Valencias del Nitrógeno: Configuración y Compuestos
Las valencias del nitrógeno van del -3, como en amoníaco y aminas, al +5 como en ácido nítrico (Tyagi, 2009). Este elemento no expande valencias como otros.
El átomo de nitrógeno es un elemento químico con número atómico 7 y el primer elemento del grupo 15 (antiguamente VA) de la tabla periódica. El grupo consiste en nitrógeno (N), fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb), bismuto (Bi) y moscovium (Mc).
Los elementos comparten ciertas similitudes generales en el comportamiento químico, aunque están claramente diferenciados entre sí químicamente. Estas similitudes reflejan características comunes de las estructuras electrónicas de sus átomos (Sanderson, 2016).
El nitrógeno está presente en casi todas las proteínas y juega un papel importante tanto en aplicaciones bioquímicas, como en aplicaciones industriales. El nitrógeno forma fuertes lazos debido a su capacidad de formar un triple enlace con otro átomo de nitrógeno y otros elementos.
Por lo tanto, hay una gran cantidad de energía en los compuestos de nitrógeno. Antes de 100 años atrás, poco se sabía sobre el nitrógeno. Ahora, el nitrógeno se utiliza comúnmente para conservar los alimentos, y como fertilizante (Wandell, 2016).
Configuración electrónica y valencias
En un átomo, los electrones llenan los diferentes niveles según sus energías. Los primeros electrones llenan los niveles de energía baja y luego se mueven a un nivel de energía más alto.
El nivel de energía más externo en un átomo se conoce como capa de valencia y los electrones colocados en esta capa son conocidos como electrones de valencia.
Estos electrones se encuentran principalmente en la formación de enlaces y en la reacción química con otros átomos. Por lo tanto, los electrones de valencia son responsables de diferentes propiedades químicas y físicas de un elemento (Valence Electrons, S.F.).
El nitrógeno, como se mencionó antes, posee un número atómico de Z=7. Esto implica que su llenado de los electrones en sus niveles de energía, o configuración electrónica, sea 1S2 2S2 2P3.
Hay que recordar que en la naturaleza, los átomos siempre buscan tener la configuración electrónica de gases nobles ya sea ganando, perdiendo o compartiendo electrones.
En el caso del nitrógeno, el gas noble al que busca tener configuración electrónica es el neón, cuyo número atómico es Z=10 (1S2 2S2 2P6) y el helio, cuyo número atómico es Z=2 (1S2) (Reusch, 2013).
Las distintas formas que tiene el nitrógeno de combinarse le darán su valencia (o estado de oxidación). En el caso específico del nitrógeno, por estar en el segundo período de la tabla periódica, es incapaz de expandir su capa de valencia como lo hacen los demás elementos de su grupo.
Es de esperar que posea valencias de -3, +3 y +5. Sin embargo, el nitrógeno posee estados de valencia que van desde el -3, como en amoníaco y aminas, a +5, como en ácido nítrico. (Tyagi, 2009).
La teoría del enlace de valencia ayuda a poder explicar la formación de compuestos, según la configuración electrónica del nitrógeno para un estado de oxidación dado. Para esto hay que tomar en cuenta el número de electrones en la capa de valencia y cuanto falta para adquirir configuración de gas noble.
Compuestos de nitrógeno
Dado su gran número de estados de oxidación, el nitrógeno puede formar una gran cantidad de compuestos. En primera instancia, hay que recordar que en el caso del nitrógeno molecular, por definición su valencia es 0.
El estado de oxidación de -3 es uno de los más comunes para el elemento. Ejemplos de compuestos con este estado de oxidación son el amoniaco (NH3), las aminas (R3N), el ión amonio (NH4+), las iminas (C=N-R) y los nitrilos (C≡N).
El estado de oxidación -2, el nitrógeno queda con 7 electrones en su capa de valencia. Este número impar de electrones en la capa de valencia explica por qué los compuestos con este estado de oxidación poseen un enlace puente entre dos nitrógeno. Ejemplos de compuestos con este estado de oxidación son hidracinas (R2-N-N-R2) e hidrazonas (C=N-N-R2).
En el estado de oxidación -1, el nitrógeno queda con 6 electrones en la capa de valencia. Ejemplo de compuestos de nitrógeno con esta valencia son la hidroxil amina (R2NOH) y los azocompuestos (RN=NR).
En los estados de oxidación positivos, el nitrógeno generalmente está unido a átomos de oxígeno formando óxidos, oxisales u oxácidos. Para el caso del estado de oxidación +1, el nitrógeno posee 4 electrones en su capa de valencia.
Son ejemplo de compuestos con esta valencia el óxido de dinitrógeno o gas hilarante (N2O) y los compuestos nitroso (R=NO) (Reusch, Oxidation States of Nitrogen, 2015).
Para el caso del estado de oxidación de +2, es un ejemplo el óxido de nitrógeno u óxido nítrico (NO), un gas incoloro producido por la reacción de metales con ácido nítrico diluido. Este compuesto es un radical libre sumamente inestable puesto que reacciona con O2 en el aire para formar el gas NO2.
Nitrito (NO2–) en solución básica y ácido nitroso (HNO2) en solución ácida son ejemplos de compuestos con estado de oxidación +3. Estos pueden ser agentes oxidantes para producir normalmente NO (g) o agentes reductores para formar el ion nitrato.
El trióxido de dinitrógeno (N2O3) y el grupo nitro (R-NO2) son otros ejemplos de compuestos nitrogenados con valencia +3.
El dióxido nítrico (NO2) o dióxido de nitrógeno es un compuesto de nitrógeno con valencia +4. Es un gas marrón producido generalmente por la reacción del ácido nítrico concentrado con muchos metales. Dimeriza para formar N2O4.
En estado +5 encontramos los nitratos y el ácido nítrico los cuales son agentes oxidantes en soluciones ácidas. En este caso, el nitrógeno posee 2 electrones en la capa de valencia, los cuales están en el orbital 2S. (Oxidation states of nitrogen, S.F.).
También existen compuestos como la nitrosilazida y el trióxido de dinitrógeno donde el nitrógeno presenta varios estados de oxidación en la molécula. En el caso de la nitrosilazida (N4O) el nitrógeno posee valencia -1, 0,+1 y +2; y en el caso del trióxido de dinitrógeno, posee valencia +2 y +4.
Nomenclatura de compuestos de nitrógeno
Dada la complejidad de la química de los compuestos de nitrógeno, la nomenclatura tradicional no bastaba para nombrarlos y mucho menos identificarlos adecuadamente. Es por eso, entre otras razones, que la unión internacional de química pura y aplicada (IUPAC por sus siglas en inglés) creo una nomenclatura sistemática donde se nombra los compuestos según la cantidad de átomos que contengan.
Esto es beneficioso a la hora de nombrar los óxidos de nitrógeno. Por ejemplo el óxido nítrico se nombraría monóxido de nitrógeno y el óxido nitroso (NO) monóxido de dinitrógeno (N2O).
Adicionalmente, en el año de 1919, el químico alemán Alfred Stock desarrolló un método para nombrar los compuestos químicos basados en el estado de oxidación, el cual se escribe en números romanos encerrado entre paréntesis. Así, por ejemplo el óxido nítrico y el óxido nitroso se llamarían óxido de nitrógeno (II) y óxido de nitrógeno (I) respectivamente (IUPAC, 2005).
Referencias
- Oxidation states of nitrogen. (S.F.). Recuperado de kpu.ca.
- Electron Configurations in the Periodic Table. Recuperado de chemistry.msu.edu.