Pentóxido de dinitrógeno
Dinitrogen pentoxide (también conocido como nitrogen pentoxide o anhídrido nítrico) es el compuesto químico con la fórmula N2O5. Es uno de los óxidos binarios de nitrógeno, una familia de compuestos que sólo contienen nitrógeno y oxígeno. Existe como cristales incoloros que sublime ligeramente por encima de la temperatura ambiente, produciendo un gas incoloro.
El pentóxido de dinitrógeno es un oxidante inestable y potencialmente peligroso que alguna vez se usó como reactivo cuando se disolvía en cloroformo para nitraciones, pero que ha sido reemplazado en gran medida por el tetrafluoroborato de nitronio (NO2BF4).
N2O5 es un raro ejemplo de un compuesto que adopta dos estructuras dependiendo de las condiciones. El sólido es una sal, nitrato de nitronio, que consiste en caciones separadas de nitronio [NO2]+ y aniones de nitrato [NO3]−; pero en la fase de gas y en algunas otras condiciones es una molécula de covalente.
Historia
N2O5 fue reportado por primera vez por Deville en 1840, quien lo preparó tratando con nitrato de plata (AgNO3) con cloro.
Estructura y propiedades físicas
sólido puro N2O5 es una sal, que consiste en iones de nitronio lineal separados NO+2 y los aniones de nitrato trigono plano NO−3. Ambos centros de nitrógeno tienen estado de oxidación +5. cristaliza en el grupo espacial D4
6h ()C6/mmcCon Z= 2, con el NO−3 iones D3h sitios y los NO+2 caciones en D3d sitios.
La presión de vapor P (en atm) en función de la temperatura T (en kelvin), en el rango de 211 a 305 K (−62 a 32 °C), se aproxima bien mediante la fórmula
siendo aproximadamente 48 torr a 0 °C, 424 torr a 25 °C y 760 torr a 32 °C (9 °C por debajo del punto de fusión).
En fase gaseosa, o cuando se disuelve en disolventes no polares como el tetracloruro de carbono, el compuesto existe como moléculas unidas covalentemente O2 N−O−NO2. En la fase gaseosa, los cálculos teóricos para la configuración de energía mínima indican que el ángulo O-N-O en cada -NO2 tiene aproximadamente 134° y el ángulo N−O−N es aproximadamente 112°. En esa configuración, los dos grupos −NO2 giran unos 35° alrededor de los enlaces hacia el centro. oxígeno, lejos del plano N−O−N. La molécula tiene así forma de hélice, con un eje de simetría rotacional de 180° (C2).
Cuando es gaseoso N2O5 se enfría rápidamente ("apagado"), se puede obtener la forma molecular metaestable, que se convierte exotérmicamente a la forma iónica por encima de -70 °C.
Gasoso N2O5< /span> absorbe la luz ultravioleta disociada en radicales libres dióxido de nitrógeno NO2• y trióxido de nitrógeno NO3• (nitrato sin carga). El espectro de absorción tiene una banda ancha con un máximo en una longitud de onda de 160 nm.
Preparación
Una síntesis de laboratorio recomendada implica deshidratar el ácido nítrico (HNO3) con óxido de fósforo (V):
- P4O10 + 12 HNO3 → 4 H3PO4 + 6 N2O5
Otro proceso de laboratorio es la reacción del nitrato de litio LiNO3 y pentafluoruro de bromo BrF5, en una proporción superior a 3:1. La reacción primero forma fluoruro de nitrilo FNO2 que reacciona aún más con el nitrato de litio:
- BrF5 + 3 LiNO3 → 3 LiF + BrONO2 + O2 + 2 FNO2
- FNO2 + Lino3 → LiF + N2O5
El compuesto también se puede crear en fase gaseosa haciendo reaccionar dióxido de nitrógeno NO2 o < span class="chemf nowrap">N2O4 con ozono:
- 2 NO2 + O3 → N2O5 + O2
Sin embargo, el producto cataliza la rápida descomposición del ozono:
- 2 O3 + N2O5 → 3 O2 + N2O5
El pentóxido de dinitrógeno también se forma cuando se hace pasar una mezcla de oxígeno y nitrógeno a través de un circuito eléctrico. descargar. Otra ruta son las reacciones del cloruro de fosforilo POCl3 o cloruro de nitrilo NO2Cl con nitrato de plata AgNO3
Reacciones
El pentóxido de dinitrógeno reacciona con el agua (se hidroliza) para producir ácido nítrico HNO3. Así, el pentóxido de dinitrógeno es el anhídrido del ácido nítrico:
- N2O5 + H2O → 2 HNO3
Las soluciones de pentóxido de dintrógeno en ácido nítrico se pueden ver como ácido nítrico con más de 100% de concentración. El diagrama de fase del sistema H2O−N2O5 muestra el conocido azeotrope negativo en 60% N2O5 (es decir, 70% HNO3), un azeotropo positivo en 85,7% N2O5 (100%) HNO3), y otro negativo a 87,5% N2O5 ("102%) HNO3").
