- explicar la falta de reactividad del nitrógeno, con referencia a la fuerza del enlace triple y la ausencia de polaridad
- describir y explicar: (a) la basicidad del amoníaco, utilizando la teoría de Brønsted–Lowry (b) la estructura del ion amonio y su formación mediante una reacción ácido-base (c) el desplazamiento del amoníaco de las sales de amonio mediante una reacción ácido-base
- exponer y explicar los orígenes naturales y antropogénicos de los óxidos de nitrógeno y su eliminación catalítica en los gases de escape de los motores de combustión interna
- comprender que los óxidos de nitrógeno atmosféricos ($\text{NO}$ y $\text{NO}_2$) pueden reaccionar con hidrocarburos no quemados para formar peroxiacetilnitrato, PAN, que es un componente del smog fotoquímico
- describir el papel del $\text{NO}$ y el $\text{NO}_2$ en la formación de lluvia ácida, tanto directamente como en su función catalítica en la oxidación del dióxido de azufre atmosférico
Nitrógeno y azufre
A-Level Química · Tema 12
7:40
Nitrógeno y azufre
Toma una respiración. Casi cuatro quintas partes de lo que acabas de inhalar era nitrógeno —y salió todo de nuevo, completamente sin cambios. El nitrógeno es…
Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla
12.1
Por qué el nitrógeno es poco reactivo
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
El gas nitrógeno, $\text{N}_2$, constituye la mayor parte del aire pero reacciona con muy pocas sustancias. Hay dos razones:
- los dos átomos de nitrógeno están unidos por un enlace triple 三键, que tiene una energía de enlace 键能 muy alta. Se necesita mucha energía para romperlo.
- la molécula no tiene polaridad 极性 — es perfectamente simétrica, por lo que nada atrae otras moléculas hacia ella.
Explorar
La forma del amoníaco
El amoníaco tiene tres pares de enlace y un par libre: el par libre empuja los enlaces hacia abajo formando una forma piramidal (aproximadamente 107°).
12.1
Amoníaco e ion amonio
Basicidad del amoníaco
La basicidad 碱性 del amoníaco (su capacidad para actuar como base) proviene del par libre 孤对电子 de electrones en el átomo de nitrógeno. Según la teoría de Brønsted–Lowry, el amoníaco es una base porque este par libre puede aceptar un protón 质子 ($\text{H}^+$):
$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$
El ion amonio
Cuando el par libre forma un enlace con $\text{H}^+$, se forma el ion amonio 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Como ambos electrones compartidos provenían del nitrógeno, este nuevo enlace es un enlace coordinado 配位键. El ion tiene cuatro enlaces N–H idénticos y una forma tetraédrica.
Desplazamiento del amoníaco de sus sales
Si calienta una sal de amonio con una base (como hidróxido de sodio), se libera gas amoníaco. Esto es una desplazamiento ácido-base 置换:
$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$
El olor penetrante del amoníaco y el papel tornasol rojo húmedo que se torna azul son pruebas de una sal de amonio.
12.1
Óxidos de nitrógeno y contaminación del aire
De dónde provienen
Los óxidos de nitrógeno ($\text{NO}$ y $\text{NO}_2$, llamados juntos $\text{NO}_x$) provienen de dos fuentes:
- natural: los rayos proporcionan suficiente energía para que el nitrógeno y el oxígeno del aire se combinen.
- artificial: la alta temperatura dentro de un motor de combustión interna 内燃 hace que el nitrógeno y el oxígeno reaccionen:
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$
Eliminación de ellos en los gases de escape
Un catalizador 催化转化器 limpia los gases de escape 尾气. Permite que los gases nocivos reaccionen entre sí para formar otros inocuos:
$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$
Smog fotoquímico
A la luz del sol, $\text{NO}$ y $\text{NO}_2$ reaccionan con hidrocarburos no quemados para formar peroxiacetilnitrato (PAN). El PAN es una parte dañina del smog fotoquímico 光化学烟雾, la bruma marrón que se observa sobre las ciudades transitadas.
Lluvia ácida
Los óxidos de nitrógeno también contribuyen a la formación de lluvia ácida 酸雨 de dos formas:
- directamente: $\text{NO}_2$ se disuelve en la lluvia para formar ácido nítrico.
- como catalizador: $\text{NO}_2$ acelera la oxidación del dióxido de azufre atmosférico 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) hacia $\text{SO}_3$, que luego forma ácido sulfúrico en la lluvia.
Ejemplo resuelto. Un sólido blanco se calienta con $\text{NaOH}$ acuoso, y se desprende un gas que vuelve azul el papel tornasol rojo húmedo. Identifique el gas y el ion en el sólido, y explique la reacción. El único gas común que vuelve azul el papel tornasol rojo húmedo es el amoníaco, $\text{NH}_3$, por lo tanto el sólido contiene el ion amonio, $\text{NH}_4^{+}$. El ion hidróxido es una base más fuerte, por lo que recupera el protón del ion amonio:
$$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$
Esta es la prueba estándar para $\text{NH}_4^{+}$. Indique siempre que el papel tornasol está húmedo: el amoníaco debe disolverse en el agua antes de poder mostrar su carácter básico, por lo que el papel tornasol seco no provocaría ningún cambio de color.
Explorar
Ruta de la contaminación por NOx
Trazar los óxidos de nitrógeno desde motores calientes hasta el daño ambiental.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| triple bond/ˈtrɪpl bɒnd/ | 三键 | sān jiàn |
| bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ | 键能 | jiàn néng |
| polarity/pəʊˈlærɪti/ | 极性 | jí xìng |
| basicity/beɪˈsɪsɪti/ | 碱性 | jiǎn xìng |
| lone pair/ləʊn peə/ | 孤对电子 | gū duì diàn zi |
| proton/ˈprəʊtɒn/ | 质子 | zhì zi |
| ammonium ion/æˈməʊnɪəm ˈaɪɒn/ | 铵离子 | ǎn lí zi |
| coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ | 配位键 | pèi wèi jiàn |
| displacement/dɪˈspleɪsmənt/ | 置换 | zhì huàn |
| internal combustion engine/ɪnˈtɜːnl kəmˈbʌstʃn ˈendʒɪn/ | 内燃机 | nèi rán jī |
| catalytic converter/ˌkætəˈlɪtɪk kənˈvɜːtə/ | 催化转化器 | cuī huà zhuǎn huà qì |
| exhaust gases/eɡˈzɔːst ˈɡæsɪz/ | 尾气 | wěi qì |
| photochemical smog/ˌfəʊtəʊˈkemɪkl smɒɡ/ | 光化学烟雾 | guāng huà xué yān wù |
| acid rain/ˈæsɪd reɪn/ | 酸雨 | suān yǔ |
| sulfur dioxide/ˈsʌlfɜː daɪˈɒksaɪd/ | 二氧化硫 | èr yǎng huà liú |
12.1
Consejos para el examen
- $\text{N}_2$ es poco reactivo debido a su enlace triple fuerte (muy alta energía de enlace): enuncie esto exactamente así.
- El amoníaco es una base y un ligando debido a su par libre; el ion amonio se forma mediante un enlace dativo.
- Explique cómo se forman los óxidos de nitrógeno (alta temperatura en motores) y su relación con la lluvia ácida y el smog fotoquímico.
- Proporcione ecuaciones balanceadas y observaciones correctas para las reacciones del amoníaco y del ion amonio.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.