Azote

L'azote : Notions de base

L'azote porte le numéro atomique 7. Il possède 7 électrons et 7 protons. Sa masse atomique est de 14, le nombre de neutrons qu'il possède est donc de 7.

Tableau périodique de l'azote | Notes de sciences

L'azote existe dans l'environnement sous forme d'azote gazeux, dont la formule moléculaire est _N2.

Fig. 2 : Structure de Lewis de l'azote | StudySmarter Originals

Ci-dessus se trouve la structure de Lewis de la molécule d'azote. Les atomes d'azote sont liés par des liaisons covalentes triples dans _N2. L'azote a la configuration électronique [He] ^{2s2 2p3}. Il y a 5 électrons dans son enveloppe externe. Il complète son octuor en formant une triple liaison avec un autre atome d'azote. Il reste 1 paire d'électrons solitaire qui ne participe à aucune liaison et qui est représentée par les deux points. En raison de la présence de triples liaisons, l'azote est relativement moins réactif.

Dans des conditions de température et de pression standard (STP), c'est-à-dire à une température de 0 ^oCet une pression de 1 bar, l'azote se trouve à l'état gazeux. C'est un gaz inodore, insipide, incolore et non toxique. Le comportement de l'azote gazeux est proche d'un gaz idéal, ce qui signifie qu'il est relativement plus difficile de le comprimer et de le liquéfier. Pour liquéfier l'azote, il faut le refroidir en dessous de -195,8 oC, ce qui est inférieur au point d'ébullition des autres gaz présents dans l'air.

Voyons maintenant quelles sont les applications pour lesquelles l'azote est utile.

L'azote : Utilisations

L'azote trouve de nombreuses utilisations industrielles et commerciales.

Engrais

L'azote est au cœur des fonctions internes des plantes et des arbres. L'azote forme le chlorophylle, qui est responsable de la photosynthèse, et lui donne sa couleur verte. L'azote est également le principal composant du protoplasme - la matière vivante des cellules.

Lesengrais produits industriellement sont riches en phosphate d'ammonium, en nitrate d'ammonium et en urée, qui sont tous des composés de l'azote. L'azote aide les cultures à pousser plus vite et à produire plus de récoltes, car il maintient le sol en bonne santé.

Conservation des aliments

Les sacs de chips, les boîtes de conserve, les emballages de fruits coupés sont tous vidés de leur oxygène et remplis d'azote pour conserver les aliments. L'azote fournit une atmosphère modifiée qui empêche l'oxydation des aliments, ce qui les rend périmés.

Médecine

Le protoxyde d'azote est utilisé pour l'anesthésie générale , l'anesthésie dentaire et la sédation procédurale. L'azote est présent dans toutes les grandes classes de médicaments, même les antibiotiques. L'azote est également utilisé pour préserver le sperme, les ovules, le sang et d'autres échantillons biologiques. Ce type de conservation est appelé cryoconservation.

Construction

L'azote liquide est utilisé pour refroidir le métal afin de le rétrécir. C'est utile pour le"frettage", lorsque les tolérances sont étroites. La pièce de métal est refroidie et rétrécie, ajustée, puis ramenée à la température et à la taille normales pour un ajustement sûr.

L'azote liquide peut également être utilisé pour briser le métal dans certains cas. Comme le refroidissement du métal avec de l'azote liquide le rend extrêmement fragile, il se casse facilement.

L'azote est également utilisé comme gaz de purge dans le soudage. Le soudage du métal consistait à faire fondre localement des pièces de métal pour les assembler. Lorsque le métal est chaud, il est susceptible de s'oxyder, ce qui pourrait endommager le composant. L'azote est utilisé pour isoler le composant chauffé de l'air et également pour le refroidir afin d'éviter l'oxydation.

