Dioxido de nitrogeno
Dióxido de nitrógeno es un compuesto químico con la fórmula NO
2. Es uno de varios óxidos de nitrógeno. NO
2 es un intermediario en la síntesis industrial de ácido nítrico, millones de toneladas del cual se producen cada año para su uso principalmente en la producción de fertilizantes. A temperaturas más altas es un gas de color marrón rojizo. Puede ser fatal si se inhala en grandes cantidades. El dióxido de nitrógeno es una molécula doblada paramagnética con simetría de grupo puntual C2v.
Se incluye en la familia de contaminantes atmosféricos NOx.
Propiedades
El dióxido de nitrógeno es un gas de color marrón rojizo con un olor acre y acre por encima de los 21,2 °C (70,2 °F; 294,3 K) y se convierte en un líquido de color marrón amarillento por debajo de los 21,2 °C (70,2 °F; 294,3 K). Forma un equilibrio con su dímero, el tetróxido de dinitrógeno (N
2O
4) y convierte casi por completo a N
2O
4menos de −11,2 ° C (11,8 °F; 261,9 K).
La longitud del enlace entre el átomo de nitrógeno y el átomo de oxígeno es de 119,7 pm. Esta longitud de enlace es consistente con un orden de enlace entre uno y dos.
A diferencia del ozono, O3, el estado electrónico fundamental del dióxido de nitrógeno es un estado de doblete, ya que el nitrógeno tiene un electrón desapareado, lo que disminuye el efecto alfa en comparación con el nitrito y crea una interacción de enlace débil con los pares solitarios de oxígeno. El electrón solitario en NO
2 también significa que este compuesto es un radical libre, por lo que la fórmula del dióxido de nitrógeno suele escribirse como •NO
2.
El color marrón rojizo es consecuencia de la absorción preferencial de la luz en la región azul del espectro (400 - 500 nm), aunque la absorción se extiende por todo el visible (en longitudes de onda más cortas) y en el infrarrojo (en longitudes de onda más largas).). La absorción de luz en longitudes de onda más cortas que aproximadamente 400 nm da como resultado la fotólisis (para formar NO + O, oxígeno atómico); en la atmósfera, la adición del átomo de oxígeno así formado al O2 da como resultado el ozono.
Preparación
El dióxido de nitrógeno generalmente surge a través de la oxidación del óxido nítrico por el oxígeno en el aire (por ejemplo, como resultado de una descarga de corona):
- NO + 1.2O
2 → NO
2
El dióxido de nitrógeno se forma en la mayoría de los procesos de combustión utilizando aire como oxidante. A temperaturas elevadas, el nitrógeno se combina con el oxígeno para formar dióxido de nitrógeno:
- 1.2N
2 + O
2 → NO
2
En el laboratorio, NO
2 se puede preparar en un procedimiento de dos pasos donde la deshidratación del ácido nítrico produce pentóxido de dinitrógeno:
- 2 HNO3 → N2O5 + H2O
- 6HNO
3 + 1.2P
4O
10 → 3N
2O
5 + 2H
3PO
4
que posteriormente sufre descomposición térmica:
- N
2O
5 → 2NO
2 + 1.2O
2
La descomposición térmica de algunos nitratos metálicos también genera NO
2:
- Pb(NO
3)
2 → PbO + 2NO
2 + 1.2O
2
NO
2 se genera mediante la reducción de ácido nítrico concentrado con un metal (como el cobre):
- 4 HNO3 + Cu → Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O
Formación por descomposición del ácido nítrico
El ácido nítrico se descompone lentamente en dióxido de nitrógeno por la reacción general:
- 2 HNO3 → 2 NO2 + H2O + 1.2O
2
El dióxido de nitrógeno así formado confiere el característico color amarillo que a menudo exhibe este ácido.
Reacciones seleccionadas
Propiedades térmicas
NO
2 existe en equilibrio con el gas incoloro tetróxido de dinitrógeno (N
2O
4):
- 2NO
2 ⇌ N
2O
4
El equilibrio se caracteriza por ΔH = −57,23 kJ/mol, que es exotérmico. El NO2 se ve favorecido a temperaturas más altas, mientras que a temperaturas más bajas predomina el N2O4. N
2O
4 se puede obtener como un sólido blanco con punto de fusión − 11,2 °C. El NO2 es paramagnético debido a su electrón desapareado, mientras que el N2O4 es diamagnético.
