Azoto: propriedades, usos e importância para a vida e indústria

O que é o azoto?

Identificado na tabela periódica pelo símbolo N e pelo número atómico 7, o azoto é um gás incolor e inodoro. A sua forma mais comum, o diazoto (N₂), é uma molécula diatómica com uma ligação tripla extraordinariamente forte, o que a torna amplamente inerte em condições normais. Esta propriedade inerente faz com que seja significativamente menos reativo em comparação com gases como o oxigénio. Contudo, o azoto é capaz de formar facilmente uma gama diversificada de compostos, como a amónia (NH₃), diversos óxidos de azoto (NOx), ácido nítrico (HNO₃) e os nitratos.

Trata-se de um componente vital e dominante da atmosfera terrestre, representando cerca de 78% do seu volume. Esta elevada concentração torna-o o gás mais abundante no ar que respiramos. É também um elemento fundamental de todas as formas de vida biológica, sendo um componente essencial das proteínas e dos ácidos nucleicos, como o ADN.

Características físicas e químicas

O azoto, igualmente conhecido como diazoto, é um elemento químico incolor e inodoro, dotado de propriedades físicas e químicas distintas.

Propriedades físicas

• Peso molecular: 28,01 g/mol
• Ponto de ebulição: -195,8°C (77,36 K)
• Ponto de fusão: -210,0°C (63,15 K)
• Densidade: 1,251 g/L a 0°C
• Solubilidade em água: Ligeiramente solúvel
• Inflamabilidade: Não inflamável
• Toxicidade: Não tóxico

Estas propriedades, em particular os seus pontos de fusão e ebulição extremamente baixos, tornam, em especial o azoto líquido, um fluido criogénico de grande importância.

Propriedades químicas

O diazoto é um gás relativamente inerte em condições normais devido à entalpia de ligação muito forte da sua ligação tripla. Esta ligação torna-o não reativo em inúmeros cenários comuns.

No entanto, em condições específicas, como temperaturas elevadas, pressões significativas e na presença de catalisadores, o azoto pode tornar-se reativo. Reage, por exemplo, com o hidrogénio para formar amónia (NH₃) ou com o oxigénio, nomeadamente a altas temperaturas (em processos de combustão, por exemplo), para formar diversos óxidos de azoto (NOx), como o NO e o NO₂.

Ao contrário do próprio diazoto, os seus diferentes compostos são frequentemente muito reativos:

• Amónia: molécula muito reativa com ácidos, água e gases oxidantes.
• Óxidos de azoto: (principalmente o óxido nítrico e o dióxido de azoto) gases muito reativos que desempenham um papel significativo na poluição atmosférica e na química da atmosfera.
• Ácido nítrico (HNO₃): muito reativo, corrosivo e um agente oxidante potente. Reage facilmente com bases, metais e óxidos para formar sais de nitrato.

Isótopos naturais

O azoto possui dois isótopos naturais e estáveis: o Azoto-14 (¹⁴N), que é o mais comum, representando mais de 99% do azoto natural, e o Azoto-15 (¹⁵N), que é menos abundante, mas de grande importância em estudos isotópicos, como os que fornecem pistas sobre as condições ambientais passadas.

Ciclo do azoto na natureza

O azoto é um componente essencial de inúmeras biomoléculas, incluindo proteínas e ADN, tornando-o crucial para a sobrevivência de todos os organismos vivos. Embora seja muito abundante na atmosfera (na forma de diazoto), é na maior parte inacessível para a maioria dos organismos. Apenas quando é convertido em amónia ou nitrato é que se torna disponível para as plantas, que são os primeiros organismos a utilizá-lo na cadeia alimentar.

Fixação biológica do azoto

A fixação do azoto (nitrogénio) é o processo de conversão do azoto atmosférico (N₂) em amónia (NH₃) ou amónio. Esta conversão é realizada principalmente por bactérias fixadoras de azoto, que podem viver livremente no solo ou em simbiose com as raízes das plantas. Este processo é o principal veículo pelo qual o azoto entra nos ecossistemas terrestres.