L'azote : Propriétés

L'azote a une électronégativité élevée

L'azote a une électronégativité de 3,04 mesurée sur l'échelle de Pauling. Normalement, une électronégativité élevée correspond à une grande réactivité, mais dans le cas de l'azote, la présence de triples liaisons annule ce phénomène et le rend relativement moins réactif.

L'azote a une très faible réactivité

La faible réactivité de l'azote est due à la présence de triples liaisons dans sa molécule. La triple liaison est la liaison covalente la plus forte. L'azote a une énergie de liaison de +944 kJ ^mol-1. Pour que l'azote participe à des réactions chimiques, ses liaisons doivent être rompues, ce qui signifie que la réaction aura uneénergie d'activation très élevée.

Un autre facteur contribuant à la faible réactivité de l'azote est que la molécule n'est pas polaire. Comme la molécule est constituée de deux molécules semblables, il n'y a pas de polarité, et la molécule n'est pas non plus facile à polariser. Il est donc difficile pour les électrophiles et les nucléophiles de réagir avec l'azote.

Isotopes et allotropes de l'azote

Lesisotopes sont des formes variées du même élément qui contiennent le même nombre de protons et d'électrons, mais un nombre différent de neutrons. Savais-tu que l'azote a deux isotopes? L'azote existe à l'état naturel sous les formes N-14 et N-15. On ne parle que du N14 car c'est le plus abondant des deux (99,63 %).

Un allotrope est une forme physique sous laquelle un élément peut exister à l'état pur. L'azote n'existe que sous forme de _N2 et n'a donc pas d'allotrope.

Isolement et purification de l'azote

L'azote a de nombreuses applications industrielles, ce qui a nécessité le développement de méthodes pour isoler et purifier l'azote des autres composants de l'air. Cela se fait par distillation fractionnée. La distillation fractionnée tire parti du fait que les différents gaz ont des points d'ébullition différents. L'air est refroidi à une température inférieure au point d'ébullition de tous les gaz, puis il est légèrement réchauffé. L'azote s'évapore en premier car il a le point d'ébullition le plus bas des autres gaz présents dans l'air. L'azote évaporé est capturé et stocké.

Principaux composés de l'azote

Discutons de quelques composés de l'azote que tu rencontreras très souvent pendant tes études de chimie.

L'ammoniac

L'ammoniac est un composé d'azote et d'hydrogène. C'est un gaz incolore à l'odeur piquante et suffocante qui est utilisé. Il est couramment utilisé dans les engrais, comme réfrigérant et dans les solutions de nettoyage domestique.

Fig. 3 : Diagramme en points et en croix de l'ammoniac | StudySmarter Originals.

L'ammoniac a des propriétés alcalines, ce qui signifie que lorsqu'il réagit avec de l'eau, il forme une solution basique. Rappelle que la configuration électronique de l'azote est [He] ^{2s2 2p3}. Après avoir établi 3 liaisons covalentes avec 3 atomes d'hydrogène pour former l'ammoniac, il dispose d'une paire d'électrons libres. L'atome d'azote est capable de donner cette paire d'électrons libres aux électrophiles. La nature fondamentale de l'ammoniac provient de la capacité de l'azote à accepter un proton (ion ^H+ ) en donnant une paire d'électrons. Cela fait de l'ammoniac une base de Brønsted-Lowry.

Oxydes d'azote (_NOx)

Les oxydes d'azote sont un groupe de gaz généralement désignés par le sigle_NOx. L'azote forme les oxydes suivants -

• Oxyde nitrique (NO).
• Dioxyde d'azote (_NO2).
• Oxyde nitreux (_N2O).
• Trioxyde d'azote (_N2O3).
• Tétroxyde d'azote (_N2O4).
• Pentoxyde d'azote (_N2O5).

Le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (_NO2) sont les deux composés les plus importants sur le plan toxicologique. Le monoxyde d'azote est un gaz incolore à l'odeur douceâtre qui est utilisé dans la fabrication d'explosifs et d'engrais. Le dioxyde d'azote est un gaz brun rougeâtre à l'odeur irritante. C'est un intermédiaire dans la production d'acide nitrique (_HNO3).

