Capítulo VII

NITRÓGENO Y LOS ELEMENTOS RAROS: ARGÓN, HELIO, NEÓN, KRIPTÓN, XENÓN

~Histórico.~ El nitrógeno fue descubierto por el químico inglés Rutherford en 1772. Poco después, Scheele demostró que es un constituyente del aire, y Lavoisier le dio el nombre de azote, que significa que no sostiene la vida. Posteriormente se le dio el nombre de nitrógeno debido a su presencia en el salitre o nitro. El término azote y el símbolo Az aún son utilizados por los químicos franceses.

~Ocurrencia.~ El aire está compuesto principalmente de oxígeno y nitrógeno en estado libre, siendo aproximadamente 78 partes en volumen de cada 100 partes de aire nitrógeno. El nitrógeno también se encuentra en la naturaleza en forma de nitrato de potasio (KNO{3})—comúnmente llamado salitre o nitro—así como en el nitrato de sodio (NaNO{3}). El nitrógeno es también un constituyente esencial de todos los organismos vivos; por ejemplo, el cuerpo humano contiene aproximadamente un 2.4% de nitrógeno.

~Preparación a partir del aire.~ El nitrógeno puede prepararse a partir del aire mediante la acción de alguna sustancia que se combine con el oxígeno, dejando el nitrógeno libre. Sin embargo, debe elegirse una sustancia que se combine con el oxígeno para formar un producto que no sea un gas y que pueda separarse fácilmente del nitrógeno. Las sustancias más comúnmente utilizadas para este propósito son el fósforo y el cobre.

1. Por la acción del fósforo. El método utilizado para la preparación de nitrógeno mediante la acción del fósforo es el siguiente:

El fósforo se coloca en un pequeño plato de porcelana, sostenido sobre un corcho y flotando sobre agua (Fig. 26). Luego se enciende en contacto con un alambre caliente, y de inmediato se cubre con una campana o botella para confinar una porción de aire. El fósforo se combina con el oxígeno para formar un óxido de fósforo, conocido como pentóxido de fósforo. Este es un sólido blanco que flota dentro de la campana, pero en poco tiempo es absorbido completamente por el agua, dejando el nitrógeno. La eliminación del oxígeno se indica por el ascenso del agua en la campana.

2. Por la acción del cobre. El oxígeno presente en el aire también puede eliminarse haciendo pasar aire lentamente a través de un tubo caliente que contiene cobre. El cobre se combina con el oxígeno para formar óxido de cobre, que es un sólido. El nitrógeno pasa y puede recogerse sobre agua.

~El nitrógeno obtenido del aire no es puro.~ Dado que el aire, además de oxígeno y nitrógeno, contiene pequeñas cantidades de otros gases, y ya que tanto el fósforo como el cobre solo eliminan el oxígeno, es evidente que el nitrógeno obtenido por estos métodos nunca es completamente puro. Aproximadamente el 1% del producto está compuesto por otros gases, de los cuales es muy difícil separar el nitrógeno. Sin embargo, el nitrógeno impuro así obtenido puede utilizarse para estudiar la mayoría de las propiedades del nitrógeno, ya que estas no se ven afectadas de manera significativa por la presencia de los otros gases.

~Preparación a partir de compuestos de nitrógeno.~ El nitrógeno puro puede obtenerse a partir de ciertos compuestos del elemento. Así, si se aplica calor al compuesto nitrito de amonio (NH{4}NO{2}), ocurre el cambio representado en la siguiente ecuación:

NH{4}NO{2} = 2H{2}O + 2N.

~Propiedades físicas.~ El nitrógeno es similar al oxígeno y al hidrógeno en que es un gas incoloro, inodoro e insípido. Un litro de nitrógeno pesa 1.2501 g. Es casi insoluble en agua. Puede obtenerse en forma de un líquido incoloro con un punto de ebullición de -195 °C a presión ordinaria. A -214 °C se solidifica.

~Propiedades químicas.~ El nitrógeno se caracteriza por su inercia. No es combustible ni sostiene la combustión. A temperaturas ordinarias no se combina directamente con ningún elemento, salvo en condiciones poco comunes. A temperaturas más altas se combina con magnesio, litio, titanio y varios otros elementos. Los compuestos formados se llaman nitruros, así como los compuestos de un elemento con oxígeno se llaman óxidos. Cuando se mezcla con oxígeno y se somete a la acción de chispas eléctricas, los dos gases se combinan lentamente formando óxidos de nitrógeno. Una mezcla de nitrógeno e hidrógeno tratada de manera similar forma amoníaco, un compuesto gaseoso de nitrógeno e hidrógeno. Como estamos inhalando nitrógeno constantemente, es evidente que no es venenoso. Sin embargo, la vida sería imposible en una atmósfera de nitrógeno puro debido a la ausencia del oxígeno necesario.

