta alcune gocce d’acqua, che verranno estratte congelate. Utilizzando le apposite pinze (o semplicemente un pezzo di spago) immergere alcuni acini d’uva nell’azoto liquido. Gettare a terra prima gli acini immersi nell’azoto liquido, poi quelli prelevati dal congelatore del frigorifero. A bassissime temperature gli oggetti perdono completamente la loro elasticità, e non sono più in grado di ammortizzare gli urti. Il congelatore del frigorifero porta gli oggetti che vi sono conservati a circa -20°C: una temperatura bassa ma non sufficiente a far perdere tutta l’elasticità. Immergere, reggendolo per il gambo, un fiore nell’azoto liquido. Una volta estratto colpire col fiore rapidamente il piano di lavoro: il fiore andrà in mille pezzi come se fosse fatto di vetro. Gonfiare un palloncino e chiuderne bene l’imboccatura con un pezzo di spago, immergerlo quindi nell’azoto liquido: il palloncino si affloscia.