Azoto (N₂): proprietà chimiche, produzione e applicazioni industriali

Cos’è l’azoto?

Identificato nella tavola periodica dal simbolo N e dal numero atomico 7 e massa atomica di circa 14.007 u, l'azoto è un gas incolore e inodore. La sua valenza chimica, tipicamente 3, gli permette di formare legami stabili e composti diversi.

Il diazoto, la cui formula chimica è N₂, la molecola biatomica dell'azoto, possiede nella sua composizione un legame triplo straordinariamente forte che lo rende ampiamente inerte in condizioni standard. Questa proprietà intrinseca lo rende significativamente meno reattivo rispetto a gas come l'ossigeno. Tuttavia, l'azoto è capace di formare facilmente una gamma diversificata di composti contenenti altri elementi. Questi includono l'ammoniaca (NH₃), vari ossidi di azoto (NOₓ), l'acido nitrico (HNO₃) e i nitrati, tutti fondamentali per settori chiave come l'agricoltura, la produzione, l'alimentare e la farmaceutica.

L'azoto possiede due isotopi stabili e naturali: l'Azoto-14 (14N), che è il più comune e rappresenta oltre il 99% dell'azoto naturale, e l'azoto-15 (15N), meno abbondante, ma importante in studi isotopici. Esistono inoltre isotopi radioattivi dell'azoto, come l'azoto-13 (13N), utilizzati in applicazioni di ricerca e medicina, ma con una vita media molto breve.

Abbondanza e disponibilità dell’azoto

L'azoto è un elemento onnipresente sulla Terra, dove costituisce quasi il 78% del volume della nostra atmosfera, rendendolo il gas più abbondante nell'aria che respiriamo. È anche un componente fondamentale di tutte le forme di vita biologica essendo un elemento costitutivo delle proteine e degli acidi nucleici come il DNA, il che lo rende un componente di importanza cruciale per ogni forma di vita biologica.

Si stima che sia il 5° o il 7° elemento più abbondante nel Sistema Solare e nella Via Lattea. Sulla Terra si trova nella crosta terrestre all'interno dei minerali. L'azoto è un elemento essenziale per tutte le forme di vita ma, nell'acqua di mare, si presenta principalmente come gas N₂ disciolto inerte (più del 95%) che è inaccessibile alla maggior parte delle specie. Il resto è azoto reattivo (Nr), come nitrato, ammoniaca e composti organici disciolti.

Metodi di separazione e produzione industriale

Per le sue vaste applicazioni industriali, l'azoto viene separato e prodotto su larga scala. I metodi principali si basano sulla separazione dell'aria, che permette di isolare l'azoto dagli altri gas atmosferici.

La produzione avviene tipicamente tramite:

• Distillazione criogenica dell'aria: Questo processo raffredda l'aria a temperature estremamente basse per liquefarla, consentendo poi la separazione dell'azoto (che ha un punto di ebollizione leggermente inferiore) da ossigeno e argon tramite distillazione frazionata.
• Tecnologia di adsorbimento modulato in pressione (PSA - Pressure Swing Adsorption): Questo metodo consente la produzione di azoto in loco, utilizzando setacci molecolari che assorbono selettivamente l'ossigeno dall'aria compressa, lasciando passare l'azoto.

L'azoto prodotto può essere fornito in diverse forme per adattarsi alle esigenze del cliente. Per piccoli volumi, è disponibile sotto forma gassosa in bombole o pacchi bombole. Per esigenze di grandi volumi o per una fornitura continua, viene fornito in forma liquida (LN₂) e stoccato in loco in dewar o serbatoi di stoccaggio, oppure può essere prodotto direttamente sul posto tramite generatori dedicati (come FLOXAL™).

Proprietà fisiche e chimiche dell’azoto

L'azoto, noto anche come diazoto, è un elemento chimico incolore e inodore, dotato di proprietà fisiche e chimiche distinte.

