Azot (N, Z=7) jest pierwiastkiem, który rządzi chemią życia i chemią przemysłu. Stanowi 78,09% objętości atmosfery ziemskiej, jest składnikiem aminokwasów, kwasów nukleinowych, alkaloidów i witamin, a zarazem substratem do produkcji nawozów bez których niemożliwe byłoby wyżywienie obecnej populacji Ziemi. Paradoks azotu polega na tym, że mimo swojej ogromnej obfitości w atmosferze, jest pierwiastkiem ograniczającym wzrost roślin w większości naturalnych ekosystemów — ponieważ cząsteczkowy azot N₂ jest tak trwały chemicznie, że niemal żaden organizm (poza wybranymi prokariotami) nie jest w stanie go bezpośrednio wykorzystać. Przełamanie tej trwałości przez chemię przemysłową było jednym z najważniejszych osiągnięć XX wieku.
Konfiguracja elektronowa i wiązanie potrójne N₂
Konfiguracja elektronowa azotu to 1s²2s²2p³ — pięć elektronów walencyjnych rozmieszczonych na orbitalach sp³ (w hybrydyzacji) lub 2s i 2p (bez hybrydyzacji). Cząsteczka N₂ tworzy potrójne wiązanie σ + π + π o energii dysocjacji 945 kJ/mol, co czyni je jednym z najsilniejszych wiązań w chemii. Długość wiązania N≡N wynosi 109,8 pm. Wysoka energia dysocjacji tłumaczy kinetyczną trwałość cząsteczki N₂ — mimo że termodynamicznie utlenianie azotu jest możliwe (tworzenie NO, NO₂), energia aktywacji jest na tyle wysoka, że w warunkach atmosferycznych reakcja praktycznie nie zachodzi bez iskry elektrycznej lub katalizatora.
Wartościowości azotu — od –3 do +5
Azot jest wyjątkowo wszechstronny pod względem wartościowości: może przyjmować wartości od –3 do +5, co czyni go jednym z pierwiastków o najszerszym zakresie stopni utlenienia w układzie okresowym. Wartościowość –3 to amoniak NH₃ i aminy organiczne — tu azot jest donorem pary elektronowej (zasada Lewisa). Wartościowość –2: hydrazyna N₂H₄ — substrat do produkcji azydków i raketowych paliw. Wartościowość –1: hydroksyloamina NH₂OH. Wartościowość 0: cząsteczkowy azot N₂. Wartościowość +1: tlenek diazotu N₂O (gaz rozweselający, anestetyk, czynnik chłodniczy N₂O). Wartościowość +2: tlenek azotu NO — ważna cząsteczka sygnałowa w biologii i mediator vazodilatacji. Wartościowość +3: kwas azotawy HNO₂ i azotyny NO₂⁻. Wartościowość +4: dwutlenek azotu NO₂, brązowy gaz smogowy. Wartościowość +5: kwas azotowy HNO₃ i azotany NO₃⁻. Ten rozległy zakres chemii redoks azotu jest eksploatowany w przemyśle: synteza HNO₃ metodą Ostwalda (NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃) przebiega właśnie przez stany +2, +4 i +5.
Proces Habera-Boscha — skala i znaczenie
Synteza amoniaku metodą Habera-Boscha (N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, ΔH = –92 kJ/mol) jest procesem chemicznym o największych konsekwencjach demograficznych w historii ludzkości. Szacuje się, że połowa azotu w ciałach żyjących obecnie ludzi pochodzi z amoniaku syntetycznego — bez niego Ziemia mogłaby wyżywić zaledwie 3–4 miliardy osób zamiast obecnych 8 miliardów. Proces pracuje w warunkach 400–500°C i 150–300 bar, z promotowanym żelazem jako katalizatorem (Fe₃O₄ + K₂O + Al₂O₃). Konwersja w jednym przejściu wynosi 10–15%, jednak recyrkulacja nieskondensowanego gazu pozwala osiągnąć całkowitą konwersję. Roczna globalna produkcja amoniaku przekracza 175 milionów ton; zużycie energii sięga 1–2% globalnego zużycia energii pierwotnej, a emisje CO₂ z reformingu parowego gazu ziemskiego (główne źródło H₂) wynoszą ok. 1,8 t CO₂/t NH₃. Tzw. zielony amoniak z elektrolitycznego H₂ zasilanego energią odnawialną jest intensywnie rozwijany jako sposób na zdekarbonizację tego sektora.
Tlenki azotu — przemysł i środowisko
Tlenki azotu (NOx = NO + NO₂) są produktem ubocznym procesów wysokotemperaturowych: spalania paliw w silnikach spalinowych i kotłach energetycznych, a także produktami celowymi w syntezie kwasu azotowego. Tlenek azotu NO, bezbłędnie wytwarzany przez śródbłonek naczyniowy jako neuroprzekaźnik (odkrycie uhonorowane Nagrodą Nobla 1998 — Furchgott, Ignarro, Murad), jest zarazem składnikiem smogu fotochemicznego: NO + O₂ → NO₂, który przy udziale węglowodorów i promieniowania UV inicjuje tworzenie ozonu troposferycznego i peroxyacetyloazotanu (PAN). Emisje NOx z transportu są regulowane coraz ostrzejszymi normami Euro (Euro 6d: 80 mg/km dla silników Diesla, 60 mg/km dla benzynowych); katalityczna redukcja SCR z AdBlue (wodny mocznik → NH₃, który redukuje NO₂ do N₂) jest standardem dla ciężarówek i coraz szerzej stosowana w samochodach osobowych.
Azot ciekły — zastosowania w przemyśle i laboratoriach
Azot ciekły (T.w. –196°C, 77 K przy ciśnieniu normalnym) produkowany jest przez kriogeniczną destylację frakcjonowaną powietrza (proces Linde’a) w wielkotonażowych instalacjach Air Products, Air Liquide, Linde Gas. Globalna produkcja przekracza 100 milionów ton ciekłego azotu rocznie. Zastosowania przemysłowe obejmują: schładzanie i zamrażanie żywności (kriogeniczne tunele zamrażalnicze osiągają –100°C, skracając czas zamrażania 10-krotnie względem klasycznej metody i ograniczając uszkodzenia struktury komórkowej), kriogeniczne mielenie materiałów termoplastycznych i elastomerów (embrittlement poniżej temperatury zeszklenia), chłodzenie elektroniki i systemów obliczeń wielkomocowych (data centers), wypełnianie zbiorników z produktami wrażliwymi na tlen (inertyzacja), a w laboratoryjnej syntezie organicznej — długotrwałe przechowywanie kultur komórkowych i banki nasienia/zarodków w kriobiologii. Azot ciekły jest towarem handlowym dostarczanym cysterną lub wytwarzanym on-site z generatorów PSA (pressure swing adsorption) dla mniejszych odbiorców.