A 150 °C, NO
2 se descompone con liberación de oxígeno a través de un proceso endotérmico (ΔH = 14 kJ/mol):
- NO
2 → NO + 1.2O
2
Como oxidante
Como sugiere la debilidad del enlace N–O, NO
2 es un buen oxidante. En consecuencia, entrará en combustión, a veces de forma explosiva, en presencia de hidrocarburos.
Hidrólisis
NO2 reacciona con agua para dar ácido nítrico y ácido nitroso:
- 2 NO2 + H2O → HNO2 + HNO3
Esta reacción es uno de los pasos del proceso Ostwald para la producción industrial de ácido nítrico a partir de amoníaco. Esta reacción es insignificantemente lenta a bajas concentraciones de NO2 características de la atmósfera ambiental, aunque continúa con la absorción de NO2 en las superficies. Se cree que dicha reacción superficial produce HNO2 gaseoso (a menudo escrito como HONO) en ambientes exteriores e interiores.
Conversión a nitratos
NO
2 se utiliza para generar nitratos metálicos anhidros a partir de los óxidos:
- MO + 3NO
2 → M(NO
3)
2 + NO
Los yoduros de alquilo y metal dan los nitratos correspondientes:
- TiI4 + 8 NO2 → Ti(NO3)4 + 4 NO + 2 I2
Ecología
NO
2 se introduce en el medio ambiente por causas naturales, incluida la entrada desde la estratosfera, la respiración bacteriana, los volcanes y iluminación. Estas fuentes hacen NO
2 un gas traza en la atmósfera de la Tierra, donde desempeña un papel en la absorción de la luz solar y la regulación de la química de la troposfera, especialmente en la determinación de las concentraciones de ozono.
Usos
NO
2 se utiliza como intermediario en la fabricación de ácido nítrico, como agente nitrante en la fabricación de productos químicos explosivos, como inhibidor de la polimerización de acrilatos, como agente blanqueador de harinas y como agente de esterilización a temperatura ambiente. También se utiliza como oxidante en combustible para cohetes, por ejemplo, en ácido nítrico fumante rojo; se usó en los cohetes Titán, para lanzar el Proyecto Gemini, en los propulsores de maniobra del transbordador espacial y en sondas espaciales no tripuladas enviadas a varios planetas.
Fuentes de origen humano y exposición
Para el público en general, las fuentes más destacadas de NO
2 son motores de combustión interna, ya que las temperaturas de combustión son lo suficientemente altas para combinar térmicamente parte del nitrógeno y el oxígeno del aire para formar NO
2. Al aire libre, NO
2 puede ser el resultado del tráfico de vehículos motorizados.
En interiores, la exposición surge del humo del cigarrillo y de los calentadores y estufas de butano y queroseno.
Trabajadores en industrias donde NO
2 también están expuestos y corren el riesgo de enfermedades pulmonares ocupacionales, y NIOSH ha establecer límites de exposición y normas de seguridad. Los trabajadores en áreas de alto voltaje, especialmente aquellos con generación de chispas o plasma, están en riesgo. Los trabajadores agrícolas pueden estar expuestos a NO
2 derivados de la descomposición del grano en silos; la exposición crónica puede provocar daño pulmonar en una afección llamada "enfermedad del relleno del silo".
Toxicidad
NO
2 se difunde en el líquido de revestimiento epitelial (ELF) del epitelio respiratorio y se disuelve. Allí, reacciona químicamente con moléculas antioxidantes y lipídicas en el ELF. Los efectos en la salud de NO
2 son causados por los productos de reacción o sus metabolitos, que son especies reactivas de nitrógeno y especies reactivas de oxígeno que puede provocar broncoconstricción, inflamación, reducción de la respuesta inmunitaria y puede tener efectos en el corazón.
Daño agudo debido a NO
2 la exposición es rara. 100 a 200 ppm pueden causar una irritación leve de la nariz y la garganta, 250 a 500 ppm pueden causar edema, lo que provoca bronquitis o neumonía, y los niveles superiores a 1000 ppm pueden causar la muerte debido a la asfixia por el líquido en los pulmones. A menudo no hay síntomas en el momento de la exposición aparte de tos transitoria, fatiga o náuseas, pero con el paso de las horas la inflamación en los pulmones provoca edema.
