Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire et à expliquer les propriétés et les réactions de l’élément azote. Nous allons également apprendre comment l’azote est synthétisé à petite et à grande échelle. Finalement, nous allons examiner les réactions des composés à base d’azote.
L’azote a de nombreuses applications possibles allant de la cryoconservation des échantillons biologiques à la conservation des aliments, en passant par la source d'énergie des lanceurs de paintball. Il porte le symbole chimique N. En le cherchant dans le tableau périodique, nous pouvons constater qu’il a un numéro atomique de sept. Par conséquent, un atome d’azote possède sept protons et sept électrons à l'état neutre. Il a une masse atomique d’environ 14 unités de masse atomique unifiées. La grande majorité des atomes d’azote possède sept neutrons. L’azote fait partie du groupe 15 du tableau périodique et il a donc cinq électrons de valence sur sa couche périphérique.
La configuration électronique d’un atome d'azote neutre est 1s2 2s2 2p3. Afin de respecter la règle de l’octet, l’azote a besoin d'avoir trois autres électrons sur sa couche externe. Cette règle est respectée lorsqu'une liaison triple est formée entre deux atomes d’azote. Le N2, ou diazote, est une molécule diatomique gazeuse neutre. Il est incolore, inodore et insipide. L’azote gazeux n'est pas réactif en raison de la présence d'une forte liaison covalente triple. Les réactions impliquant de l’azote sous sa forme élémentaire nécessitent donc souvent une étincelle électrique ou un fort chauffage.
Les molécules de N2 non polaires n’interagissent pas très bien avec les molécules d’eau polaires. Les molécules de N2 sont donc très peu solubles dans l’eau. À 20 degrés Celsius, seulement deux milligrammes de diazote peuvent être dissouts dans 100 grammes d’eau. En comparant sa solubilité avec celle de l’oxygène diatomique à titre de référence, nous constatons que le diazote est seulement légèrement moins soluble que l’oxygène. Le dioxyde de carbone a une solubilité légèrement supérieure de 0,2 grammes pour 100 grammes d’eau. Toutefois, l’ammoniac a une solubilité beaucoup plus élevée de 50 grammes pour 100 grammes d’eau. L’azote forme une solution neutre lorsqu'il est dissout. À 25 degrés Celsius, il a un pH d’environ 7.
Le N2 gazeux pur a une densité d’environ 1,25 gramme par litre à zéro degré Celsius et à une atmosphère, ce qui est légèrement en dessous de la densité de l’air sec, qui est de 1,29 gramme par litre. Comme prévu, le point de fusion de cette petite molécule non polaire est bas, soit de moins 210 degrés Celsius. Il s'agit du point où l’azote passe de l'état solide à l'état liquide et vice versa. L’apparence de l’azote liquide est semblable à celle de l’eau. Le point d’ébullition de l’azote est de moins 196 degrés Celsius, soit seulement 14 degrés plus élevés. Il s'agit du point où il passe de l'état liquide à l'état gazeux et vice versa. Il est également important de souligner que les seules forces que nous observons entre les molécules d’azote sont les forces de dispersion de London.
Examinons maintenant de plus près l’une des propriétés clés de l’azote, soit sa faible réactivité. Nous faisons souvent référence à l’azote comme étant un gaz inerte, ce qui est généralement attribuable à la grande force de la liaison triple azote-azote. Cette liaison triple a une enthalpie de liaison de 942 kilojoules par mole et elle est considérablement plus forte que la combinaison d’une liaison double azote-azote à 418 kilojoules par mole avec une liaison simple azote-azote à 167 kilojoules par mole.
Puisqu’une liaison triple azote-azote est plus forte qu’une liaison double ou simple azote-azote et même qu'une liaison simple ou double entre l’azote et un autre élément, nous pouvons nous attendre à ce que l’azote forme une liaison triple plutôt que d’autres combinaisons. Nous pouvons comparer cette situation avec celle du carbone qui forme plus souvent des liaisons doubles et simples que des liaisons triples. Dans ce cas-ci, l’enthalpie de liaison pour la combinaison d'une liaison double et d'une liaison simple carbone-carbone est supérieure à l’enthalpie de liaison pour une liaison triple carbone-carbone. À partir de ces données, nous pouvons nous attendre à ce que le carbone forme davantage de liaisons doubles et simples.
Maintenant que nous connaissons les propriétés de l’azote gazeux, examinons comment il est synthétisé en laboratoire. Le moyen le plus simple de synthétiser l’azote est de l'extraire à partir de l’air. L’azote représente 78 pourcents de l’atmosphère terrestre, alors que les autres composants principaux de l’air sont le dioxyde de carbone, l’eau, l’argon et l’oxygène. Nous pouvons éliminer le dioxyde de carbone, l’eau et l’oxygène pour isoler l’azote.
