Il settimo elemento del Sistema Periodico è l’azoto (link alla lettura della scheda), con il quale continuiamo gradualmente a riempire il secondo livello energetico. I suoi sette elettroni vanno a generare una configurazione particolarmente stabile. Due se ne stanno nel livello 1s (come l’elio), due nel livello 2s e i restanti tre occupano un orbitale 2p ciascuno. È questa simmetria è bella! Il fatto che ci siano tre elettroni spaiati significa che all’azoto piace il numero tre. Tre è la sua valenza, tre il suo numero di ossidazione preferito, sia positivo che negativo. Per la prima volta, un elemento è più incentivato a rubare elettroni che a cederli. È più facile assomigliare al gas nobile neon (acquisendone tre) che al gas nobile elio (perdendone cinque).
L’azoto è anche il settimo elemento più abbondante dell’Universo. Dieci volte meno di entrambi i suoi vicini, carbonio e ossigeno, che occupano quarto e terzo posto. Il motivo è nel funzionamento delle reazioni di fusione nucleare una volta superato l’ostacolo del processo 3α, che genera il carbonio. Come già detto più volte, una particella α (un nucleo di elio-4) è un modo molto efficace per impacchettare l’energia. Le stelle che arrivano a questa fase della loro vita sono molto ricche di elio, e quindi cominciano a usare tali particelle un po’ come dei mattoncini.
La fusione nucleare procede quindi a balzi di due in due, prediligendo gli elementi pari a scapito di quelli dispari. In tal modo, elementi come l’azoto sono sfavoriti e dunque risultano meno abbondanti degli altri.
Questa alternanza di abbondanze ci accompagnerà da questo punto in poi per tutto il viaggio; l’ho già detto che alla natura non piacciono i dispari? Nel sistema solare ce n’è tantissimo: il satellite Tritone possiede una vasta calotta polare di azoto solido, e il pianeta nano Plutone è caratterizzato da una grande conca piena di tale sostanza, la Sputnik planitia, nella quale galleggiano alcune isole di ghiaccio d’acqua.
Dall’alchimia alla chimica
L’umanità conosce i composti dell’azoto da tempo immemore, specialmente i sali come il cloruro d’ammonio citato persino da Erodoto o quelli usati per la mummificazione nell’antico Egitto. “Ammonio” deriva proprio dal dio Amon. Gli alchimisti giocavano con un acido molto aggressivo, la aqua fortis, ovvero acido nitrico, che in combinazione con l’acido cloridrico era in grado di attaccare persino l’oro. Per questo la miscela è nota come aqua regia. Nonostante questi sali e nonostante costituisca gran parte dell’aria che respiriamo, l’azoto non venne riconosciuto come elemento per molto tempo.
Il primo a descriverlo fu Daniel Rutherford nel 1772, che lo chiamò aria nociva, a cui si aggiunsero i nomi dati da altri chimici (aria bruciata, aria flogisticata…). Fu Antoine Lavoisier a proporre il nome divenuto comune in molte lingue romanze: siccome questo gas inerte e trasparente era un asfissiante, lo chiamò azoto, dal greco azotikos, senza vita. Troviamo questa caratteristica anche nel nome del gruppo del quale è capostipite, il quinto: gli elementi pnicogeni, dal greco per soffocante. Il termine però non fece presa nel mondo anglosassone, perché dopotutto tutti i gas diversi dall’ossigeno sono asfissianti. Si preferì il nome inventato da un altro francese, Jean-Antoine Chaptal, che propose nitrogène, il creatore di nitro (in italiano salnitro), da cui il simbolo chimico N. La radice di nitro è antica, e la ritroveremo parlando del sodio.
Una chimica esplosiva!
L’azoto compone il 78% della nostra atmosfera. In questa molecola biatomica i due atomi condividono tutti e tre gli elettroni, formando un legame triplo particolarmente stabile. Ciò significa che la formazione di tale legame rilascia molta energia! Ecco quindi che troviamo l’azoto in quasi tutti gli esplosivi noti, dal TNT (trinitrotoluene) alla nitroglicerina. Questa stabilità di legame rende l’azoto biatomico inerte quasi quanto un gas nobile, e per tanto viene utilizzato per generare atmosfere protettive. In forma liquida è un refrigerante efficace ed economico: con un punto di ebollizione a 77 K è in grado di liquefare quasi ogni altro gas e congelare qualsiasi altra sostanza, è abbondante in atmosfera, non inquina ed è facilissimo da produrre.
Più malfamati sono invece i suoi composti con l’ossigeno, gli ossidi di azoto o NOx. I principali sono tre: l’ossido nitrico (NO), il protossido d’azoto (N2O) e l’ipoazotide (NO2), usando i loro nomi più storici.
