Alótropos del nitrógeno

El nitrógeno elemental existe principalmente como molécula diatómica , N₂ _, pero existen otros alótropos o se han explorado teóricamente. Más allá del dinitrógeno (N₂ ₎ , los químicos han buscado durante mucho tiempo sintetizar y estabilizar otros alótropos neutros de nitrógeno, que suelen ser mucho menos estables y a menudo existen solo de forma efímera o en condiciones extremas. Estos compuestos químicos podrían tener aplicaciones potenciales como materiales con una densidad energética muy alta que podrían utilizarse como potentes propelentes o explosivos. ^{[ 1 ]}

El nitrógeno atómico, también conocido como nitrógeno activo, es altamente reactivo, siendo un trirradical con tres electrones desapareados. Los átomos de nitrógeno libres reaccionan fácilmente con la mayoría de los elementos para formar nitruros, e incluso cuando dos átomos de nitrógeno libres colisionan para producir una molécula de N₂ excitada _, pueden liberar tanta energía al colisionar incluso con moléculas estables como el dióxido de carbono y el agua que provocan una fisión homolítica en radicales como CO y O o OH y H. El nitrógeno atómico se prepara haciendo pasar una descarga eléctrica a través de gas nitrógeno a 0,1–2  mmHg, lo que produce nitrógeno atómico junto con una emisión amarillo melocotón que se desvanece lentamente como un resplandor residual durante varios minutos incluso después de que finaliza la descarga. ^{[ 2 ]}

_{El nitrógeno elemental suele presentarse como N₂} molecular , dinitrógeno. Esta molécula es un gas diamagnético incoloro, inodoro e insípido en condiciones estándar: se funde a -210  °C y hierve a -196  °C. ^{[ 2 ]} El dinitrógeno es mayormente inerte a temperatura ambiente, pero reacciona con el litio metálico y algunos complejos de metales de transición . Esto se debe a su enlace, que es único entre los elementos diatómicos en condiciones estándar, ya que posee un triple enlace N≡N . Los triples enlaces tienen longitudes de enlace cortas (en este caso, 109,76  pm) y altas energías de disociación (en este caso, 945,41  kJ/mol), y por lo tanto son muy fuertes, lo que explica el bajo nivel de reactividad química del dinitrógeno. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

A presión atmosférica , el nitrógeno molecular se condensa ( licúa ) a 77 K (−195,79 ° C ) y se congela a 63 K (−210,01 °C) ^{[ 4 ]} en la forma alotrópica cristalina hexagonal compacta beta . Por debajo de 35,4 K (−237,6 °C), el nitrógeno adopta la forma alotrópica cristalina cúbica (llamada fase alfa). ^{[ 5 ]} El nitrógeno líquido , un fluido incoloro que se asemeja al agua en apariencia, pero con el 80,8 % de la densidad (la densidad del nitrógeno líquido en su punto de ebullición es 0,808 g/mL), es un criógeno común . ^{[ 6 ]} El nitrógeno sólido tiene muchas modificaciones cristalinas. Forma una importante cobertura superficial dinámica en Plutón ^{[ 7 ]} y lunas exteriores del Sistema Solar como Tritón . ^{[ 8 ]} Incluso a bajas temperaturas, el nitrógeno sólido es bastante volátil y puede sublimarse para formar una atmósfera, o condensarse de nuevo en escarcha de nitrógeno. Es muy débil y fluye en forma de glaciares, y en Tritón, los géiseres de gas nitrógeno provienen de la región del casquete polar. ^{[ 9 ]}       

Lineal

Cíclico

Isómeros del trinitrógeno

Se conoce el trinitrógeno (N₃ _, el radical azida ), con dos isómeros constitucionales diferentes : un isómero lineal con dobles enlaces y transferencia de carga, y un isómero cíclico. Ambas formas son altamente inestables, aunque la lineal es la más estable. ^{[ 10 ]}

El tetranitrógeno (N₄ ₎ es conocido, pero es extremadamente inestable o existe solo como un intermediario de corta duración. ^{[ 11 ]}

Aunque no se han observado estructuras neutras de N ₅ , se conocen tanto el pentazolato de pentazenio N + 5 como el ciclo - N + 5 .

El hexanitrógeno (N₆ ₎ , una cadena lineal neutra de seis átomos de nitrógeno con enlaces dobles y simples alternados, es estable solo a temperaturas criogénicas y representa el primer alótropo neutro estable del nitrógeno más allá del dinitrógeno. ^{[ 12 ] [ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

La hexazina cíclica (N6 ₎ , una molécula hipotética en forma de anillo análoga al benceno, no se ha sintetizado como una especie neutra, aunque se han producido variantes con carga negativa en condiciones extremas; su inestabilidad se atribuye a la repulsión de los pares de electrones no enlazantes en los átomos de nitrógeno.

Entre las distintas fases del nitrógeno sólido , se ha detectado un alótropo molecular N _8. ^{[ 15 ]}

Se predice que el octaazacubano (N8 ₎ , un hipotético clúster de tipo cubano de ocho átomos de nitrógeno, es altamente energético y potencialmente útil como explosivo o combustible para cohetes, aunque aún no se ha sintetizado. ^{[ 11 ]}

Se han estudiado teóricamente varios isómeros posibles para N ₁₀ , aunque ninguno se ha sintetizado con éxito hasta 2025. La estructura predicha más estable es un bis pentazol dimérico . ^{[ 16 ] [ 17 ]} La triazidamina, N(N ₃ ) ₃ , se ha estudiado teóricamente con fines de análisis estructural en comparación con otros análogos de amoníaco que tienen sustituyentes de nitrógeno ^{[ 18 ]} y en el contexto de la densidad de energía de compuestos con alto contenido de nitrógeno. ^{[ 19 ]}

También se han estudiado teóricamente posibles isómeros de N ₂₀ , aunque, de nuevo, ninguno se ha sintetizado con éxito hasta el momento. Se ha sugerido el peraza dodecahedrano altamente simétrico como una posible estructura estable para N ₂₀ , aunque los cálculos sugieren que en realidad podría no ser la forma más estable, debido a que las caras pentagonales planas sufren interacciones de eclipsamiento . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Entre las distintas fases del nitrógeno sólido , se han detectado diversas redes tridimensionales y formas amorfas. ^{[ 12 ]}

Bajo presiones extremadamente altas (1,1  millones de atm ) y temperaturas elevadas (2000 K), como las que se producen en una celda de yunque de diamante , el nitrógeno se polimeriza formando una estructura cristalina cúbica gauche con enlaces simples . Esta estructura es similar a la del diamante , y ambas poseen enlaces covalentes extremadamente fuertes , lo que le ha valido el sobrenombre de "diamante de nitrógeno". ^{[ 22 ]}  

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