Nous commençons avec un pot rempli d’air. L’eau est utilisée pour déplacer l’air et le forcer à passer dans la section suivante du montage. L’air pénètre dans une solution d'hydroxyde de sodium, également connue sous le nom de soude caustique, qui est utilisée pour éliminer le dioxyde de carbone. L’hydroxyde de sodium, une base, est utilisé ici étant donné que le dioxyde de carbone est un gaz acide. L’équation de réaction implique que 2NaOH aqueux plus du CO2 gazeux réagissent pour produire du Na2CO3 aqueux, soit du carbonate de sodium, et du H2O liquide. Les gaz résiduels passent ensuite à travers de l’acide sulfurique concentré, ce qui élimine la vapeur d’eau étant donné qu'il s'agit d'un agent déshydratant. Le gaz résiduel passe alors dans un tube horizontal contenant des copeaux de cuivre au-dessus d'une source de chaleur comme un bec Bunsen, ce qui élimine l’oxygène qui réagit avec les copeaux de cuivre.
La réaction du cuivre et de l’oxygène produit de l'oxyde de cuivre deux. Le gaz résiduel est recueilli sur du mercure dans une bouteille de gaz. Le mercure est utilisé plutôt que de l'eau, car la présence d’eau réintroduirait de la vapeur d’eau. Le gaz résiduel est de l’azote presque pur, bien qu'il contienne une petite quantité d’argon. L’argon est plus difficile à éliminer, donc il en restera certainement. Toutefois, l'argon a une abondance de seulement environ un pour cent par mole et il n’est pas réactif. Il est donc peu probable qu’il interfère dans l'une ou l'autre des utilisations possibles de l'azote.
Nous pourrions utiliser une autre méthode pour ne pas avoir d’argon. Nous pourrions préparer de l’azote en laboratoire en chauffant un mélange d’une solution de chlorure d’ammonium et d’une solution de nitrite de sodium. Le nitrite de sodium a la formule chimique NaNO2. Il convient de noter qu'il est différent du nitrate de sodium, dont la formule chimique est le NaNO3. Le suffixe est un indicateur du nombre d’atomes d’oxygène. Le mot se terminant par « -ate » est utilisé pour l’ion avec le plus grand nombre d’atomes d’oxygène, alors que le mot se terminant par « -ite » est utilisé pour l'ion avec le moins d’atomes d’oxygène. La réaction du nitrite de sodium aqueux avec du chlorure d’ammonium aqueux produit du chlorure de sodium et du nitrite d’ammonium.
Le nitrite d’ammonium a été créé in situ, car il est très instable et se décomposera rapidement. Lorsque le nitrite d’ammonium se décompose, il produit de l’eau et de l’azote gazeux. L’azote gazeux monte dans le tube et peut être collecté sur de l’eau dans une bouteille de gaz. Cette méthode signifie que la vapeur d’eau sera également collectée. Si nous voulons de l’azote sans eau, nous pouvons le faire passer dans de l’acide sulfurique concentré et le collecter sur du mercure dans une bouteille de gaz. Nous avons donc démontré que le chauffage d’une solution de chlorure d’ammonium et d’une solution de nitrite de sodium produit de l’azote gazeux. Nous pouvons représenter le fait que de la chaleur est nécessaire pour cette réaction en utilisant le Δ majuscule. La méthode de synthèse et la méthode à partir de l’air sont toutes les deux utilisées à une échelle relativement petite.
Une méthode différente est utilisée pour fabriquer des tonnes d’azote. Dans l’industrie, l’une des méthodes clés pour la préparation de l’azote implique la distillation fractionnée. Au cours de ce processus, l’air passe à travers différents filtres qui éliminent la poussière et la vapeur d’eau. L’air filtré est ensuite amené à environ moins 220 degrés Celsius. Le CO2 peut être éliminé à cette étape, car il gèle à moins 79 degrés Celsius. Les autres composants majeurs de l’air se condensent à des températures similaires, ce qui les rend plus difficiles à séparer. Toutefois, si nous chauffons le mélange lentement jusqu'à juste au-dessus de moins 196 degrés Celsius, soit la température à laquelle l’azote gazeux se condense, l’azote se retransforme alors en gaz, laissant l’argon et l’oxygène liquides derrière lui.
Maintenant que nous savons comment isoler l’azote, nous allons examiner les réactions de l’azote et de ses composés. Tout d’abord, nous allons examiner la réaction de l’azote avec l’hydrogène. L’équation de la réaction nous montre que l’azote réagit avec l’hydrogène pour produire de l’ammoniac. Pour que cette réaction se produise, une étincelle électrique et une température de 550 degrés Celsius sont nécessaires. Dans l’industrie, de grandes quantités d’ammoniac sont produites par le procédé Haber ou Haber–Bosch. Les produits et les réactifs sont les mêmes que dans l’équation précédente, mais les conditions de réaction sont différentes.
