Azoto: differenze tra le versioni

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=== Isotopi ===

{{Vedi anche|Isotopi dell'azoto}}

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|+Isotopi dell'azoto e loro caratteristiche

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Sono noti due [[isotopo|isotopi]] stabili - ¹⁴N (99,63%) e ¹⁵N (0,37%)<ref name=":9">{{Cita libro|nome=Nathaniel E.|cognome=Ostrom|nome2=Peggy H.|cognome2=Ostrom|titolo=Nitrogen nitrogenisotopesisotopes|url=https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/1-4020-4496-8_215|accesso=18 marzo 2025|data=1998|editore=Springer Netherlands|lingua=en|pp=431–434|ISBN=978-1-4020-4496-0|doi=10.1007/1-4020-4496-8_215}}</ref> - e numerosi [[Radionuclide|radionuclidi]] con [[Emivita (fisica)|tempo di dimezzamento]] brevissimo.<ref>{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl?ele=7&isotype=all|titolo=Atomic Weights and Isotopic Compositions for Nitrogen|sito=physics.nist.gov|accesso=18 marzo 2025}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.nndc.bnl.gov//walletcards/search.html|titolo=Nuclear Wallet Cards Search|accesso=18 marzo 2025}}</ref> 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'[[Isotopomeri|isotopomero]] ¹⁴N¹⁵N, mentre il resto è ¹⁴N₂.<ref name=":9" /> Questi due isotopi stabili partecipano a diversi processi chimici che vanno dai meccanismi di reazione enzimatica al [[ciclo biogeochimico]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Marion H.|cognome=O'Leary|data=1981-01|titolo=Carbon isotope fractionation in plants|rivista=Phytochemistry|volume=20|numero=4|pp=553–567|accesso=2025-03-20|doi=10.1016/0031-9422(81)85134-5|url=https://doi.org/10.1016/0031-9422(81)85134-5}}</ref><ref>{{Cita libro|nome=D.M.|cognome=Sigman|nome2=F.|cognome2=Fripiat|titolo=Nitrogen Isotopes in the Ocean|url=https://doi.org/10.1016/b978-0-12-409548-9.11605-7|accesso=2025-03-20|data=2019|editore=Elsevier|pp=263–278|ISBN=978-0-12-813082-7}}</ref> 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.<ref name=":9" /> 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 [[Vibrazione|vibrazionali]] e sono quindi piuttosto limitate.<ref name=":25">{{Cita pubblicazione|nome=Yan-Kun|cognome=Xiang|nome2=Xu|cognome2=Dao|nome3=Meng|cognome3=Gao|data=2022-01-15|titolo=Nitrogen isotope characteristics and source apportionment of atmospheric ammonium in urban cities during a haze event in Northern China Plain|rivista=Atmospheric Environment|volume=269|pp=118800|accesso=2025-03-20|doi=10.1016/j.atmosenv.2021.118800|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1352231021006221}}</ref>

Gli isotopi dell'azoto vengono quasi esclusivamente misurati utilizzando l'N₂ come analita e spettrometri di massa a rapporto ionico con sorgente a gas ad impatto elettronico (IRMS) operanti in modalità di pompaggio dinamico (ossia, il campione viene o ionizzato, accelerato e rilevato o immediatamente eliminato). Storicamente, l'azoto veniva estratto dalla sua matrice, convertito quantitativamente in gas N₂, purificato utilizzando tecniche di estrazione sottovuoto offline e analizzato mediante spettrometria di massa a doppia entrata. La dimensione tipica del campione è >5 micromoli e la precisione sul d¹⁵N è migliore di 0,1‰ (1σ).

Il metodo storico per l'analisi di campioni solidi (es. rocce, minerali, suoli) – generalmente noto come combustione di Dumas – consiste nell'ossidare il campione in un tubo sigillato a circa 900 °C; eventuali ossidi di azoto vengono ridotti dal rame a circa 600 °C e CO₂, SO₂ e H₂O vengono separati dall'N₂ utilizzando azoto liquido o ossido di calcio (es., Kendall e Grim 1990). Attualmente, l'azoto può essere estratto con vari metodi, tra cui frantumazione, ablazione laser e riscaldamento con laser o forno (in condizioni ossidanti, inerti o riducenti), e purificato utilizzando tecniche di cromatografia a gas e/o tecniche chimiche e criogeniche. È anche interessante notare che gli isotopi di N e O dei nitrati vengono comunemente analizzati utilizzando batteri denitrificanti coltivati che rilasciano N₂O.

