Cuáles son las valencias del nitrógeno

El nitrógeno es un elemento químico de símbolo N, con un número atómico de 7 y un peso atómico de 14,0067; en condiciones normales se encuentra en estado gaseoso. El nitrógeno molecular representa un 78% del volumen del aire seco y es, por tanto, el principal gas presente en la atmósfera.

Esta elevada concentración de nitrógeno en la atmósfera es resultado de la acción eléctrica en ella, la fijación del nitrógeno atmosférico por la acción bacteriana, la actividad química en las industrias y la liberación de nitrógeno por la descomposición de la materia orgánica o por la combustión. En su estado combinado, formando compuestos, el nitrógeno se encuentra en diferentes estados.

Es un elemento de gran importancia para los seres vivos, ya que forma parte de todas las proteínas, tanto vegetales como animales, y de otros muchos compuestos orgánicos. El nitrógeno forma fuertes uniones con otros átomos, incluido el nitrógeno, gracias a su capacidad para formar triples enlaces, por lo que los compuestos de nitrógeno poseen una gran cantidad de energía.

El nitrógeno consta de dos isótopos:

• El N14 (muy mayoritario)
• El N15 y varios isótopos radiactivos, que se producen durante las reacciones nucleares.

Es un elemento de gran interés en la industria química y en compuestos utilizados en la agricultura. También se utiliza en los bulbos de las lámparas incandescentes y cuando se necesita una atmósfera relativamente inerte.

El nitrógeno en su forma elemental es poco reactivo a temperatura ordinaria con la mayoría de las sustancias comunes, mientras que a elevadas temperaturas reacciona con muchas sustancias, como titanio, aluminio, silicio, boro, berilio, calcio, litio o cromo. Con el oxígeno (O2) reacciona para formar óxidos como el óxido nitroso (NO), y con el hidrógeno, a elevadas temperaturas y presión, forma un compuesto industrial muy importante: el amoniaco.

La escasa reactividad del nitrógeno molecular se relaciona con la fuerza del triple enlace entre sus dos átomos. En cambio, algunos microorganismos pueden transformar el nitrógeno atmosférico en compuestos que las plantas aprovechan, y así participa en el ciclo del nitrógeno.

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Las valencias de un elemento químico son el número de electrones que le faltan o que debe ceder para rellenar su último nivel electrónico.

Los átomos suelen tener 7 niveles o capas donde se sitúan los electrones, siendo el 1 el más interno y el 7 el más externo. A su vez, existen distintos subniveles, llamados s, p, d y f. En un átomo, los electrones van rellenando los distintos niveles según sus energías: primero se llenan los niveles de baja energía y luego pasan a los de mayor energía.

Al nivel más externo del átomo también se le denomina capa de valencia, y los electrones situados en esta capa se llaman electrones de valencia. Estos electrones son los responsables de la formación de enlaces y de las reacciones químicas posibles con otros átomos; es decir, determinan muchas de las propiedades físicas y químicas de un elemento.

Las diferentes maneras de combinarse del nitrógeno le otorgan una valencia (también conocida como estado de oxidación). El nitrógeno no es capaz de expandir su capa de valencia como sí lo hacen otros elementos de su grupo. Sus estados de oxidación posibles incluyen -3, +3 y +5. El estado de oxidación del nitrógeno varía según el compuesto del que forme parte. Los demás elementos de la familia del nitrógeno también presentan estos estados de oxidación: fósforo (P), antimonio (Sb), bismuto (Bi), moscovium (Mc) y arsénico (As).

La formación de compuestos químicos con nitrógeno se puede explicar siguiendo la teoría del enlace de valencia, según la configuración electrónica de cada estado de oxidación del nitrógeno. Para explicarlo, se tiene en cuenta la cantidad de electrones de su capa de valencia y cuántos le faltan para llegar a la configuración electrónica de un gas noble.

Conviene distinguir entre valencia y estado de oxidación: aunque ambos conceptos ayudan a describir cómo se combina un elemento, no significan exactamente lo mismo. El estado de oxidación es una carga formal que se asigna a cada átomo al aplicar ciertas reglas, y permite comparar con facilidad la composición de distintos compuestos.

Los compuestos nitrogenados son químicamente complejos y la nomenclatura tradicional no era suficiente para nombrarlos e identificarlos fácilmente. Por ello, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) creó, entre otros motivos, una nomenclatura sistemática en la cual se nombran los compuestos según el número de átomos que los forman.

Esta nomenclatura resulta especialmente idónea para nombrar los óxidos de nitrógeno. Así, el óxido nítrico se denomina monóxido de nitrógeno, y el óxido nitroso (N2O), monóxido de dinitrógeno.

Además de esta nomenclatura, en 1919, el químico alemán Alfred Stock elaboró un método en el cual los compuestos se nombraban según el estado de oxidación, representado en números romanos y entre paréntesis. De esta forma, el óxido nítrico se denominaría óxido de nitrógeno (II) y el óxido nitroso, óxido de nitrógeno (I).

Este sistema resulta útil cuando un elemento puede presentar distintos estados de oxidación, porque permite distinguir los compuestos sin depender de sus nombres tradicionales.

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El nitrógeno es capaz de unirse a diferentes elementos y formar una gran cantidad de compuestos debido a sus numerosos estados de oxidación posibles. En el caso del nitrógeno molecular, su estado de oxidación es 0 por definición.