Proprietà fisiche

• Peso molecolare: 28,01 g/mol
• Punto di ebollizione: -195,8°C (77,36 K)
• Punto di fusione: -210,0°C (63,15 K)
• Densità: 1,251 g/L a 0°C
• Solubilità in acqua: Leggermente solubile
• Infiammabilità: Non infiammabile
• Tossicità: Non tossico. Queste proprietà, in particolare i suoi punti di ebollizione e fusione estremamente bassi, rendono l'azoto liquido un fluido criogenico di grande importanza.

Comportamento chimico e legami molecolari

Il diazoto (N₂), la forma molecolare più comune, è un gas relativamente inerte in condizioni standard a causa della forza eccezionale del suo triplo legame (N≡N). Questa forte entalpia di legame lo rende non reattivo nella maggior parte degli scenari comuni.

Tuttavia, in condizioni specifiche come temperature elevate, pressioni significative e in presenza di catalizzatori, l'azoto può diventare reattivo. Ad esempio, reagisce con l'idrogeno per formare ammoniaca (NH₃) o con l'ossigeno, soprattutto ad alte temperature (come nei processi di combustione), per formare vari ossidi di azoto (NOₓ) come NO e NO₂.

Composti dell’azoto e loro importanza

L'azoto è capace di formare una vasta gamma di composti con altri elementi, fondamentali per la vita e per numerosi settori industriali.

Ammoniaca, nitrati e fertilizzanti

Tra i composti inorganici, l'ammoniaca (NH₃) è di cruciale importanza. Principalmente sintetizzata attraverso il processo Haber-Bosch, l'ammoniaca è la materia prima fondamentale per quasi tutti i fertilizzanti a base di azoto. Questo ruolo la rende vitale per la sicurezza alimentare globale e per la produttività agricola, in quanto fornisce alle piante l'azoto necessario per la crescita.

I nitrati (NO₃⁻) e i nitriti (NO₂⁻) sono altri composti azotati significativi, anch'essi ampiamente utilizzati nel settore agricolo. Come sostanze vegetali vitali, sono componenti essenziali dei fertilizzanti sintetici e organici, cruciali per sostenere la crescita delle piante e i rendimenti agricoli.

Gli ossidi di azoto (NOₓ), come l'ossido nitrico (NO) e il diossido di azoto (NO₂), si formano principalmente durante i processi di combustione ad alta temperatura. Sebbene siano importanti in vari contesti, sono anche noti per il loro impatto ambientale (che verrà approfondito qui sotto in uno specifico paragrafo). L'acido nitrico (HNO₃) è un altro importante composto dell'azoto, reattivo e corrosivo.

Composti organici (proteine, aminoacidi)

L'azoto è un componente essenziale di molte biomolecole, incluse le proteine e gli acidi nucleici come il DNA. Questo lo rende cruciale per la sopravvivenza e la funzione di tutti gli organismi viventi, poiché le proteine sono formate da amminoacidi che contengono azoto.

Produzione di materie plastiche

L'azoto svolge un ruolo cruciale nella produzione di materie plastiche. Sostituendo l'ossigeno e creando ambienti controllati e inerti, l'azoto migliora la resistenza, l'aspetto e la durabilità dei prodotti in plastica. Assicura una produzione continua e di alta qualità poiché riduce gli sprechi e protegge i macchinari. Partecipa inoltre a vari processi come: stampaggio a iniezione, stampaggio ad iniezione assistito con gas (GAIM), estrusione della plastica, etc.