=== Reazioni nucleari ===

Nel [[1919]] [[Ernest Rutherford]] fece passare le [[Particella α|particelle alfa]] generate da un [[radionuclide]] naturale attraverso una camera contenente atomi di azoto e scoprì che veniva prodotta un'altra radiazione, più penetrante.<ref>{{Cita web|url=https://www.osti.gov/opennet/manhattan-project-history/Events/1890s-1939/exploring.htm#:~:text=In%201919,%20New%20Zealander%20Ernest%20Rutherford%20reported%20on,atom%22%20when%20bombarded%20with%20energetic%20%CE%B1%20(alpha)%20particles.|titolo=Manhattan Project: Exploring the Atom, 1919-1932|sito=www.osti.gov|accesso=2025-03-21}}</ref> Dimostrò che questa nuova radiazione consisteva di [[protone|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:<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Douglas|cognome=McKIE|data=1935|titolo=Daniel Rutherford and the Discovery of Nitrogen|rivista=Science Progress (1933- )|volume=29|numero=116|pp=650–660|accesso=2025-03-21|url=http://www.jstor.org/stable/43420938}}</ref>

:α + ¹⁴N → ¹⁸F* → ¹⁷O + p

Nell'atmosfera, per effetto dei [[raggi cosmici]], avviene la seguente reazione:<ref>{{Cita web|lingua=EN|autore=zz_hugo|url=https://radioactivity.eu.com/articles/phenomenon/radiocarbon|titolo=Carbon-14|sito=radioactivity.eu.com|data=2020-12-08|accesso=2025-03-21}}</ref>

:¹⁴N + n → ¹⁴C + p ΔE = {{M|−1,14|ul=MeV}}

Se i neutroni hanno energia molto elevata la reazione può decorrere in modo differente dando luogo a [[trizio]]:<ref>{{Cita pubblicazione|autore=U.S. Department of Energy’|anno=1999|titolo=ATTACHMENT A - PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF TRITIUM|rivista=DOE|lingua=en|url=https://www.nrc.gov/docs/ML2034/ML20343A210.pdf}}</ref>

:¹⁴N + n → ¹²C + ³H ΔE = 4,015 MeV

Impiegando [[neutrone|neutroni]] termici e quindi di minor energia rispetto a quelli dei raggi cosmici si ha invece:<ref>{{Cita pubblicazione|nome=S. M.|cognome=Naudé|data=1929-12-01|titolo=An Isotope of Nitrogen, Mass 15|rivista=Physical Review|volume=34|numero=11|pp=1498–1499|accesso=2025-03-21|doi=10.1103/PhysRev.34.1498|url=https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.34.1498}}</ref>

:¹⁴N + n → ¹⁵N* → ¹⁵N + γ ΔE = −10,83 MeV

I [[Raggi gamma|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 ([[Trinitrotoluene|tritolo]] 18,5%, [[nitroglicerina]] 18,5%, [[Ciclotrimetilentrinitroammina|ciclonite]] o T4 37,8%, [[Tetranitrato di pentaeritrite|PETN]] 17,7%, [[tetryl]] 24,4%), questo fatto permette di sfruttare tale reazione nei rilevatori di esplosivi negli [[Aeroporto|aeroporti]].<ref>{{Cita web|lingua=en|url=https://www.militaryaerospace.com/communications/article/16705950/airport-security-sensors-capitalize-on-new-technologies|titolo=Airport security sensors capitalize on new technologies|sito=Military Aerospace|data=1999-07-01|accesso=2025-03-21}}</ref>

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!Ciclo del carbonio

|-

|¹²C + p &nbsp;→&nbsp; ¹³N + γ<br />

¹³N &nbsp;→&nbsp; ¹³C + ''e''⁺ + ''v''<br />

¹³C + p &nbsp;→&nbsp; ¹⁴N + ''γ''<br />

¹⁴N + p &nbsp;→&nbsp; ¹⁵O + ''γ''<br />

¹⁵O &nbsp;→&nbsp; ¹⁵N + ''e''⁺ + ''v''<br />

¹⁵N + p &nbsp;→&nbsp; ¹²C + ''α''

|}

I [[Raggi gamma|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 ([[Trinitrotoluene|tritolo]] 18,5%, [[nitroglicerina]] 18,5%, [[Ciclotrimetilentrinitroammina|ciclonite]] o T4 37,8%, [[Tetranitrato di pentaeritrite|PETN]] 17,7%, [[tetryl]] 24,4%), questo fatto permette di sfruttare tale reazione nei rilevatori di esplosivi negli [[Aeroporto|aeroporti]].