Para la exposición de la piel o los ojos, el área afectada se enjuaga con solución salina. Para la inhalación se administra oxígeno, se pueden administrar broncodilatadores y si hay signos de metahemoglobinemia, condición que surge cuando los compuestos a base de nitrógeno afectan la hemoglobina en los glóbulos rojos, se puede administrar azul de metileno.
Está clasificada como una sustancia extremadamente peligrosa en los Estados Unidos según se define en la Sección 302 de la Ley de Planificación de Emergencias y Derecho a la Información de la Comunidad de los EE. UU. (42 U.S.C. 11002) y está sujeta a estrictos requisitos de notificación por parte de las instalaciones que producirlo, almacenarlo o usarlo en cantidades significativas.
Efectos sobre la salud de la exposición al NO2
Incluso pequeñas variaciones diarias en NO
2 puede causar cambios en la función pulmonar.
Exposición crónica a NO
2 puede causar efectos respiratorios, incluida la inflamación de las vías respiratorias en personas sanas y un aumento de los síntomas respiratorios en personas con asma.
Los efectos de la toxicidad en la salud se han examinado mediante cuestionarios y entrevistas personales en un esfuerzo por comprender la relación entre NO
2 y asma. La influencia de los contaminantes del aire interior en la salud es importante porque la mayoría de las personas en el mundo pasan más del 80% de su tiempo en interiores. La cantidad de tiempo que se pasa en el interior depende de varios factores, incluida la región geográfica, las actividades laborales y el género, entre otras variables. Además, debido a que el aislamiento del hogar está mejorando, esto puede resultar en una mayor retención de contaminantes del aire interior, como NO
2. Con respecto a la región geográfica, la prevalencia del asma ha oscilado entre el 2 y el 20 % sin una indicación clara de cuál es la causa de la diferencia. Esto puede ser el resultado de la "hipótesis de la higiene" o "estilo de vida occidental" que captura las nociones de viviendas bien aisladas y con menos habitantes. Otro estudio examinó la relación entre la exposición al nitrógeno en el hogar y los síntomas respiratorios y encontró una razón de probabilidad estadísticamente significativa de 2,23 (IC del 95 %: 1,06, 4,72) entre las personas con diagnóstico médico de asma y exposición a estufas de gas.
Una fuente importante de exposición en interiores a NO
2 es el uso de estufas de gas para cocinar o calentar los hogares. Según el censo de 2000, más de la mitad de los hogares de EE. UU. utilizan cocinas de gas y niveles de exposición en interiores de NO
2 son, en promedio, al menos tres veces más alto en hogares con estufas a gas en comparación con estufas eléctricas con los niveles más altos en viviendas multifamiliares. Exposición a NO
2 es especialmente dañino para los niños con asma. Las investigaciones han demostrado que los niños con asma que viven en hogares con estufas de gas tienen un mayor riesgo de síntomas respiratorios como sibilancias, tos y opresión en el pecho. Además, el uso de estufas de gas se asoció con una función pulmonar reducida en niñas con asma, aunque esta asociación no se encontró en niños. El uso de ventilación cuando se operan cocinas a gas puede reducir el riesgo de síntomas respiratorios en niños con asma.
En un estudio de cohorte con niños afroamericanos de minorías del centro de la ciudad de Baltimore para determinar si había una relación entre NO
2 y asma para niños de 2 a 6 años, con un diagnóstico médico existente de asma y una visita relacionada con el asma, las familias de nivel socioeconómico más bajo tenían más probabilidades de tener estufas de gas en sus hogares. El estudio concluyó que los niveles más altos de NO
2 dentro de una casa se relacionaron con un mayor nivel de síntomas respiratorios entre la población del estudio. Esto ejemplifica aún más que NO
2 la toxicidad es peligrosa para los niños.
Efectos ambientales
Interacción de NO
2 y otros NO
x con agua, oxígeno y otros químicos en la atmósfera pueden formar lluvia ácida que daña ecosistemas sensibles como lagos y bosques. Niveles elevados de NO
2 también puede dañar la vegetación, disminuir el crecimiento y reducir el rendimiento de los cultivos.
Fuentes citadas
- Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). CRC Prensa. ISBN 978-1439855119.
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