~Argón, helio, neón, kriptón, xenón.~ Todos estos son elementos raros que se encuentran en el aire en cantidades muy pequeñas. El argón, descubierto en 1894, fue el primero en obtenerse. Lord Rayleigh, un científico inglés, mientras determinaba los pesos exactos de varios gases, observó que el nitrógeno obtenido del aire es ligeramente más pesado que el nitrógeno puro obtenido de sus compuestos. Tras repetir sus experimentos muchas veces, siempre con los mismos resultados, Rayleigh concluyó finalmente que el nitrógeno que había obtenido del aire no era puro, sino que estaba mezclado con una pequeña cantidad de algún gas desconocido cuya densidad es mayor que la del nitrógeno. Partiendo de esta suposición, Rayleigh, junto con el químico inglés Ramsay, intentó separar el nitrógeno del gas desconocido. Sabiendo que el nitrógeno se combinaría con el magnesio, hicieron pasar el nitrógeno obtenido del aire y libre de todas las sustancias conocidas a través de tubos que contenían magnesio calentado a la temperatura necesaria. Tras repetir esta operación, finalmente lograron obtener del nitrógeno atmosférico un pequeño volumen de gas que no se combinaba con el magnesio y, por lo tanto, no podía ser nitrógeno. Esto resultó ser un nuevo elemento, al que dieron el nombre de argón. Como se predijo, este nuevo elemento resultó ser más pesado que el nitrógeno, su densidad comparada con el hidrógeno como estándar es aproximadamente 20, mientras que la del nitrógeno es solo 14. Aproximadamente el 1% del nitrógeno atmosférico resultó ser argón. El nuevo elemento se caracteriza por no tener afinidad con otros elementos. Incluso bajo las condiciones más favorables no se ha logrado hacerlo combinar con ningún otro elemento. Por ello se le dio el nombre de argón, que significa perezoso o inerte. Al igual que el nitrógeno, es incoloro, inodoro e insípido. Ha sido licuado y solidificado. Su punto de ebullición es -187 °C.

El helio se encontró por primera vez en los gases expulsados de ciertos minerales al ser calentados. Por medio del espectroscopio se sabía de su existencia en el sol mucho antes de que se demostrara su presencia en la Tierra, hecho que sugiere el nombre helio, que significa sol. También se ha comprobado su existencia en trazas en la atmósfera. Fue licuado por primera vez por Onnes en julio de 1908. Su punto de ebullición, es decir, -269 °C, es la temperatura más baja alcanzada hasta ahora.

Los elementos restantes de este grupo—neón, kriptón y xenón—se han obtenido a partir del aire líquido. Cuando se deja hervir el aire líquido, los componentes que son más difíciles de licuar, y que por lo tanto tienen los puntos de ebullición más bajos, se vaporizan primero, seguidos por los demás en el orden de sus puntos de ebullición. De esta manera es posible lograr al menos una separación parcial del aire en sus componentes, y así Ramsay logró obtener del aire líquido no solo los componentes ya conocidos, incluyendo el argón y el helio, sino también los nuevos elementos neón, kriptón y xenón. Estos elementos, al igual que el helio, resultaron ser similares al argón en que carecen de actividad química, aparentemente no formando ningún compuesto. Los porcentajes presentes en el aire son muy pequeños. Los nombres neón, kriptón y xenón significan respectivamente, nuevo, oculto, extraño.

EJERCICIOS

1. ¿Cómo podrías distinguir entre oxígeno, hidrógeno y nitrógeno?

2. Calcula los pesos relativos de nitrógeno y oxígeno; de nitrógeno e hidrógeno.

3. En la preparación de nitrógeno a partir del aire, ¿cómo funcionaría el hidrógeno como sustancia para la eliminación del oxígeno?

4. ¿Qué peso de nitrógeno puede obtenerse de 10 l de aire medidos bajo las condiciones de temperatura y presión que prevalecen en tu laboratorio?

5. ¿Cuántos gramos de nitrito de amonio son necesarios para preparar 20 l de nitrógeno medidos sobre agua bajo las condiciones de temperatura y presión que prevalecen en tu laboratorio?

6. Si 10 l de aire, medidos en condiciones estándar, se hacen pasar sobre 100 g de cobre caliente, ¿cuánto aumentará el peso del cobre?