L’ossido nitrico, o monossido di azoto, è un gas incolore fortemente reattivo, irritante e potente vaso-dilatatore. È uno dei prodotti inquinanti principali nei gas di scarico dei motori a combustione interna, specialmente i diesel. Il protossido di azoto, o monossido di diazoto, è stranoto come anestetico sotto il nome di “gas esilarante”. Non è tossico, ma è asfissiante se inalato puro. È anche un potente gas serra! Infine la ipoazotide, o biossido d’azoto, il più cattivo. Si tratta di un gas pesante dal tipico colore bruno molto reattivo, tanto che a contatto con l’acqua forma il temuto acido nitrico. A basse temperature due molecole si legano a formare il tetrossido di diazoto, N2O4, molto usato in esplorazione spaziale come ossidante per l’idrazina (N2H4).
Data la sua reattività, l’azoto forma agilmente componenti chimici con qualsiasi elemento della tavola periodica (solo ossigeno e fluoro sono più affamati di elettroni) e ciò porta alla nascita di una chimica molto complessa e vibrante, anche se lungi da quella del carbonio. Se non si va a parare negli esplosivi ecco che fanno il loro ingresso sul palco alcune sostanze fondamentali della vita! Gli amminoacidi, gli acidi nucleici (DNA, RNA) e l’ATP, la molecola che ci permette di usare l’energia, contengono tutti azoto. Inoltre fa parte della caffeina, e in quanto tale impedisce l’olocausto nucleare ogni lunedì mattina.
Il granaio del mondo
L’azoto qui sulla Terra vive una contraddizione. È estremamente abbondante, è estremamente necessario alla vita, tuttavia la stabilità della sua molecola fa sì che la vita non possa usare direttamente l’azoto atmosferico! Per diventare azoto biologico, questo elemento deve attraversare un processo detto fissazione, operato di solito da batteri specializzati, che trasformano l’azoto atmosferico in ammoniaca (NH3) e i suoi sali. Le piante hanno bisogno di azoto per prosperare, specialmente per costruire le loro proteine. In un ecosistema ben bilanciato, piante batteri e funghi fissatori vivono in simbiosi, operando un ciclo dell’azoto.
Un ciclo però molto lento, che l’uomo ha stravolto permettendo alla nostra popolazione di esplodere. Nel primo ‘900 l’unica fonte industriale di fertilizzante azotato erano le isole del Pacifico coperte di guano d’uccello, così ambito che si sono combattute più “guerre del guano“! Poi nel 1909 il tedesco Fritz Haber scoprì un metodo per produrre ammoniaca (azoto adatto alla vita) direttamente dall’aria e dall’acqua. Fu una rivoluzione, premiata con il Nobel nel 1918, brevettata dalla BASF e industrializzata da Carl Bosch, altro Nobel nel 1931. L’azoto prodotto con il processo Haber-Bosch permise di quadruplicare le rese delle coltivazioni. Più di metà della popolazione mondiale di oggi esiste grazie a Haber!
Quest’uomo tuttavia ha un lato oscuro, perché a lui si deve la vita di miliardi e la morte di milioni: Fritz Haber inventò le armi chimiche. Nel corso della Prima Guerra Mondiale fu il primo a proporre l’uso del cloro gassoso e dell’iprite per gassare i soldati nemici nelle trincee, un lavoro che dopo la sua morte (avvenuta nel 1934) portò all’invenzione dello Zyklon B, il gas dell’Olocausto nazista. HCN, acido cianidrico, forse la creatura più mostruosa tra i figli artificiali dell’azoto.
I gusti dell’azoto
L’azoto in natura possiede due isotopi stabili.
con riportato l’intervallo naturale di variazione
della massa atomica
1) 14N (azoto-14) con 7 neutroni: è l’isotopo più abbondante (99,6%) e viene prodotto nel ciclo CNO che alimenta la fusione nucleare nelle stelle più calde del Sole. È il quarto e ultimo nuclide che incontriamo ad avere un egual numero dispari di protoni e neutroni: 7 e 7, dopo deuterio, litio-6 e boro-10.
2) 15N (azoto-15) con 8 neutroni: costituisce il restante 0,4%, ed è prodotto anch’esso nel ciclo CNO. L’asimmetria tra protoni e neutroni lo rende molto utile per mappare molecole contenenti azoto grazie alla risonanza magnetica nucleare.
A questi si aggiungono due isotopi radioattivi degni di nota. L’azoto-13, che dimezza in 10 minuti, viene utilizzato in medicina nella tomografia a emissione di positroni (PET). L’azoto-16, che dimezza in 7 secondi, viene prodotto nell’acqua di raffreddamento dei reattori nucleari per uno scambio neutrone-protone in un atomo di ossigeno-16, ed è un ottimo indicatore di eventuali perdite nel sistema di raffreddamento.
