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 D_3h sitios y los NO+2 caciones en D_3d 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

${displaystyle ln P=23.2348-{frac {7098.2}{T}}$

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, N₂O_{5< /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 N₂O_{5< /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 N₂O_{5< /sub>} en CCl₄:

2 N₂O₅ → 4 NO₂ + O₂g)

Y esta reacción sigue la primera ley que dice:

${displaystyle -{frac {d[mathrm {A}} {dt}=k[mathrm] {A}}$

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 NO_x< /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 NO_x. 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.