Applicazioni industriali dell’azoto

L'azoto di diversi gradi di purezza trova un ampio spettro di applicazioni in diverse industrie grazie alla sua natura inerte e alla sua versatilità. Ecco alcune delle sue utilizzazioni comuni:

Industria alimentare

L'azoto è fondamentale per la conservazione e il confezionamento degli alimenti. Previene l'ossidazione, mantiene la qualità dei prodotti a livelli superiori (colore, sapore, elementi nutrizionali) e ne prolunga la durata di conservazione (shelf life). È ampiamente utilizzato nel confezionamento in atmosfera protettiva (MAP) per ridurre o sostituire i livelli di ossigeno all'interno degli imballaggi, e in processi quali la carbonatazione, l'imbottigliamento e la conservazione. Grazie alla sua grande capacità di raffreddamento, l'azoto liquido è impiegato anche nella surgelazione rapida degli alimenti per preservarne qualità, consistenza e valore nutrizionale, e in gastronomia molecolare per tecniche culinarie innovative.

Metallurgia e trattamento dei metalli

Nel settore della metallurgia, l'azoto è utilizzato in diversi tipi di processi come la saldatura, il taglio, il trattamento termico (es. nitrurazione) e la sinterizzazione, nonché nella produzione di acciaio e altri metalli. È essenziale per creare atmosfere protettive che prevengono l'ossidazione e la contaminazione dei metalli durante le lavorazioni ad alta temperatura.

Industria elettronica

In questo settore, l'azoto previene l'ossidazione durante la brasatura e altri processi delicati, il che permette di ottenere saldature di migliore qualità, una maggiore affidabilità dei componenti e una riduzione dei difetti di produzione.

Uso in criogenia (azoto liquido)

L'azoto liquido (LN₂), con il suo punto di ebollizione estremamente basso di -196 °C, è ampiamente utilizzato per il raffreddamento a bassissime temperature nella ricerca scientifica, nei processi industriali e in attrezzature specializzate che richiedono un controllo preciso della temperatura. È essenziale per la crioconservazione a lungo termine di campioni biologici, come cellule, tessuti, e di campioni medici, assicurandone la vitalità e l'integrità per periodi prolungati. L'azoto gassoso è anche impiegato in molti processi criogenici per lo spurgo o il mantenimento di ambienti freddi.

Applicazioni in campo medico e farmaceutico

L'azoto è cruciale per la produzione farmaceutica, dove crea atmosfere protettive per prevenire l'ossidazione e la degradazione, mantenendo la sterilità dei prodotti e prolungandone la durata di conservazione. In campo medico, l'azoto liquido trova impiego in applicazioni come la criochirurgia, la dermatologia (ad esempio per l'eliminazione di verruche), e nel trasporto e stoccaggio sicuro di organi, sangue e prodotti farmaceutici sensibili alla temperatura.

Altri impieghi specifici

L'azoto è versatile e utilizzato anche in altri settori:

• Chimica e petrolchimica: per l'inertizzazione, lo spurgo e la copertura, prevenendo ossidazione, combustione e reazioni indesiderate durante lo stoccaggio e la fabbricazione di prodotti chimici.
• Pressurizzazione: il diazoto (N₂) fornisce un gas sicuro e infiammabile per test di pressione, la propulsione di aerosol o il gonfiaggio di pneumatici specializzati, dove la sicurezza e la performance sono critiche.
• Atmosphere controllate: utilizzato per modificare le atmosfere in vari contesti spostando o riducendo i livelli di ossigeno, aiutando a prevenire la crescita batterica e a preservare prodotti sensibili.
• Reattori nucleari: l'azoto è utilizzato principalmente per prevenire esplosioni e per il raffreddamento.

Sicurezza e precauzioni nell’uso dell’azoto

Assicurare la manipolazione, lo stoccaggio e il trasporto sicuri dell'azoto è fondamentale negli ambienti industriali per prevenire incidenti e proteggere il personale.
È cruciale comprendere i pericoli associati all'azoto:

• Azoto gassoso (N₂): sebbene non sia tossico né infiammabile, l'azoto gassoso presenta un significativo rischio di asfissia. Quando rilasciato in spazi confinati, sposta l'ossigeno, portando a livelli di ossigeno pericolosamente bassi che possono essere letali se non si interviene rapidamente.
• Azoto liquido (LN₂): a causa della sua temperatura estremamente bassa (-196°C), l'azoto liquido può causare gravi ustioni criogeniche al contatto. Presenta anche rischi di pressione dovuti alla sua rapida espansione in gas e può provocare la fragilizzazione di materiali non compatibili con la criogenia. Come l'N₂ gassoso, comporta un rischio di asfissia per spostamento di ossigeno.
• Composti azotati reattivi (es. ammoniaca, ossidi di azoto): contrariamente al diazoto inerte, molti dei suoi composti sono molto reattivi e presentano pericoli specifici. L'ammoniaca è un gas tossico, corrosivo e infiammabile. Gli ossidi di azoto sono tossici, corrosivi e irritanti per le vie respiratorie, contribuendo anche all'inquinamento ambientale.

Protocolli di sicurezza robusti e il rispetto delle norme stabilite sono cruciali per l'attenuazione dei rischi. Ciò include:

1. Ventilazione adeguata: assicurare una ventilazione sufficiente nelle zone dove l'azoto gassoso o liquido è utilizzato o stoccato è vitale per prevenire lo spostamento di ossigeno e l'accumulo di composti pericolosi.
2. Dispositivi di Protezione Individuale (DPI): richiedere l'uso di DPI appropriati, inclusi guanti criogenici , occhiali di sicurezza e visiere, protegge dalle ustioni criogeniche e dall'esposizione chimica.
3. Stoccaggio e manipolazione sicuri: ciò include lo stoccaggio dell'azoto liquido solo in contenitori criogenici approvati e correttamente ventilati, e il fissaggio delle bombole di gas compresso per prevenire danni fisici o il ribaltamento.
4. Sicurezza delle attrezzature: tutte le attrezzature utilizzate con l'azoto devono essere appropriate alle pressioni e alle temperature tipiche dell’azoto. Manutenzioni e ispezioni regolari sono essenziali.
5. Monitoraggio atmosferico: l'implementazione di monitor e allarmi per l'ossigeno, così come una sorveglianza atmosferica continua negli spazi confinati, forniscono allarmi precoci in caso di livelli di ossigeno pericolosamente bassi.
6. Norme di trasporto: il rispetto delle regolamentazioni nazionali, dell'UE e internazionali rigorose che disciplinano il trasporto dei gas compressi e dei liquidi criogenici è obbligatorio per garantire la sicurezza pubblica e ambientale durante il transito.
7. Formazione del personale: una formazione completa del personale è fondamentale. Tutto il personale che manipola azoto o lavora in ambienti ricchi di azoto deve ricevere una formazione approfondita sui rischi di asfissia, i rischi criogenici, le procedure di emergenza e i pericoli specifici dei composti azotati reattivi.

Effetti ambientali e sulla salute

L'eccesso di azoto, sia che si tratti di diazoto o dei suoi diversi composti, pone sfide ambientali significative, portando a un inquinamentoche danneggia gli ecosistemi, la fauna e la salute umana. Questo inquinamento da azoto si manifesta in diversi modi critici:

• Contaminazione dell'acqua e del suolo (eutrofizzazione): l'eccesso di azoto, spesso derivante da attività agricole e scarichi industriali, può causare l'eutrofizzazione dei corpi idrici. Ciò provoca una crescita massiccia di alghe, che possono produrre neurotossine pericolose per gli esseri umani, il bestiame e gli animali acquatici, causando potenzialmente problemi respiratori e altre gravi affezioni. Inoltre, l'eutrofizzazione riduce anche i livelli di ossigeno nell'acqua, creando "zone morte" dove la vita acquatica non può sopravvivere. Livelli elevati di nitrati nell'acqua comportano anche costi di trattamento dell'acqua eccessivamente elevati.
• Inquinamento atmosferico: le emissioni derivanti dai processi industriali e dalla combustione di combustibili fossili rilasciano composti azotati come gli ossidi di azoto (NOₓ) nell'atmosfera. Questi sono gas molto reattivi che contribuiscono significativamente ai problemi di inquinamento atmosferico come la formazione di smog e le piogge acide, i quali possono nuocere al sistema respiratorio, alla vegetazione e alle infrastrutture.
• Impatto sul cambiamento climatico: l'ossido di diazoto (N₂O), un potente gas serra rilasciato dai suoli agricoli, dal trattamento delle acque reflue e dai processi industriali, è circa 300 volte più efficace della anidride carbonica nel trattenere il calore atmosferico su un periodo di 100 anni, contribuendo significativamente al cambiamento climatico.

