NITRÓGENO
UNIVERSIDAD DE SONORA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA
QUIMICA INDUSTRIAL I
MONOGRAFÍA NITRÓGENO
1
NITRÓGENO
PAG. CONTENIDO RESÚMEN……………………………………………………………………………3
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….4
¿QUPE ES EL NITRÓGENO? …………………………………………………….5
PROPIEDADES…………………………………………………………………......6
FORMAS DE OBTENCIÓN………………………………………………………...8
APLICACIONES DEL N2…………………………………………………………..10
EMPRESAS DONDE SE FABRICA……………………………………………….12
CONCLUSIÓN…………………………………………………………………….…13
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………..……14
2
NITRÓGENO
RESÚMEN El nitrógeno es un elemento químico que se simboliza con la letra “N”, es un gas incoloro, indoloro e insípido, este elemento constituye el 78% del volumen en la atmósfera de la tierra, Se puede considerar que fue descubierto por el químico escocés Daniel Rutherford. Este elemento consta de dos isótopos*,
14
N y
15
N, producidos por una
variedad de reacciones nucleares. Posee una reactividad baja hacia la mayor parte de las sustancias comunes. A altas temperaturas, reacciona con cromo, silicio, titanio, aluminio, boro, berilio, magnesio, bario, estroncio, calcio y litio para formar nitruros; con oxígeno (O 2), para formar NO, y en presencia de un catalizador, con hidrógeno a temperaturas y presión bastante altas, para formar amoniaco (NH 3). El nitrógeno se puede obtener de diversas maneras, entre las cuales se encuentran: por simple eliminación de oxigeno en el aire, a partir de sus compuestos, etc. A nivel industrial el nitrógeno se utiliza para limpieza de tuberías, hinchado de neumáticos, en alimentos y bebidas, medicinas, en el petróleo y gas, en electrónica, entre otras. Hoy en día, en México cuenta con varias empresas encargadas a la fabricación y
distribución de nitrógeno, entre las cuales podemos mencionar: Empresa Cryoinfra, NITROTIRE, Oxi Air, Dad Mex, etc.
3
NITRÓGENO
INTRODUCCIÓN
El siguiente trabajo, se detallará más específicamente sobre un elemento correspondiente de la tabla periódica: el nitrógeno, describiendo así el concepto mismo del elemento, propiedades químicas y físicas, aplicaciones a nivel industrial, elaboración, así como las diferentes empresas del país que lo manejan. Esta monografía tiene como objetivo de dar a conocer más ampliamente las grandes y diversas aplicaciones que tiene el elemento N 2. Su importancia radica en que dentro de la composición del aire, se encuentra en mayor cantidad, los seres vivos dependen del nitrógeno para llevar a cabo diferentes funciones, por mencionar alguna, se utiliza en las plantas como elemento primario, ya que se encuentra dentro de las amidas, clorofila, nucleótidos, vitaminas, ácidos nucleicos, etc. Sin embargo, en este trabajo, la descripción del nitrógeno se enfocará más concretamente a nivel industrial.
4
NITRÓGENO
¿QUÉ ES EL NITRÓGENO?
El nitrógeno es un elemento químico, de numero atómico 7, se simboliza con la letra “N”, es un gas incoloro, indoloro e insípido, este elemento constituye el 78% del volumen en la atmósfera de la tierra, además, forma parte del 3% de la composición elemental del cuerpo humano y también aparece en los restos de los animales, por ejemplo el guano, usualmente en forma de urea, ácido úrico y compuestos de ambos.; y en condiciones normales se comporta como gas diatómico, es decir, dos moléculas del mismo elemento. Al ser el nitrógeno un gas inerte, suele ser llamado ázoe (que significa “sin vida” ) y, en la antigüedad se usaba el símbolo AZ para nombrarlo. Se puede
considerar que fue descubierto por el químico escocés Daniel Rutherford (17491819), ya que en 1772 Rutherford en sus experimentos encontró que, si se encerraba un ratón en un frasco herméticamente cerrado, el animal consumía rápidamente el oxigeno y moría; después, en otro experimento, encendió una vela y un fósforo en el volumen de aire hasta que dejaron de arder, luego hizo pasar el aire por una sustancia capaz de absorber el dióxido de carbono; con estoa resultados, Rutherford descubrió
que si se eliminaba el “aire fijo” (CO2) del
recipiente, quedaba un “aire nocivo” incapaz de sustentar ni la combustión ni la vida; es por eso que Rutherford denominó a este gas como aire desflogisticado, hoy en día conocido como nitrógeno.
