Respire. Quase quatro quintos do que acabou de entrar nos seus pulmões era nitrogênio — e saiu de volta novamente, completamente inalterado. O nitrogênio é…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas
12.1
Why nitrogen is unreactive · Por que o nitrogênio é pouco reativo
Syllabus · Programa
English
explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
describe and explain: (a) the basicity of ammonia, using the Brønsted–Lowry theory (b) the structure of the ammonium ion and its formation by an acid–base reaction (c) the displacement of ammonia from ammonium salts by an acid–base reaction
state and explain the natural and man-made occurrences of oxides of nitrogen and their catalytic removal from the exhaust gases of internal combustion engines
understand that atmospheric oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$) can react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate, PAN, which is a component of photochemical smog
describe the role of $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ in the formation of acid rain both directly and in their catalytic role in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide
Português
explicar a falta de reatividade do nitrogênio, com referência à força da ligação tripla e à falta de polaridade
descrever e explicar: (a) a basicidade da amônia, usando a teoria de Brønsted–Lowry (b) a estrutura do íon amônio e sua formação por uma reação ácido-base (c) o deslocamento da amônia de sais de amônio por uma reação ácido-base
afirmar e explicar as ocorrências naturais e antrópicas de óxidos de nitrogênio e sua remoção catalítica dos gases de escape de motores de combustão interna
compreender que os óxidos de nitrogênio atmosféricos ($\text{NO}$ e $\text{NO}_2$) podem reagir com hidrocarbonetos não queimados para formar peroxiacetilnitrato, PAN, que é um componente da smog fotoquímica
descrever o papel de $\text{NO}$ e $\text{NO}_2$ na formação da chuva ácida, tanto diretamente quanto em seu papel catalítico na oxidação do dióxido de enxofre atmosférico
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa Cambridge International
English
Nitrogen gas, $\text{N}_2$, makes up most of the air but reacts with very little. There are two reasons:
the two nitrogen atoms are joined by a triple bond 三键, which has a very high bond energy 键能. A lot of energy is needed to break it.
the molecule has no polarity 极性 — it is perfectly symmetrical, so nothing pulls other molecules towards it.
Português
O gás nitrogênio, $\text{N}_2$, compõe a maior parte do ar, mas reage com muito pouco. Há duas razões:
os dois átomos de nitrogênio estão unidos por uma ligação tripla 三键, que tem uma energia de ligação 键enmuito alta. Muita energia é necessária para quebrá-la.
a molécula não tem polaridade 极性 — ela é perfeitamente simétrica, então nada atrai outras moléculas para ela.
O nitrogênio é pouco reativo por duas razões: uma ligação tripla muito forte e uma molécula simétrica e apolar
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A forma da amônia
A amônia possui três pares ligantes e um par livre — o par livre empurra as ligações para baixo, resultando em uma forma piramidal (aproximadamente 107°).
12.1
Ammonia and the ammonium ion · Amônia e o íon amônio
English
Basicity of ammonia
The basicity 碱性 of ammonia (its ability to act as a base) comes from the lone pair 孤对电子 of electrons on the nitrogen atom. Using the Brønsted–Lowry theory, ammonia is a base because this lone pair can accept a proton 质子 ($\text{H}^+$):
When the lone pair forms a bond to $\text{H}^+$, it makes the ammonium ion 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Because both shared electrons came from the nitrogen, this new bond is a coordinate bond 配位键. The ion has four identical N–H bonds and a tetrahedral shape.
Displacement of ammonia from its salts
If you warm an ammonium salt with a base (such as sodium hydroxide), you push out ammonia gas. This is an acid–base displacement 置换:
The sharp smell of ammonia, and damp red litmus turning blue, is a test for an ammonium salt.
Português
A amônia é convertida em fertilizantes nitrogenados em plantas industriais em grande escala.