Le principali fonti antropiche (causate dall'uomo) di eccesso di azoto nell'ambiente includono l'applicazione generalizzata di fertilizzanti a base di azoto in agricoltura (comprese le colture e le attività di allevamento intensivo) e le emissioni provenienti da vari processi di combustione industriale.

Prevenzione e gestione

Riconoscendo questi impatti, numerosi quadri normativi, come quelli stabiliti all'interno dell'Unione Europea, sono in atto per controllare e attenuare le emissioni di azoto. Le diverse strategie del Green Deal Europeo della Commissione Europea mirano a ridurre l'uso dell'azoto e a diminuire l'uso dei fertilizzanti.

Questi piani comprendono l'ottimizzazione della gestione degli apporti di azoto in agricoltura (ad esempio, agricoltura di precisione, utilizzo limitato dei fertilizzanti), l'implementazione di un trattamento avanzato delle acque reflue industriali e agricole ricche di azoto prima del loro scarico nei corsi d'acqua naturali, e lo sfruttamento delle innovazioni tecnologiche volte a ridurre le emissioni di ossidi di azoto provenienti dalle fonti di combustione industriale.

L’azoto in Air Liquide: soluzioni e innovazioni

In quanto uno dei leader mondiali dei gas industriali, Air Liquide si configura come il tuo partner strategico, offrendo gas, attrezzature e servizi precisamente adattati alle tue esigenze. Adattiamo la fornitura di azoto alle tue esigenze, sia tramite bombole e pacchi bombole per le piccole necessità, in forma liquida per le richieste più consistenti, sia tramite la produzione di gas in loco (generatore FLOXAL™), o via pipeline.

Oltre all'azoto industriale standard, Air Liquide propone anche soluzioni di azoto specifiche per diverse applicazioni e settori industriali, quali:

• Azoto di qualità alimentare (ALIGAL™): utilizzato per preservare a lungo la freschezza e la qualità dei tuoi alimenti per le tue applicazioni di confezionamento in atmosfera protettiva (MAP) e di inertizzazione.
• Azoto farmaceutico (PHARGALIS™): per le tue applicazioni di inertizzazione e confezionamento, processi criogenici e bioproduzione.
• Azoto LASAL™: per le tue esigenze di taglio laser.
• Per le tue esigenze di saldatura ad arco, l'azoto rientra nella composizione di alcuni gas di saldatura: ARCAL™.
• Azoto per il settore HVAC (Albee Cool Plus N₂ e la miscela azoto-idrogeno Formingas): per la refrigerazione e la climatizzazione.
• Azoto ALPHAGAZ™: per le tue applicazioni di laboratorio, di analisi e di controllo di processo.

Per rispondere all'imperativo crescente della sostenibilità, Air Liquide propone l'azoto a basse emissioni di carbonio ECO ORIGIN™, una soluzione innovativa per ridurre l'impronta ambientale delle tue operazioni. Prodotto da energie 100% rinnovabili, l'azoto ECO ORIGIN™ è una soluzione rispettosa dell'ambiente e si allinea perfettamente con gli obiettivi di decarbonizzazione dei settori industriali.

Forti della nostra esperienza ineguagliabile e del nostro know-how, operiamo per accompagnarti in tutte le fasi di sviluppo legate alle tue esigenze di azoto, offrendoti un supporto su misura per i tuoi settori e applicazioni specifici. Contattaci ora e richiedi più informazioni su le nostre soluzione che riguardano l’azoto.