5
NITRÓGENO
PROPIEDADES El nitrógeno, consta de dos isótopos*,
14
N y 15N, Además se conocen los
isótopos radiactivos 12N, 13N, 16N y 17N, producidos por una variedad de reacciones nucleares. A presión y temperatura normales, el nitrógeno molecular es un gas con una densidad de 1.25046 g por litro. El nitrógeno elemental tiene una reactividad baja hacia la mayor parte de las sustancias comunes, a temperaturas ordinarias. A altas temperaturas, reacciona con cromo, silicio, titanio, aluminio, boro, berilio, magnesio, bario, estroncio, calcio y litio para formar nitruros; con oxígeno (O 2), para formar NO, y en presencia de un catalizador, con hidrógeno a temperaturas y presión bastante altas, para formar amoniaco (NH3). Y también, el nitrógeno, carbono e hidrógeno se combinan arriba de los 1800ºC (3270ºF) para formar cianuro de hidrógeno (HCN). Los elementos de la familia del nitrógeno muestran tres estados de oxidación principal, que son: -3, +3 y +5 en sus compuestos (aunque también se presentan otros estados de oxidación). Todos los elementos de la familia del nitrógeno forman hidruros, así como óxidos +3, óxidos +5, haluros. El nitrógeno es el elemento más electronegativo de la familia. Así, además de los estados de oxidación típicos de la famila (-3,+3 y +5), el nitrógeno forma compuestos con otros estados de oxidación.
*Isótopos: Son todos los tipos de átomos de un mismo elemento, que se encuentran en el mismo sitio de la tabla periódica pero tiene diferente número másico.. -Número másico o número de masa: representa el número de los protones y neutrones. Se simboliza con la letra A)
6
NITRÓGENO
A continuación se presenta una tabla de las propiedades químicas del N 2.
FORMAS DE OBTENCIÓN
Una forma para obtener nitrógeno, es a partir del aire, ya que puede obtenerse por una simple eliminación de oxigeno; este proceso se hace en laboratorio haciendo pasar el aire arriba de cobre calentado, éste se apodera del oxígeno para formar óxido cúprico sólido, (CuO). Si se quema fósforo en una campana invertida sobre agua se forma fósforo pentaoxidado sólido, que se disuelve en el agua y deja un residuo que en su mayor parte es nitrógeno. (Figura 1.1)
7
NITRÓGENO
(figura 1.1) 1 aire, 2 agua, 3 tela de cobre, 4 nitrógeno El proceso de la figura es el siguiente:
Se calienta una red de alambres de cobre hasta la incandescencia roja (3). A continuación se vierte agua, con cuidado, en el cilindro a la izquierda. Cuando entren 500 cm3 de agua, se cierra el grifo del embudo de goteo (como se puede apreciar en el numero 2). En el cilindro a la derecha se observará que no quedará más que cuatro quintas partes del volumen de aire desplazado del cilindro izquierdo. Hace falta una quinta parte. Durante el proceso, se observa que el cobre calentado se ha puesto negro; posee una capa negra de óxido de cobre (II), es decir, se ha oxidado, el oxígeno del aire fue ligado al cobre. 2 Cu + O2 -- 2 CuO Posteriormente, se tapa el cilindro a la derecha, sumergido en agua, con una placa de vidrio. Después de sacarlo del agua se pone en una mesa introduciendo una vela con llama. Entonces la llama se apaga. Esto quiere decir que 1 quinta parte del aire es de oxígeno y 4 quintas partes de nitrógeno.
