Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et expliquer les propriétés et réactions de l’élément azote.
L’azote est sans doute l’élément le plus connu du groupe 15. Il est légèrement soluble dans l’eau, mais sa solubilité dépend de la température et de la pression environnantes. C’est le gaz le plus abondant dans l’atmosphère terrestre et il est incolore, inodore et non réactif. L’azote gazeux est chimiquement non réactif car il a une triple liaisontrès solide dans chaque molécule de gaz diatomique, comme on peut le voir ci-dessous.
Comme c’est un gaz neutre, l’azote n’a aucun effet sur la teinture de tournesol. Pour vaincre la nature non réactive de l’azote, les réactions impliquant l’azote sous sa forme élémentaire nécessitent souvent la présence d’une étincelle ou d’une forte chauffe pour se produire, afin de rompre la triple liaison covalente, qui a une enthalpie de liaison de942 kJ/mol.
Le tableau ci-dessous indique d’autres propriétés physiques importantes de l’azote.
| Point de fusion | |
|---|---|
| Point d’ébullition | |
| Masse volumique | 1,25 g/L |
| Nombres d’oxydation courants | ,,,,,,, |
Exemple 1: Identifier les propriétés physiques et chimiques de l’azote gazeux
Laquelle des affirmations suivantes ne décrit pas une propriété de l’azote gazeux ?
- Il est constitué de deux atomes d’azote liés par une triple liaison covalente.
- C’est un gaz incolore, inodore et insipide.
- Il a un effet neutre sur la teinture de tournesol.
- Il est plus lourd que l’air.
- Il est légèrement soluble dans l’eau.
Réponse
Dans cette question, on nous demande d’identifier l’affirmation qui ne correspond pas à la description de l’azote gazeux.
La réponse A nous indique que la structure de l’azote est constituée de deux atomes d’azote reliés par une triple liaison covalente, mais avec trois électrons dans la sous-couche p des atomes d’azote participant tous à la formation de liaisons covalentes dans la molécule diatomique d’azote, nous savons que la réponse A correspond bien à une propriété de l’azote gazeux, et que ce n’est donc pas la bonne réponse.
On utilise l’azote dans les paquets de chips pour fournir une atmosphère inerte et arrêter l’oxydation des aliments avant qu’ils ne soient consommés, et cela est possible parce que l’azote est incolore, inodore et insipide. Nous pouvons donc en déduire que la réponse B doit aussi être incorrecte.
Puisque l’azote est un gaz inerte, sans propriétés acides ni basiques, il n’a pas d’effet attendu sur la teinture de tournesol, ce qui signifie que la réponse C est incorrecte.
L’air est principalement composé de molécules d’azote () et de molécules d’oxygène (). La plupart des molécules d’oxygène ont une masse moléculaire de 32 et la plupart des molécules d’azote ont une masse moléculaire de 28. La masse moléculaire moyenne d’une molécule d’air est donc comprise entre 28 et 32, ce qui est plus lourd que la masse moyenne d’une molécule d’azote. Cette logique montre que l’azote est plus léger que l’air et suggère également que la réponse D est la bonne réponse.
L’azote est légèrement soluble dans l’eau, bien que la quantité qui se dissout varie en fonction d’autres conditions ; donc c’est bien la réponse D qui est correcte.
L’air est un mélange, et il est possible d’isoler l’azote de l’air en laboratoire, ce qui consiste à éliminer le dioxyde de carbone, l’eau et l’oxygène présents dans l’air.
Le montage est mis en place comme indiqué sur la figure, et dans un premier temps, de l’eau est utilisée pour fermer le premier récipient.
L’air bulle à travers la solution caustique d’hydroxyde de sodium qui se trouve dans le deuxième récipient où une réaction se produit entre l’hydroxyde de sodium et le dioxyde de carbone, retirant ce dernier du mélange d’air :
Les molécules restantes traversent l’acide sulfurique concentré dans le troisième récipient, qui déshydrate le mélange d’air en éliminant la vapeur d’eau.