=== Separazione isotopica ===

L'arricchimento isotopico di ¹⁵N viene solitamente eseguito per scambio chimico, anche se recentemente sono stati messi a punto promettenti metodi cromatografici che sfruttano [[polimero|polimeri]] [[Criptando|criptanti]]. Il sistema più efficiente e dunque più usato si basa sul seguente equilibrio [[Sistema bifase (termodinamica)|bifasico]]:<ref>{{Cita pubblicazione|nome=C. Y.|cognome=Aguilera|nome2=Consuegra ,S. R.|nome3=Abreú ,D. A.|data=2002-01-11|titolo=Separation of Stable Nitrogen Isotopes by Ion Exchange Chromatography|rivista=Solvent Extraction and Ion Exchange|volume=20|numero=6|pp=777–791|accesso=2025-03-21|doi=10.1081/SEI-120016079|url=https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1081/SEI-120016079}}</ref>

Il sistema più efficiente e dunque più usato si basa sul seguente equilibrio [[Sistema bifase (termodinamica)|bifasico]]:

¹⁵NO(g) + ¹⁴NO{{apici e pedici|b=3|p=−}}(aq) ⇄ ¹⁴NO(g) + ¹⁵NO{{apici e pedici|b=3|p=−}}(aq) &nbsp; &nbsp; &nbsp; ([[Costante di equilibrio|K]] = 1,055)

grazie al quale si riescono a ottenere concentrazioni di ¹⁵N superiori al 99,5%.<br />Altre reazioni impiegate per l'arricchimento sono:

Altre reazioni impiegate per l'arricchimento sono:

¹⁵NH₃(g) + ¹⁴NH{{apici e pedici|b=4|p=+}}(aq) ⇄ ¹⁴NH₃(g) + ¹⁴NH{{apici e pedici|b=4|p=+}}(aq)<br />

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'[[Isotopologhi|isotopologo]] ¹⁵N¹⁸O, fonte utile del più pesante isotopo stabile dell'ossigeno.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Juergen|cognome=Voit|data=2000-09-28|titolo=Fractionated distillation of air to oxygen and nitrogen uses little energy and facilitates the production of oxygen of any purity level|numero=DE19954593A1|lingua=en|accesso=2025-03-21|url=https://patents.google.com/patent/DE19954593A1/en}}</ref>

L'[[acido nitrico]], l'[[ammoniaca]], i sali di [[ammonio]], l'azoto molecolare N₂, gli [[Ossido|ossidi]] [[Monossido di azoto|NO]] e [[Diossido di azoto|NO₂]] sono disponibili in commercio con diversi gradi di arricchimento dell'isotopo ¹⁵N; da questi si possono ottenere i traccianti impiegati in numerosi ambiti di ricerca, molti dei quali sfruttano le tecniche di risonanza magnetica nucleare.

=== 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 di risonanza magnetica nucleare|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. <supref name=":26">14</sup>N{{Cita hapubblicazione|data=2005-12-01|titolo=Encyclopedia inoltreof unAnalytical [[momentoScience di(2nd quadrupolo nucleare]] che comporta l'allargamento delle linee, un inconveniente che può indurre in taluni casi a preferireedition)|rivista=Reference <sup>15Reviews|accesso=2025-03-21|doi=10.1108/09504120510632723|url=https://doi.org/10.1108/09504120510632723}}</supref>N nonostante la scarsa disponibililtà e minore sensibilità.

La spettroscopia NMR del ¹⁴N soffre del fatto che ¹⁴N è un nucleo [[Sviluppo in multipoli|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 [[Hertz|Hz]]), eccetto in ambienti altamente [[Simmetria (fisica)|simmetrici]] (es. NR₄⁺, NO₃⁻, ecc.) e in alcuni casi particolari (es. [[isocianati]] R-NC) in cui i segnali sono ragionevolmente stretti.<ref name=":26" />

Gli studi NMR dei nuclidi di azoto hanno ormai acquisito notevole importanza e versatilità: l'impiego spazia dall'[[Investigazione|indagine]] strutturale a quella sui meccanismi di reazione, dal riconoscimento di nuove specie allo studio della natura dei legami di specie contenenti azoto.<ref>{{Cita libro|nome=Diksha|cognome=Sharma|nome2=V. P.|cognome2=Singh|nome3=Rajesh Kumar|cognome3=Singh|titolo=4 - Isolation and characterization of bioactive compounds from natural resources: Metabolomics and molecular approaches|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780128217108000047|accesso=2025-03-21|data=2021-01-01|editore=Academic Press|pp=77–101|ISBN=978-0-12-821710-8|DOI=10.1016/b978-0-12-821710-8.00004-7}}</ref>