8
NITRÓGENO
Otro método de obtención consiste en hacer burbujear aire en una solución alcalina de pirogalol que absorbe al oxígeno.. Si hablamos de forma industrial, el nitrógeno se obtiene a partir de aire líquido (que está compuesto de aire que ha sido licuado mediante aplicación de alta compresión en pistones y posteriormente enfriado a muy bajas temperaturas.) En forma líquida se utiliza como medio de
enfriamiento para congelar alimentos con rapidez. El mayor uso está destinado en la manufactura de fertilizantes nitrogenados los cuales proporcionan una fuente de nitrógeno fijado. Otra manera de obtener nitrógeno es
a partir de sus compuestos.
El nitrógeno puede elaborarse por oxidación del amoníaco, por lo cual se hace pasar este gas sobre óxido de cobre calentado al rojo vivo. 2NH3 + 3CuO
3H2O + N2 + 3Cu0
Otra forma más conveniente consiste en la descomposición del nitrito de amonio, NH 4NO2 . Este compuesto es inestable, y se descompone fácilmente en agua y da nitrógeno. Cuando se calienta suavemente una disolución que contiene una mezcla de cloruro de amonio y nitrito de sodio, se desprende nitrógeno. NH4+ + NO2
2H2O + N2.
APLICACIONES DEL NITRÓGENO El nitrógeno diatómico es muy utilizado en la industria, ya que con este elemento se obtiene amoniaco por el proceso de Haber- Bosch, que es la reacción de nitrógeno e hidrógeno gaseosos para producir amoníaco. La importancia de esta reacción radica en la dificultad de producir amoníaco a un nivel industrial. Como sabemos, alrededor del 78% del aire que nos rodea es nitrógeno, entonces, el elemento como molécula diatómica gaseosa es muy estable y relativamente inerte por los resistentes enlaces triples que mantienen las moléculas unidas; Sin embargo, no fue sino hasta los primeros años del siglo XX cuando este proceso fue 9
NITRÓGENO
desarrollado para obtener nitrógeno del aire y producir amoníaco, que al oxidarse forma nitritos (NO2−) y nitratos (NO3−). Éstos son esenciales en los fertilizantes. De forma natural, esta reacción es muy lenta, para ello, se acelera con un catalizador de hierro (Fe3+), óxidos de aluminio (Al 2O3) y potasio (K2O). Otros factores que aumentan el rendimiento, al desplazar el equilibrio de la reacción hacia los productos (este es el Principio de Le Châtelier ), y con las condiciones de alta presión (200 atmósferas) y altas temperaturas (450-500°C), dando un resultado de un rendimiento del 10-20%. N2 (g) + 3H2 (g) ↔ 2 NH3 (g)
Otras aplicaciones del nitrógeno a nivel industrial se utiliza para: Estanqueidad y pruebas de presión
Se utiliza el nitrógeno para comprobar la resistencia de presión de diseño en recipientes frente a las convencionales pruebas hidráulicas. El N 2 no deja residuos en el interior del recipiente y además actúa como agente secante de la instalación. Limpieza de tuberías
Mediante una fuerte corriente de gas, el nitrógeno comprimido es una técnica rápida y eficaz para la limpieza de la parte interior de las tuberías y canalizaciones. Homogenización y agitación
El uso del nitrógeno como agente homogeneizador es habitual en la industria química: para mezclas de productos de distinta densidad, para disoluciones de sólidos en líquidos, para mantener sólidos en suspensión o bien para mezclas de fases en extracciones líquido- líquido. Hinchado de neumáticos
El nitrógeno comprimido puede sustituir al aire en el hinchado de neumáticos. El nitrógeno tiene una molécula mayor que el O 2 por lo que la
10
NITRÓGENO
presión se mantiene mejor. Es ideal para el hinchado de ruedas de los aviones, de vehículos especialmente pesados y de vehículos deportivos.