Processos naturais: nitrificação e desnitrificação

Uma vez no solo, o azoto (N₂) é transformado através de vários processos-chave, dependentes de microrganismos:

• Nitrificação: Bactérias específicas convertem a amónia em nitritos e, em seguida, em nitratos, a forma mais facilmente absorvida pelas plantas.
• Assimilação: As plantas absorvem estes compostos nitrogenados do solo pelas suas raízes, utilizando-os para formar proteínas. O azoto entra, assim, na cadeia alimentar quando os animais se alimentam das plantas.
• Amonificação: Quando plantas e animais morrem, o azoto presente na matéria orgânica é libertado no solo. Este processo de decomposição produz amónia, que é reutilizada em outros processos biológicos.
• Desnitrificação: Em condições de pouco oxigénio, as bactérias desnitrificantes convertem os nitratos de volta em azoto gasoso (N₂), que é libertado para a atmosfera, completando o seu ciclo.

Importância para a fertilidade do solo e ecossistemas

A compreensão do ciclo do azoto é fundamental para a fertilidade do solo e para os ecossistemas. A conversão do azoto atmosférico inerte em formas utilizáveis pelas plantas é o que impulsiona o crescimento e a produtividade agrícola. No entanto, as atividades humanas, como a utilização de fertilizantes, podem desequilibrar este ciclo, levando a desafios ambientais como a eutrofização (aumento das concentrações de nutrientes - azoto e fósforo) nas massas de água e contaminação.

Produção e obtenção do azoto

Para as suas vastas aplicações industriais, o azoto é produzido em larga escala. Os principais métodos baseiam-se na separação do ar, que permite isolar o azoto dos outros gases atmosféricos. O método mais comum é a destilação criogénica do ar. Este processo arrefece o ar até temperaturas extremamente baixas para o liquefazer, permitindo depois a separação do azoto (que tem um ponto de ebulição mais baixo) do oxigénio e do árgon através de destilação fracionada. Outras tecnologias, como a Adsorção por Oscilação de Pressão (PSA), permitem a produção de azoto on-site, de forma flexível e adaptada a necessidades de volume específicas.

O azoto é, ainda, capaz de formar uma vasta gama de compostos, sendo o mais crucial a amónia (NH₃). Sintetizada principalmente através do processo Haber-Bosch, a amónia serve como matéria-prima fundamental para quase todos os fertilizantes à base de azoto, desempenhando um papel vital na segurança alimentar global e na produtividade agrícola.

Os desafios ambientais estão no centro dos desafios dos diferentes setores industriais, para fazer-lhes face estão a ser desenvolvidas inovações tecnológicas para um uso mais sustentável do azoto. Estas incluem a otimização da gestão do azoto na agricultura (por exemplo, através da agricultura de precisão), a implementação de um tratamento avançado de águas residuais ricas em azoto antes da sua descarga, e a exploração de tecnologias para reduzir as emissões de óxidos de azoto provenientes de fontes de combustão industrial.

Aplicações do azoto

O azoto é um elemento essencial para a vida e é amplamente utilizado em diversos setores industriais devido às suas propriedades únicas, como a sua natureza inerte e as suas baixas temperaturas.

Aplicações industriais

A natureza inerte do azoto e o seu frio extremo tornam-no ideal para uma vasta gama de aplicações industriais:

• Criogenia: O azoto líquido (LN₂) é um fluido criogénico de grande importância, usado para arrefecimento a temperaturas extremamente baixas na investigação, em processos industriais e em equipamentos que requerem um controlo preciso da temperatura.
• Atmosfera inerte: O azoto é amplamente utilizado para criar atmosferas inertes que previnem a oxidação, a corrosão e explosões, o que é crucial para a segurança e para a qualidade dos produtos.
• Soldadura: O azoto é utilizado em processos como a soldadura e o corte térmico, ou para criar atmosferas protetoras que previnem a oxidação e a contaminação dos metais durante o tratamento a altas temperaturas.

Uso na indústria alimentar

Na indústria alimentar, o azoto é fundamental para a conservação dos alimentos. Previne a oxidação de alimentos e bebidas (como o vinho), ajuda a manter a qualidade dos produtos (cor, sabor, características nutricionais) e prolonga a sua duração de conservação. É amplamente utilizado no acondicionamento em atmosfera protetora (MAP) para reduzir os níveis de oxigénio no interior das embalagens. O azoto líquido também é utilizado na congelação de alimentos, preservando a sua qualidade e valor nutricional.

