Lazoto è un elemento chimico della tavola periodica degli elementi con simbolo N. Si presenta in natura prevalentemente sotto forma di azoto molecolare (detto anche "azoto biatomico", "azoto diatomico", "diazoto" o semplicemente "azoto"), formato da due atomi di azoto (N2).
Storia
L'azoto, sotto forma di cloruro di ammonio (NH₄Cl) era conosciuto dagli alchimisti come "sal ammoniaco" ed era prodotto in Egitto riscaldando una miscela di sterco, sale e urina.
A partire dal 1500 gli scienziati iniziarono a proporre l'idea della presenza di un altro gas nell'atmosfera oltre all'ossigeno e all'anidride carbonica, ma non furono in grado di provarlo fino al 1700.
Fu ottenuto negli anni 1760 sia da Henry Cavendish che da Joseph Priestley, rimuovendo l'ossigeno dall'aria. Notarono che l'azoto era in grado di spegnere una candela accesa e che un topo che respirava quel gas moriva rapidamente. Nessuno dei due, però, dedusse che fosse un elemento. La prima persona a suggerirlo fu un giovane studente, Daniel Rutherford, nella sua tesi di dottorato del settembre 1772 a Edimburgo, in Scozia.
Nel 1958 l'isotopo 15N arricchito è stato utilizzato per dimostrare la replicazione semiconservativa del DNA.
Secondo alcune fonti, il termine fu coniato nel 1787 dal chimico francese Louis-Bernard Guyton-Morveau. Il nome "nitrogène" fu invece suggerito dal chimico francese Jean-Antoine Chaptal nel 1790, quando si scoprì che l'azoto era presente nell'acido nitrico e nei nitrati. Antoine Lavoisier propose invece il nome "azote", dal greco antico: ἀζωτικός, che significa "senza vita". In inglese si è conservata la denominazione nitrogen, mentre in tedesco viene chiamato Stickstoff.
Abbondanza e disponibilità
Abbondanza L'azoto è:
il quinto elemento più abbondante nell'universo, il settimo per abbondanza nella Via Lattea e nel sistema solare; il 19º sulla crosta terrestre, di cui costituisce lo 0,02% (57% organico - 43% inorganico); il primo elemento per abbondanza nell'aria, di cui costituisce il 78,09%; il quarto elemento più presente del corpo umano, di cui costituisce il 3%
Universo Nell'universo l'azoto viene prodotto principalmente da stelle di massa ridotta e intermedia (LIMS), con rese nucleosintetiche che dipendono in modo complesso dalla metallicità. In particolare, una generazione stellare può rilasciare nel mezzo interstellare (ISM) della galassia, sia azoto primario che secondario.
La componente primaria viene prodotta durante il terzo evento di dragaggio, che si verifica lungo la fase di ramo asintotico delle giganti (AGB), se la combustione nucleare alla base dell'involucro convettivo è efficiente. La componente di azoto secondario aumenta con la metallicità. Essendo un prodotto del ciclo del carbonio-azoto-ossigeno, l'azoto si forma a spese del carbonio e dell'ossigeno presenti nella stella.
L'azoto solido costituisce grande parte della superficie di Plutone, dove si mescola con monossido di carbonio solido e metano, e della luna nettuniana Tritone. Su Plutone è stato osservato direttamente per la prima volta nel luglio 2015 dalla sonda spaziale New Horizons, mentre su Tritone è stato osservato direttamente dalla sonda spaziale Voyager 2 nell'agosto 1989."Flowing nitrogen ice glaciers seen on surface of Pluto after New Horizons flyby". ABC. 25 July 2015.
Atmosfera Nell'atmosfera terrestre è presente sotto forma di molecola biatomica N2, chimicamente inerte per via del forte triplo legame; tuttavia, i processi biotici possono assimilarlo e trasformarlo in specie reattive come nitrito (NO2−), nitrato (NO3−) e ammonio (NH4+) nella biosfera. Nell'atmosfera sono presenti 4 × 1018 kg di azoto (99,96% dell'azoto totale presente sulla Terra).
Crosta terrestre La quantità totale di azoto presente nella crosta terrestre non è ben definita per tre diversi motivi:
dipende dal materiale precursore della Terra il contenuto di azoto nel nucleo terrestre non è ben determinato la concentrazione di azoto nei diversi serbatoi può variare nel corso del tempo geologico
Si stima che la quantità di azoto presente nella crosta terrestre si aggiri tra i 50 e gli 88 μg/g. Utilizzando il valore stimato più recente (74 μg/g) si arriva ad avere una quantità totale di azoto nella crosta terrestre pari a 1,4 × 1018 kg.