La reacción con cloruro de hidrógeno HCl también da ácido nítrico y cloruro de nitrilo NO2Cl:
- N2O5 + HCl → HNO3 + NO2Cl
El pentóxido de dinitrógeno eventualmente se descompone a temperatura ambiente en NO2 y O2. La descomposición es insignificante si el sólido se mantiene a 0 °C, en recipientes adecuadamente inertes.
El pentóxido de dinitrógeno reacciona con amoníaco NH3 para dar varios productos, incluido el óxido nitroso N2O, nitrato de amonio NH4NO3, nitramida NH2NO2 y dinitramida de amonio NH4N(NO2)2 , dependiendo de las condiciones de reacción.
Descomposición del pentóxido de dinitrógeno a altas temperaturas
El pentóxido de dinitrógeno entre altas temperaturas de 600 y 1100 K (327–827 °C), se descompone en dos pasos estequiométricos sucesivos:
- N2O5 → NO2 + NO3
- 2 NO3 → 2 NO2 + O2
En la onda de choque, N2O5< /sub> se ha descompuesto estequiométricamente en dióxido de nitrógeno y oxígeno. A temperaturas de 600 K y superiores, el dióxido de nitrógeno es inestable con respecto al óxido de nitrógeno NO y al oxígeno. Se sabe que la descomposición térmica de dióxido de nitrógeno 0,1 mM a 1000 K requiere unos dos segundos.
Descomposición del pentóxido de dinitrógeno en tetracloruro de carbono a 30 °C
Aparte de la descomposición de N2O5< /sub> a altas temperaturas, también se puede descomponer en tetracloruro de carbono CCl4 a 30 °C (303 K). Ambos N2O5 y NO2 son solubles en CCl4 y permanecen en solución mientras el oxígeno es insoluble y se escapa. El volumen de oxígeno formado en la reacción se puede medir en una bureta de gas. Después de este paso podemos proceder con la descomposición, midiendo la cantidad de O2 que se produce con el tiempo. porque la única forma de obtener O2 es con el N 2O5 descomposición. La siguiente ecuación se refiere a la descomposición de N2O5< /sub> en CCl4:
- 2 N2O5 → 4 NO2 + O2g)
Y esta reacción sigue la primera ley que dice:
![{displaystyle -{frac {d[mathrm {A} ]}{dt}}=k[mathrm {A} ]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1ea7552714a906687c0d9bed4d10c829c4c85633)
Decomposición de pentoóxido de nitrógeno en presencia de óxido nítrico
N2O5 también se puede descomponer en presencia de óxido nítrico NO:
- N2O5 + NO → 3 NO2
La velocidad de la reacción inicial entre el pentóxido de dinitrógeno y el óxido nítrico de la descomposición unimolecular elemental.
Aplicaciones
Nitración de compuestos orgánicos
El pentóxido de dinitrógeno, por ejemplo en solución en cloroformo, se ha utilizado como reactivo para introducir la funcionalidad −NO2 en compuestos orgánicos. Esta reacción de nitración se representa de la siguiente manera:
- N2O5 + Ar−H → HNO3 + Ar-NO2
donde Ar representa un resto areno. La reactividad del NO+2 se puede mejorar aún más con ácidos fuertes que generan el "superelectrófilo" HNO2+2.
En este uso, N2O5 ha sido reemplazado en gran medida por tetrafluoroborato de nitronio [NO2]+[BF4]−. Esta sal conserva la alta reactividad del NO+2< /span>, pero es térmicamente estable y se descompone a aproximadamente 180 °C (en NO2F y BF3).
El pentóxido de dinitrógeno es relevante para la preparación de explosivos.
Aparición atmosférica
En la atmósfera, el pentóxido de dinitrógeno es un importante reservorio del NOx< /span> especies responsables del agotamiento del ozono: su formación proporciona un ciclo nulo con el que NO y NO2 se mantienen temporalmente en un estado no reactivo. Se han observado proporciones de mezcla de varias partes por mil millones en volumen en regiones contaminadas de la troposfera nocturna. También se ha observado pentóxido de dinitrógeno en la estratosfera a niveles similares, habiéndose postulado la formación del reservorio al considerar las desconcertantes observaciones de una caída repentina del NO2 niveles por encima de 50 °N, el llamado 'acantilado de Noxon'.
Variaciones en N2O5 la reactividad de los aerosoles puede provocar pérdidas significativas de ozono troposférico, radicales hidroxilo y NOx. concentraciones. Dos reacciones importantes de N2O5< /span> en los aerosoles atmosféricos son la hidrólisis para formar ácido nítrico y la reacción con iones de haluro, particularmente Cl-, para formar moléculas de ClNO2 que pueden servir como precursoras de átomos de cloro reactivos en la atmósfera.
Peligros
N2O5 es un oxidante fuerte que forma mezclas explosivas con compuestos orgánicos y sales de amonio. La descomposición del pentóxido de dinitrógeno produce el gas dióxido de nitrógeno altamente tóxico.
Fuentes citadas
- Haynes, William M., ed. (2016). CRC Manual de Química y Física (97a edición). CRC Prensa. ISBN 9781498754293.