Basicidade da amônia
A basicidade 碱性 da amônia (sua capacidade de atuar como base) vem do par isolado 孤对电子 de elétrons no átomo de nitrogênio. Usando a teoria de Brønsted–Lowry, a amônia é uma base porque esse par isolado pode aceitar um próton 质子 ($\text{H}^+$):
A amônia atua como base porque o par isolado em seu nitrogênio aceita um próton, formando o íon amônio
O íon amônio
Quando o par isolado forma uma ligação com $\text{H}^+$, ele forma o íon amônio 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Como ambos os elétrons compartilhados vieram do nitrogênio, essa nova ligação é uma ligação coordenada 配位键. O íon possui quatro ligações N–H idênticas e uma forma tetraédrica.
Deslocamento de amônia de seus sais
Se você aquecer um sal de amônio com uma base (como hidróxido de sódio), você desloca o gás amônia. Esta é uma deslocação 置换 ácido-base:
In sunlight, $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate (PAN). PAN is a harmful part of photochemical smog 光化学烟雾, the brown haze seen over busy cities.
Acid rain
The oxides of nitrogen also help make acid rain 酸雨 in two ways:
directly: $\text{NO}_2$ dissolves in rain to form nitric acid.
as a catalyst: $\text{NO}_2$ speeds up the oxidation of atmospheric sulfur dioxide 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) into $\text{SO}_3$, which then forms sulfuric acid in the rain.
Worked example. A white solid is warmed with aqueous $\text{NaOH}$, and a gas is released that turns damp red litmus blue. Identify the gas and the ion in the solid, and explain the reaction. The only common gas that turns damp red litmus blue is ammonia, $\text{NH}_3$, so the solid contains the ammonium ion, $\text{NH}_4^{+}$. The hydroxide ion is the stronger base, so it takes the proton back from the ammonium ion:
This is the standard test for $\text{NH}_4^{+}$. Always say the litmus is damp: the ammonia must dissolve in the water before it can show its basicity, so dry litmus would give no colour change at all.
Português
De onde vêm
Óxidos de nitrogênio ($\text{NO}$ e $\text{NO}_2$, juntos chamados de $\text{NO}_x$) vêm de duas fontes:
naturais: relâmpagos dão energia suficiente para que nitrogênio e oxigênio no ar se combinem.
man-made (artificial): a alta temperatura dentro de um motor de combustão interna 内燃机 faz com que nitrogênio e oxigênio reajam:
Em um conversor catalítico, os gases nocivos NO e CO reagem sobre o catalisador para formar N$_2$ inofensivo e CO$_2$
Smog fotoquímico
À luz do sol, $\text{NO}$ e $\text{NO}_2$ reagem com hidrocarbonetos não queimados para formar peroxiacetil nitrato (PAN). O PAN é uma parte nociva do smog fotoquímico 光化学烟雾, a névoa marrom vista sobre cidades movimentadas.
Smog fotoquímico sobre uma grande cidade. A camada marrom está presa mais baixa, exatamente onde estão os gases do tráfego — a luz solar transforma esses óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos não queimados na névoa que você vê
Chuva ácida
Os óxidos de nitrogênio também ajudam a formar chuva ácida 酸雨 de duas maneiras:
diretamente: $\text{NO}_2$ se dissolve na chuva para formar ácido nítrico.
como catalisador: $\text{NO}_2$ acelera a oxidação do dióxido de enxofre atmosférico 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) em $\text{SO}_3$, que então forma ácido sulfúrico na chuva.
Óxidos de nitrogênio e enxofre causam chuva ácida: NO$_2$ forma ácido nítrico diretamente e também catalisa a oxidação de SO$_2$ em ácido sulfúrico
Exemplo resolvido. Um sólido branco é aquecido com $\text{NaOH}$ aquoso, e um gás é liberado que torna o papel tornasol vermelho úmido azul. Identifique o gás e o íon no sólido, e explique a reação. O único gás comum que torna o papel tornasol vermelho úmido azul é a amônia, $\text{NH}_3$, portanto o sólido contém o íon amônio, $\text{NH}_4^{+}$. O íon hidróxido é a base mais forte, então ele retoma o próton do íon amônio:
Este é o teste padrão para $\text{NH}_4^{+}$. Sempre diga que o papel tornasol está úmido: a amônia deve se dissolver na água antes de poder mostrar sua basicidade, então o papel tornasol seco não daria nenhuma mudança de cor.
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Rota da poluição por NOx
Traços de óxidos de nitrogênio de motores quentes causam danos ambientais.
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