Ce qui reste du mélange d’air passe ensuite dans un cylindre de verre horizontal, à travers un petit tas de tournures de cuivre fortement chauffées. L’oxygène est extrait du mélange gazeux par réaction avec le cuivre chauffé :
Le gaz restant, qui est de l’azote presque pur, est recueilli au-dessus du mercure dans un cylindre de gaz.
Exemple 2: Utilisation du cuivre dans le procédé de préparation de l’azote à partir de l’air atmosphérique
Dans le processus de préparation de l’azote à partir de l’air atmosphérique, quel est le rôle des tournures de cuivre chauffées ?
Réponse
Pour isoler l’azote de l’air atmosphérique, il faut éliminer les autres gaz indésirables dans l’air, principalement l’oxygène, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau.
Le dioxyde de carbone peut être neutralisé et éliminé à l’aide d’une solution alcaline puisqu’il s’agit d’un gaz acide, donc il est peu probable que ce soit le rôle des tournures de cuivre. La vapeur d’eau est le plus souvent éliminée à l’aide d’un agent déshydratant tel que de l’acide sulfurique concentré.
Les tournures de cuivre peuvent jouer le rôle de réducteur et, dans ce cas, réagir avec l’oxygène pour extraire ce gaz du mélange d’air. Le rôle des tournures de cuivre chauffées est donc d’éliminer l’oxygène gazeux.
Une autre méthode de préparation de l’azote en laboratoire consiste à chauffer un mélange de solutions de chlorure d’ammonium et de nitrite de sodium.
Le montage est effectué comme indiqué sur la figure, et le chlorure d’ammonium est ajouté goutte à goutte à une solution chauffée de nitrite de sodium.
Cela a pour effet de créer du nitrite d’ammonium in situ, qui peut ensuite se décomposer en eau et azote gazeux. La réaction est effectuée de cette manière car le nitrite d’ammonium est très instable et ne peut être préparé à l’avance. L’équation générale de cette réaction est
Cependant, la décomposition qui nous intéresse ne concerne que le nitrite d’ammonium :
Une fois que l’azote élémentaire a été obtenu à partir de l’air ou à partir de réactions chimiques, il est capable de quelques réactions intéressantes. La première d’entre elles, qui doit être amorcée par une étincelle électrique, est la réaction avec l’hydrogène pour former de l’ammoniac gazeux :
De la même manière, un arc électrique peut être utilisé pour amorcer la réaction entre les gaz azote et oxygène et ainsi former de l’oxyde nitrique, selon un procédé en deux étapes, créant initialement du monoxyde d’azote : Le monoxyde d’azote ainsi formé réagit avec de l’oxygène supplémentaire pour former du dioxyde d’azote :
Exemple 3: Identifier le produit de la réaction entre l’azote et l’oxygène
La nature inerte de l’azote gazeux ( ) peut être surmontée en utilisant de puissants arcs électriques pour rompre la liaison entre les deux atomes. Dans une atmosphère d’hydrogène et d’azote, un arc électrique provoque la formation d’ammoniac (). Quel est le produit majoritaire lorsqu’un arc électrique déclenche une réaction dans une atmosphère d’azote et d’oxygène en excès ?
Réponse
Dans cette réaction, il faut un arc électrique pour rompre la liaison solide entre les atomes d’une molécule d’azote gazeux. Lorsque ces atomes réagissent avec les molécules d’oxygène, ils forment initialement des molécules de monoxyde d’azote instable (). Les molécules de monoxyde d’azote réagissent rapidement avec les atomes d’oxygène et forment un gaz plus stable, le dioxyde d’azote, donc E est la bonne réponse.
Bien que l’azote soit généralement non réactif, même à des températures élevées, il réagit tout de même avec des métaux fortement oxydants tels que le magnésium pour former du nitrure de magnésium, selon la réaction suivante :
La poudre jaune verdâtre obtenue se décompose lorsqu’on la mélange avec de l’eau, et cette réaction produit de l’ammoniac gazeux et de l’hydroxyde de magnésium :
Exemple 4: Identifier le produit de la réaction entre l’azote et l’oxygène
Le nitrure de magnésium réagit violemment avec l’eau pour former de l’ammoniac et de l’hydroxyde de magnésium, selon la réaction suivante :
Quels sont les coefficients stœchiométriques, dans le bon ordre, pour l’équation de cette réaction ?