En alimentos y Bebidas
Se utiliza nitrógeno líquido criogénico* , es el mas utilizado para enfriar, congelar o almacenar productos alimenticios Químicos
El N2 es corrientemente utilizado en contacto con los productos alimenticios para evitar la oxidación o el crecimiento de microorganismos. Medicinal
Utilizado para la conservación a baja temperatura de tejidos vivos y células. Petróleo y gas
Protección de la calidad de productos e instalaciones (inertización**) Electrónica
El nitrógeno es usado como gas portador para la protección total contra impurezas y oxidación en semiconductores y procesos soldadura. En su forma fría y líquida, N2 es usado como un medio de enfriamiento de dispositivos electrónicos en las pruebas ambientales.
*Criogenia.- es el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno o a temperaturas aún más bajas. Esto se alcanza sumergiendo la muestra en nitrógeno puro **Inertización.- Que significa "dejar quieto", "dejar inactivo", se aplica en la ingeniería ambiental para indicar un proceso de tratamiento de residuos catalogados como residuo peligroso, sean líquidos o sólidos, para inactivar o minimizar su potencial naturaleza química y su posterior disposición final
11
NITRÓGENO
EMPRESAS DONDE SE FABRICA NITRÓGENO Entre las empresas principales para la producción de nitrógeno en el país se encuentran:
Empresa productora de gases industriales, tales como el CO 2, Ar, H2, N2 y O2. Esta planta realiza una gran variedad de aplicaciones, pero enfocado a lo que respecta al nitrógeno está la congelación criogénica de alimentos. EMPRESA NITROTIRE
Es una empresa 100% mexicana que ha estado funcionando desde 1995. Está especializada a la venta de llantas, pero llenadas con nitrógeno en vez de aire; esto le da a las llantas mayor tiempo de vida. Esta empresa se ubica en Querétaro y Ciudad de México.
Genera nitrógeno y ozono de manera industrial, en distintas cantidades de acuerdo a las necesidades de cada cliente. Se encuentra ubicada en Nuevo Laredo, Tamaulipas. EMPRESA DADMEX
DAMEX es una empresa líder en tecnología de resortes de nitrógeno, ofreciendo una completa línea de resortes de nitrógeno y accesorios. Además, ofrece servicios de soporte a productos, incluyendo capacitación, asesoría de ingeniería y soporte técnico. La ubicación de esta empresa está Toluca, Edo. De México.
12
NITRÓGENO
CONCLUSIÓN Como pudimos observar, gracias a este gran descubrimiento (hecho por Daniel Rutherford), y a sus posteriores estudios, hoy en día podemos disfrutar de las ventajas obtenidas del proceso de este elemento, es por ello que es muy importante en las industrias, y en los seres vivos.
13
NITRÓGENO
BIBLIOGRAFÍA Química, La Ciencia Central - Brown T.L. 9na edición. Química General- Petrucy, harwood, Herring Nitrógeno- Extraído el día 14/04/10, desde http://www.lenntech.es/periodica/elementos/n.htm#ixzz0kiw5izsb – 8:55 PM Isótopo- Extraído el día 14/04/10 desde http://es.wikipedia.org/wiki/Is%C3%B3topo- 9:14 PM Empresa DADMEX- Extraído el día 15/04/10 desde http://www.dadmex.com/ - 03:02 AM Empresa Cryoinfra- Extraído el día 15/04/10 desde http://www.cryoinfra.com/ - 03:12 AM Empresa OxyAir- Extraído el día 15/04/10 desde http://www.oxiairmexico.com/-03:33 AM Empresa Nitrotire- Extraído el día 15/04/10 http://www.nitrotire.com.mx/- 03:52 AM
14