Uno de los estados de oxidación más comunes es el -3. En este estado de oxidación, el nitrógeno forma compuestos como el amoniaco (NH3), el ión amonio (NH4⁺), los nitrilos (C≡N), las iminas (C=N-R) o las aminas (R3N). Cuando el nitrógeno está en estado de oxidación -2, quedan 7 electrones en su capa de valencia. El número impar de electrones en su capa de valencia facilita que se formen enlaces puente entre dos átomos de nitrógeno. En este estado, el nitrógeno forma las hidrazonas (C=N-N-R2) y las hidrazinas (R2-N-N-R2). En estado de oxidación -1, quedan 6 electrones en la capa de valencia y se forman compuestos como la hidroxilamina (R2NOH) y los azocompuestos (RN=NR).

Cuando el nitrógeno alcanza estados de oxidación positivos, se une a átomos de oxígeno para formar óxidos, oxácidos u oxisales. En estado de oxidación +1, el nitrógeno queda con 4 electrones en su capa de valencia. Algunos ejemplos son el óxido de dinitrógeno (N2O), popularmente conocido como gas hilarante, y los compuestos nitrosos (R=NO). En el estado +2 tenemos el óxido de nitrógeno u óxido nítrico (NO), que es un gas incoloro que se genera durante la reacción de metales con el ácido nítrico diluido. Este compuesto presenta un radical libre muy inestable que puede reaccionar con el oxígeno para formar un importante contaminante atmosférico, el dióxido de nitrógeno (NO2).

En estado +3 se forman compuestos como el nitrito en solución básica (NO2–) o el ácido nitroso en solución ácida (HNO2). Ambos son agentes oxidantes que pueden dar lugar a óxido nítrico (NO) o actuar como agentes reductores para formar el ión nitrato. Otros compuestos son el trióxido de dinitrógeno (N2O3) y el grupo nitro (R-NO2). En estado +4 tenemos el dióxido de nitrógeno (NO2). Este es un gas de color marrón que se genera en la reacción de muchos metales con el ácido nítrico concentrado y puede formar tetróxido de dinitrógeno (N2O4). En +5 podemos encontrar los nitratos o el ácido nítrico, que son agentes oxidantes en soluciones ácidas.

Para determinar el estado de oxidación del nitrógeno en una fórmula, se tienen en cuenta los estados de oxidación de los demás elementos y la carga total de la molécula o del ion. En un compuesto neutro, la suma de esos estados debe ser cero; en un ion, debe coincidir con su carga.

Por último, existen compuestos en donde el nitrógeno se encuentra en diferentes estados de oxidación. Estos son compuestos como la nitrosilazida o el trióxido de dinitrógeno.

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El nitrógeno molecular es el principal componente gaseoso del aire atmosférico. En el agua y el suelo lo podemos encontrar en forma de nitratos y nitritos. Todos estos compuestos se interconectan unos con otros en el ciclo del nitrógeno.

La acción humana ha modificado las concentraciones de nitratos y nitritos en la tierra, principalmente mediante la aplicación de estiércoles con nitratos en el suelo. Además, la concentración de nitratos y nitritos en el suelo y el agua se ve incrementada por el nitrógeno emitido por las industrias a través del ciclo del nitrógeno. Esto también podría generar un aumento del nitrógeno en el agua potable.

Los efectos de los nitratos y nitritos sobre la salud humana podrían ser:

• Los nitratos tienen un efecto negativo sobre la actividad de la glándula tiroidea.
• Los nitratos disminuyen el almacenamiento de vitamina A.
• Tanto los nitratos como los nitritos producen nitrosaminas, que son una causa habitual de cáncer.
• El nitrito reacciona con la hemoglobina y causa una disminución en la capacidad de transporte de oxígeno en la sangre.
• El óxido de nitrógeno (NO) es un mensajero fundamental en el cuerpo humano: provoca la relajación muscular, aporta beneficios al sistema cardiovascular y ejerce efectos de señalización sobre células del sistema inmune. Estos efectos ya se aprovechan en múltiples aplicaciones medicinales, como la medicación contra los infartos cardíacos o la Viagra.

El nitrógeno molecular del aire no debe confundirse con sus compuestos: los efectos sobre la salud dependen de la forma química y de la cantidad a la que se esté expuesto. Por ejemplo, en espacios cerrados, una concentración elevada de nitrógeno puede desplazar el oxígeno y dificultar la respiración.

La adición de nitratos y nitritos a los fertilizantes provoca el aumento de sus concentraciones ambientales, al igual que diferentes procesos industriales. Muchos de estos compuestos pueden escapar a la atmósfera y reaccionar con el oxígeno, dando lugar a contaminantes atmosféricos que favorecen el incremento del efecto invernadero.

A su vez, los nitratos y nitritos también producen efectos adversos en el agua dulce y en el medio marino, afectando negativamente a estos ecosistemas y a las especies que en ellos habitan. También están aumentando drásticamente las concentraciones de estos compuestos nitrogenados en el agua potable, lo que puede tener efectos negativos sobre la salud humana.

Cuando llegan en exceso al agua, los compuestos nitrogenados pueden favorecer un crecimiento desmedido de algas y plantas acuáticas. Este proceso altera el equilibrio del ecosistema y puede reducir el oxígeno disponible para otros organismos.

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