Le procédé Haber utilise des catalyseurs contenant du fer et du molybdène. Une température et une pression élevées sont également nécessaires pour assurer de bons rendements en produit. Le procédé Haber était autrefois utilisé comme source d’ammoniac pour la production d’explosifs, mais il est maintenant principalement utilisé pour produire des engrais. L’azote peut également réagir avec l’oxygène gazeux pour produire de l’oxyde nitrique. La réaction de l’azote avec l’oxygène nécessite des températures très élevées, soit autour de 3 000 degrés Celsius. Ces températures sont facilement atteignables en utilisant un arc électrique. Un arc électrique est semblable à une étincelle électrique, mais il a tendance à durer plus longtemps.
La foudre constitue un exemple d’arc électrique que l'on retrouve dans la nature. Le produit, soit l’oxyde nitrique, peut ensuite réagir davantage avec l’oxygène. La réaction de l’oxyde nitrique avec l’oxygène produit du dioxyde d’azote. Il existe de nombreux oxydes d’azote différents, mais l’oxyde nitrique et le dioxyde d’azote sont les deux plus courants.
Examinons maintenant la réaction de l’azote avec les métaux. Le magnésium, un réducteur fort, réagira avec l’azote. Cette réaction nécessite de la chaleur et produit du nitrure de magnésium dans lequel l'ion nitrure est du N3-. Le nitrure de magnésium, qui consiste en une poudre jaune verdâtre, peut ensuite réagir avec l’eau. Cette réaction produit de l’ammoniac et de l’hydroxyde de magnésium.
Nous allons ensuite examiner la réaction de l’azote avec le carbure de calcium. Cette réaction produit du cyanamide calcique et du carbone solide, également connu sous le nom de suie. Le cyanamide calcique peut alors réagir avec l’eau pour produire de l’ammoniac et du carbonate de calcium. L’ammoniac peut être absorbé dans l’eau présente dans le sol pour être utilisé par les plantes.
Maintenant que nous avons étudié les principales réactions de l’azote, examinons les principales réactions de certains de ses composés. Tout d’abord, examinons la réaction du chlorure d’ammonium avec une base forte. Nous commençons avec le mélange de chlorure d’ammonium et d’une base forte dans l’eau. Dans ce cas-ci, la base est l’hydroxyde de calcium. L’hydroxyde de sodium constitue un autre exemple de base forte. L’hydroxyde de calcium sous forme solide est appelé chaux éteinte, alors que l’hydroxyde de calcium aqueux est appelé eau de chaux et est utilisé pour tester la présence de dioxyde de carbone. Cette réaction produit du chlorure de calcium, de l’eau et de l’ammoniac,
qui est soluble. Toutefois, lorsque le récipient est chauffé, il se dégage sous forme de gaz, tout comme la vapeur d’eau. Un tube de séchage contenant de l’oxyde de calcium peut être utilisé pour éliminer l’eau afin de laisser seulement de l’ammoniac gazeux. Le tube contenant l’ammoniac gazeux est introduit dans une bouteille de gaz à l'envers. L’ammoniac gazeux déplacera l'air étant donné qu'il est moins dense, ce qui permettra de le collecter.
Nous avons étudié de nombreuses réactions qui produisent de l’ammoniac gazeux, mais nous devons maintenant être en mesure de prouver que cette production a été un succès. Nous pouvons le faire en faisant réagir l'ammoniac gazeux produit avec du chlorure d’hydrogène. Si nous ajoutons de l’ammoniac aqueux à une boule de coton et que nous ajoutons du chlorure d’hydrogène ou de l’acide chlorhydrique aqueux à une autre boule de coton, l’ammoniac et le chlorure d’hydrogène s’évaporeront. Une réaction se produira alors entre les deux gaz incolores. Du chlorure d’ammonium, un solide cristallin blanc, sera produit. Il prendra initialement la forme d’une vapeur blanche. Nous en avons appris davantage sur les réactions de l’élément azote et des composés à base d’azote.
Récapitulons maintenant les points clés de cette vidéo. La liaison triple azote-azote est très forte. L’azote se retrouve donc généralement sous la forme d'une molécule gazeuse diatomique. Le diazote compose 78 pourcents de l’air et est souvent décrit comme étant inerte. C’est la liaison covalente triple forte qui rend le diazote non réactif. Le diazote est incolore, inodore, insipide, peu soluble dans l’eau, neutre, a un point de fusion de moins 210 degrés Celsius et un point d’ébullition de moins 196 degrés Celsius. Le diazote peut être synthétisé en éliminant les autres gaz présents dans l’air ou en faisant réagir du nitrite de sodium avec du chlorure d’ammonium.
L’ammoniac, une molécule à base d’azote, peut être préparé en utilisant le procédé Haber, qui implique une réaction de l’azote avec l’hydrogène ou une réaction du chlorure d’ammonium avec une base forte, comme l’hydroxyde de calcium. Nous avons également mentionné que l’azote réagit en présence de beaucoup d’énergie avec l’hydrogène, l’oxygène, le magnésium et le carbure de calcium. Finalement, nous avons examiné le test pour l’ammoniac qui implique une réaction avec du chlorure d’hydrogène pour produire du chlorure d’ammonium sous forme de fumée blanche.