== Caratteristiche atomiche ==

È il primo elemento del [[Gruppo della tavola periodica|gruppo]] 15 del sistema periodico, facente parte del [[Blocco della tavola periodica|blocco]] ''p.''<ref name=":1" /> Nella [[lingua inglese]] viene anche classificato come elemento [[pictogeno]], termine poco usato nella [[lingua italiana]]. Nell'N₂ i due atomi di azoto sono legati tra di loro attraverso un [[triplo legame]].<ref name=":13">{{Cita web|url=https://www.ebi.ac.uk/chebi/searchId.do?chebiId=CHEBI:17997|titolo=dinitrogen (CHEBI:17997)|sito=www.ebi.ac.uk|accesso=2025-03-19}}</ref>

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! colspan=2 | Caratteristiche atomiche<ref>{{Cita web|lingua=en-US|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/ie.pl?spectra=N&submit=Retrieve+Data&units=1&format=0&order=0&at_num_out=on&sp_name_out=on&ion_charge_out=on&el_name_out=on&seq_out=on&shells_out=on&level_out=on&ion_conf_out=on&e_out=0&unc_out=on&biblio=on|titolo=NIST Atomic Ionization Energies Output|sito=physics.nist.gov|accesso=2025-03-21}}</ref>

! colspan=2 | Caratteristiche atomiche

|-

|[[Configurazione elettronica|Configurazione elettronica fondamentale]]

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L'azoto è uno degli atomi più importanti nella [[chimica organica]], [[Chimica inorganica|inorganica]] e [[biochimica]] grazie alla sua presenza in una varietà di stati di [[Valenza (chimica)|valenza]], con diversi tipi di [[Legame chimico|legami]] e [[stereochimica]].<ref>{{Cita libro|nome=G. A.|cognome=Webb|titolo=NMR Spectroscopy, 14N and 15N|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780128032244002193|accesso=2025-03-20|data=2017-01-01|editore=Academic Press|pp=274–283|ISBN=978-0-12-803224-4|DOI=10.1016/b978-0-12-803224-4.00219-3}}</ref>

L'atomo di azoto può avere 3 o 5 [[Elettrone|elettroni]] nel guscio di valenza<ref name=":2" /> e il suo stato elettronico fondamentale è ⁴s. L'[[energia]] di 1ª ionizzazione ha un valore particolarmente elevato;.<ref name=":27">{{Cita web|lingua=en|url=https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Atomic_Theory/Ionization_Energies_of_Diatomic_Molecule|titolo=Ionization Energies of Diatomic Molecule|sito=Chemistry LibreTexts|data=2014-04-26|accesso=2025-03-21}}</ref> contrariamenteContrariamente a quanto si potrebbe prevedere dall'andamento periodico, è maggiore di quello dell'ossigeno.<ref name=":27" /> Anche l'affinità elettronica assume un valore che devia, in questo caso in maniera molto più marcata, dalla periodicità della proprietà, presentando addirittura valore negativo.<ref>{{Cita web|lingua=en|url=https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_Chemistry_-_The_Central_Science_(Brown_et_al.)/07:_Periodic_Properties_of_the_Elements/7.05:_Electron_Affinities|titolo=7.5: Electron Affinities|sito=Chemistry LibreTexts|data=2014-11-18|accesso=2025-03-21}}</ref>

Questi andamenti si ripresentano per tutti gli elementi del gruppo, anche se in misura più sfumata man mano che aumenta il numero atomico, e possono essere giustificati, nell'ambito del [[approssimazione orbitalica|modello orbitalico]], considerando che gli elettroni nello stato fondamentale dell'atomo di azoto si dispongono riempiendo per metà il guscio ''p''. Tale disposizione, con un solo elettrone per ogni [[Orbitale atomico|orbitale]] ''p'', minimizza le repulsioni interelettroniche e rende relativamente stabile l'[[atomo]] rispetto sia alla perdita che al guadagno di un [[elettrone]].

=== Altre caratteristiche ===

Per quanto riguarda l'[[elettronegatività]] e il raggio atomico, i valori rispettano bene la regolarità dell'andamento periodico.