La distribuzione dell'azoto tra i vari serbatoi riflette i meccanismi di riciclo. Un contributo importante al riciclo dell'azoto è rappresentato dalle zone di subduzione, dove i sedimenti contenenti materiali organici ricchi di azoto scendono nel mantello. Le condizioni redox giocano un ruolo cruciale nel processo di discesa, poiché la fugacità dell'ossigeno governa la speciazione dell'azoto.
Una parte dell'azoto viene rilasciata negli oceani e nell'atmosfera attraverso la degassazione del N2. L'azoto nei minerali silicatici (minerali argillosi, mica, feldspato, granato, wadsleyite e bridgmanite) esiste prevalentemente come NH4+. L'azoto si trova anche nella grafite e nel diamante, dove si presenta in forma elementare. I nitruri sono stabili in condizioni estremamente riducenti, come quelle esistenti durante i processi di formazione planetaria primordiale, e potrebbero ancora persistere nel mantello inferiore.
Oceani Negli oceani sono presenti 2,4 × 1016 kg di azoto con l'N2 come specie dominante e altre specie minori come NO3−, NH4+ e N2O.
Biomassa Nella biomassa il contenuto totale di azoto si attesta intorno a ∼9,6 × 1014 kg. Circa il 96% è contenuto nella materia organica presente nel suolo, mentre il restante 4% è contenuto negli organismi viventi di cui il 94-99% è contenuto nelle piante e solo l'1-6% negli animali e nei microrganismi, tuttavia questa proporzione dipende dello specifico ecosistema.
Negli organismi viventi, l'azoto può essere trovato sotto forma di gas all'interno delle cellule e/o in forma ossidata o ridotta. In forma ridotta è il componente principale delle più importanti macromolecole biologiche: le proteine/polipeptidi, il DNA/RNA e nei polimeri degli amminozuccheri. Altre molecole contenenti azoto sono le porfirine e alcuni metaboliti secondari delle piante.
Da notare il fatto che l'azoto viene prodotto naturalmente dallE. coli ceppo K12 e dal P. rhodosperma.
Disponibilità
Prima delle attività antropiche, l'azoto disponibile per gli organismi derivava principalmente dall'azotofissazione e dai fulmini. Tuttavia la disponibilità è cambiata drasticamente a causa delle attività umane. Infatti, più azoto viene fissato annualmente a causa dell'impatto dell'uomo rispetto a quello fissato attraverso i processi naturali.
I più importanti sono la fissazione industriale e agricola dell'azoto e la fissazione dell'azoto attraverso la combustione di combustibili fossili. Inoltre, la combustione della biomassa e la conversione/disboscamento dei suoli accelerano la mobilizzazione dell'azoto.
Sebbene la maggior parte dell'azoto non atmosferico sia accumulata in rocce, sedimenti e depositi organici, la sua disponibilità è severamente limitata. Questa carenza complessiva, non solo dalla litosfera, rende l'azoto uno dei nutrienti più importanti e limitanti.
Chimica nucleare L'azoto ha:
numero atomico = 7 massa atomica = 14,0067u massa molecolare = 28,014 g/mol massa monoisotopica = 28,006148008 Da superficie polare = 47,6 Ų
Isotopi
+Isotopi dell'azoto e loro caratteristiche Nuclide Abbondanza Massa Spin Emivita Decadimento 10N—10,04162-p 11N—11,0261½p 11mN—½ -n.m. 12N — 12,0186 1 0,011 s β+ 13N — 13,0057 ½ - 9,965 min β+ 14N 99,636 14,0031 1 stabile — 15N 0,364 15,0001 ½ - stabile — 16N — 16,0061 2- 7,13 s β−17N — 17,0084 ½ - 4,173 s β− 18N — 18,0141 1- 0,622 sβ−19N — 19,0170 ½ - 0,271 s β−20N — 20,0237 n.m. 0,13 s β−21N — 21,0270 ½ - 87 ms β− 22N — 22,0344 n.m. 13,9 ms β− 23N — 23,0405 ½ - >14,5 ms β−24N — 24,0505 n.m. <52 ns n 25N—½ -<260 nsn.m. Sono noti due isotopi stabili - 14N (99,63%) e 15N (0,37%) - e numerosi radionuclidi con tempo di dimezzamento brevissimo. Il più comune degli isotopi stabili dell'azoto è il 14N, nell'atmosfera infatti il rapporto 15N:14N è pari a 0,3663 e di cui lo 0,73% è dato dall'isotopomero 14N15N, mentre il resto è 14N2. Questi due isotopi stabili partecipano a diversi processi chimici che vanno dai meccanismi di reazione enzimatica al ciclo biogeochimico. Le differenze nel rapporto tra i due isotopi di azoto nei vari composti sono principalmente una conseguenza della tendenza dell'isotopo leggero dell'azoto a reagire a una velocità maggiore rispetto all'isotopo pesante. Quattordici isotopi radioattivi sono stati identificati, ma hanno tempi di decadimento troppo brevi per essere utili in geochimica. Le variazioni degli isotopi stabili dell'azoto terrestre hanno origine da effetti vibrazionali e sono quindi piuttosto limitate.