Ces gaz sont des gaz à effet de serre et sont également très toxiques. Les sources anthropiques de ces gaz dans l'atmosphère sont les suivantes :

• Lacombustion de combustibles fossiles - y compris dans les automobiles.
• Les pratiques agricoles.
• Les centrales électriques, les chaudières industrielles.

Émissions de _NOx provenant des automobiles

Plus de la moitié des émissions de _NOx proviennent des transports. La réduction des émissions de _NOx provenant des moteurs à combustion interne des automobiles est une préoccupation sérieuse et les gouvernements du monde entier en ont fait une priorité. Un convertisseur catalytique est utilisé dans le tuyau d'échappement des automobiles, qui utilise des catalyseurs de réduction, le platine et le rhodium, pour réduire les _NOx en _N2.

Rôle des _NOx dans la formation du smog photochimique

Les oxydes d'azote sont les principaux responsables du smog photochimique et des pluies acides. Le dioxyde d'azote peut réagir avec l'oxygène de l'air et les hydrocarbures imbrûlés des gaz d'échappement pour former de l'ozone et un composé appelé peroxyacétylnitrate (PAN), qui est l'un des principaux composants responsables du smog photochimique.

Fig. 4 : Formule générale du nitrate de peroxyacétyle (PAN) | Wikimedia Commons.

Le PAN fait partie d'un groupe de composés appelés peroxyacylnitrates. Dans la formule générale de la figure, le groupe R- est _CH3-, mais il peut également s'agir d'une autre chaîne d'hydrocarbures.

Rôle des _NOx dans les pluies acides

Les _NOx, principalement le NO et le _NO2, libérés dans l'air en raison de la combustion de combustibles fossiles dans les véhicules et les usines entraînent le phénomène des pluies acides. Le NO réagit avec l'oxygène pour produire davantage de NO2. Le _NO2 réagit avec l'humidité pour produire des solutions diluées d'acide nitrique (_HNO3) et d'acide nitreux (_HNO2), qui tombent avec la pluie.

$$2NO+O_{2}\rightarrow 2NO_{2}$$

$$2NO_{2}+H_{2}O\rightarrow HNO_{3}+HNO_{2}$$

Lespluies acides peuvent entraver la croissance des plantes et des arbres ou les tuer. Elles peuvent libérer des ions métalliques qui étaient auparavant liés au sol. Les ions métalliques tels que le calcium, le potassium et le magnésium sont essentiels à la croissance des plantes, et les pluies acides les emportent. Les ions aluminium sont toxiques pour la végétation. Les pluies acides les libèrent et leur permettent d'être absorbés par les plantes.

Les pluies acides détruisent également les monuments et les bâtiments en pierre calcaire. Le calcaire est du carbonate de calcium, et les carbonates réagissent avec l'acide.

L'eau des pluies acides s'écoule vers les lacs et les rivières et modifie le pH de l'eau, ce qui peut être fatal pour la vie aquatique.

Ion ammonium

Nous avons discuté de la façon dont l'ammoniac accepte un proton, c'est-à-dire un ion ^H+, en lui donnant une paire d'électrons. Il en résulte la formation de l'ion ammonium, ^NH4+.

Fig. 5 : Ion ammonium | StudySmarter Originals.

Tu peux voir que l'une des liaisons N-H est représentée par une flèche. Cela montre la liaison dative formée par le don d'électrons par l'azote à ^H+.

Lesions ammonium se forment dans une solution lorsque l'ammoniac réagit avec l'eau :

$$NH_{3 (g)}+H_{2}O_{(l)}\rightleftharpoons NH_{4(aq)}^{+}+OH^{-}_{(aq)}$$

Lorsque les sels d'ammonium sont chauffés avec un alcali, du gaz ammoniac est libéré.