- 1, 3, 1, 2
- 1, 3, 2, 2
- 2, 6, 4, 3
- 2, 3, 4, 3
- 1, 6, 2, 3
Réponse
Bien que cette question ne porte essentiellement que sur l’équilibrage d’une équation chimique, elle n’est pas triviale car nous avons affaire à des atomes ayant une valence de trois.
Si l’on commence par le nitrure de magnésium et qu’on suppose que son coefficient stœchiométrique est un, alors le coefficient de l’hydroxyde de magnésium doit être trois. Cela est renforcé par le fait que trois des réponses sont en accord avec ce raisonnement, donc il semble que nous sommes sur la bonne voie.
Si l’hydroxyde de magnésium a un coefficient stœchiométrique de trois, alors les produits doivent compter six atomes d’oxygène au total, ce qui signifie que les réactifs doivent également compter six atomes d’oxygène, et donc que l’eau doit avoir un coefficient stœchiométrique de six. Ce raisonnement est renforcé dans les réponses C et E.
En considérant le nombre total d’atomes d’hydrogène ou le nombre total d’atomes d’azote, nous pouvons finalement conclure que le coefficient stœchiométrique de l’ammoniac doit être égal à deux pour que cette équation soit équilibrée, ce qui correspond à la réponse E, qui est la bonne réponse.
Sur le plan industriel, une réaction importante de l’azote est celle avec le carbure de calcium, ici aussi à l’aide d’un arc électrique, pour former le cyanamide de calcium, un produit chimique utilisé en tant qu’engrais :
Quand on regarde cette formule, on ne voit peut-être pas directement l’utilité de ce produit en tant qu’engrais, mais quand on mélange le cyanamide de calcium à de l’eau, on forme deux produits chimiques beaucoup plus familiers :
Lorsque le cyanamide de calcium entre en contact avec l’eau, l’ammoniac formé est introduit dans le sol, fournissant une source d’azote qui est essentielle à la croissance des plantes et des cultures.
L’ammoniac est l’un des composés azotés les plus importants et il est produit à l’échelle industrielle selon le procédé Haber-Bosch. L’azote gazeux et l’hydrogène gazeux réagissent à environ en présence d’un catalyseur à base de métal de transition. Cette réaction est généralement effectuée dans un réacteur sous pression à environ200 atm, avec une grande partie de l'ammoniac produit servant à la production d'engrais.
Réaction : Formation d’ammoniac selon le processus Haber-Bosch
Il est toutefois possible de produire de l’ammoniac en laboratoire à partir d’un mélange de chlorure d’ammonium et d’hydroxyde de calcium :
Si vous tentiez cette expérience en laboratoire, et que vous vouliez vérifier que vous avez bien produit de l’ammoniac, l’un des tests les plus faciles que vous pourriez faire serait d’utiliser de la vapeur de chlorure d’hydrogène. peut être généré à partir d’acide chlorhydrique concentré et il réagit avec l’ammoniac pour former du chlorure d’ammonium :
Le chlorure d’ammonium est un solide cristallin blanc qui se forme initialement sous forme de vapeur ; c’est ce qu’on peut voir sur la photo ci-dessous.
Points clés
- L’azote peut être produit en laboratoire et à l’échelle industrielle.
- L’azote est un gaz incolore, inodore et peu réactif.
- L’azote est peu réactif en raison de sa triple liaison covalente entre les atomes d’azote dans les molécules diatomiques.
- L’azote réagit avec l’hydrogène, l’oxygène, le magnésium et le carbure de calcium.
- L’ammoniac est un composé azoté commun qui peut être produit industriellement, selon le procédé Haber-Bosch, et en laboratoire.
- L’ammoniac est un produit chimique essentiel pour la société en raison de son utilisation comme précurseur de nombreux engrais.