Reazioni nucleari Nel 1919 Ernest Rutherford fece passare le particelle alfa generate da un radionuclide naturale attraverso una camera contenente atomi di azoto e scoprì che veniva prodotta un'altra radiazione, più penetrante. 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. Rutherford ipotizzò che la cattura di una particella alfa da parte del nucleo dell'azoto produce un nucleo eccitato di fluoro-18, che a sua volta emette un protone formando nuclidi di ossigeno-17, un isotopo raro ma stabile: α + 14N → 18F* → 17O + p Nell'atmosfera, per effetto dei raggi cosmici, avviene la seguente reazione: 14N + n → 14C + p ΔE = Se i neutroni hanno energia molto elevata la reazione può decorrere in modo differente dando luogo a trizio: 14N + n → 12C + 3H ΔE = 4,015 MeV
Impiegando neutroni termici e quindi di minor energia rispetto a quelli dei raggi cosmici si ha invece: 14N + n → 15N* → 15N + γ ΔE = −10,83 MeV
I raggi γ emessi hanno una frequenza caratteristica (intorno a ΔE/h) e, poiché la maggioranza degli esplosivi di largo impiego contiene quantità importanti di azoto (tritolo 18,5%, nitroglicerina 18,5%, ciclonite o T4 37,8%, PETN 17,7%, tetryl 24,4%), questo fatto permette di sfruttare tale reazione nei rilevatori di esplosivi negli aeroporti.
Separazione isotopica L'arricchimento isotopico di 15N viene solitamente eseguito per scambio chimico, anche se sono stati messi a punto promettenti metodi cromatografici che sfruttano polimeri criptanti. Il sistema più efficiente e dunque più usato si basa sul seguente equilibrio bifasico:
15NO(g) + 14NO(aq) ⇄ 14NO(g) + 15NO(aq) (K = 1,055)
grazie al quale si riescono a ottenere concentrazioni di 15N superiori al 99,5%. Altre reazioni impiegate per l'arricchimento sono:
15NH3(g) + 14NH(aq) ⇄ 14NH3(g) + 14NH(aq) 15NO(g) + 14NO2(g) ⇄ 14NO(g) + 15NO2(g)
La distillazione frazionata di NO è un altro buon metodo per l'arricchimento dell'isotopo 15N. Il prodotto finale conterrà anche una significativa concentrazione dell'isotopologo 15N18O, fonte utile del più pesante isotopo stabile dell'ossigeno.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare Entrambi gli isotopi stabili dell'azoto (14N e 15N) hanno spin nucleare e possono dunque essere sfruttati nelle tecniche di spettroscopia NMR. La sensibilità con cui può essere rivelato 14N è di circa un millesimo rispetto a quella di 1H, ma superiore di circa 5 volte rispetto a quella di 13C. Per 15N è notevolmente inferiore sia a 1H che a 13C.
La spettroscopia NMR del 14N soffre del fatto che 14N è un nucleo quadrupolare (I=1). Nonostante il momento quadrupolare relativamente piccolo (Q=0.0017×10⁻²⁸ m²), i segnali NMR del 14N sono comunemente larghi (w1/2 variano da decine a migliaia di Hz), eccetto in ambienti altamente simmetrici (es. NR₄⁺, NO₃⁻, ecc.) e in alcuni casi particolari (es. isocianati R-NC) in cui i segnali sono ragionevolmente stretti.