Medicina e farmacêutica

No setor médico e farmacêutico, o azoto é crucial para a produção e conservação de medicamentos. A sua utilização como gás inerte previne a oxidação e a degradação, ajudando a manter a esterilidade e a prolongar a duração de conservação dos produtos. O azoto líquido é também usado em criocirurgia e dermatologia, bem como no transporte e armazenamento seguro de órgãos e produtos sensíveis à temperatura.

Uso em fertilizantes

Um dos usos mais importantes do azoto é na agricultura, onde atua como um nutriente vital para o crescimento das plantas. O processo Haber-Bosch revolucionou o setor ao permitir a síntese de amónia (NH₃) a partir de azoto, que serve como matéria-prima fundamental para quase todos os fertilizantes. Compostos como nitratos e nitritos, também derivados do azoto, são igualmente cruciais para a produtividade agrícola e para a segurança alimentar global.

Impactos ambientais e saúde

O excesso de azoto e dos seus compostos, decorrente de atividades humanas, representa desafios ambientais e de saúde significativos.

Efeitos dos compostos nitrogenados na poluição

As emissões de óxidos de azoto (NOx), provenientes de processos industriais e da combustão de combustíveis fósseis, são gases muito reativos que contribuem para a poluição atmosférica. Estes compostos são a causa principal da formação de smog e das chuvas ácidas, que prejudicam os ecossistemas, a vegetação e as infraestruturas, além de causarem problemas respiratórios nos seres humanos.

Relação com o efeito de estufa

O óxido de diazoto (N₂O), um potente gás de efeito de estufa, é libertado para a atmosfera por solos agrícolas, tratamento de águas residuais e processos industriais. A sua capacidade de reter calor é cerca de 300 vezes superior à do dióxido de carbono (CO₂), o que faz com que contribua significativamente para as alterações climáticas. A utilização de fertilizantes e as descargas industriais de azoto também podem levar à eutrofização das massas de água, criando condições perigosas para a vida aquática.

Normas e regulamentações para o uso sustentável

Para mitigar estes impactos, existem diversos quadros normativos, como os estabelecidos pela União Europeia, que visam controlar e atenuar as emissões de azoto. As estratégias do Pacto Ecológico Europeu (European Green Deal) promovem a otimização da gestão do azoto na agricultura, o tratamento avançado de águas residuais ricas em azoto e o desenvolvimento de inovações tecnológicas para reduzir as emissões de óxidos de azoto provenientes da combustão.

Segurança no uso de azoto

Garantir a manipulação, o armazenamento e o transporte seguros do azoto é fundamental em ambientes industriais para prevenir acidentes e proteger os colaboradores.

Riscos de asfixia e compressão

Embora o azoto gasoso (N₂) não seja tóxico nem inflamável (não existindo risco de incêndios), apresenta um risco de asfixia significativo. Quando libertado em espaços confinados, desloca o oxigénio, levando a níveis perigosamente baixos que podem ser letais se não forem tomadas medidas rápidas.

A alta pressão do azoto comprimido é uma fonte de risco significativa, mas que é muitas vezes negligenciada. Incidentes por sobrepressão ou falha de equipamento podem ter consequências graves, incluindo lesões por impacto de material projetado, danos auditivos severos ou até explosões.

O azoto líquido (LN₂), devido à sua temperatura extremamente baixa (-196°C), pode causar graves queimaduras criogénicas ao contacto. Apresenta também riscos de compressão devido à sua rápida expansão para o estado gasoso e pode fragilizar materiais não compatíveis com a criogenia.

Precauções em ambientes industriais e laboratoriais

Protocolos de segurança rigorosos e o cumprimento de normas estabelecidas são cruciais para a atenuação de riscos:

• Ventilação adequada: Essencial para prevenir o deslocamento de oxigénio e o acúmulo de azoto em espaços confinados.
• Equipamentos de Proteção Individual (EPI): O uso de EPI apropriados, como luvas criogénicas e óculos de segurança, protege contra queimaduras criogénicas e exposição.
• Armazenamento seguro: O azoto líquido deve ser armazenado apenas em contentores criogénicos aprovados e ventilados. As garrafas de gás comprimido devem ser fixadas para evitar danos físicos ou quedas.
• Monitorização atmosférica: A implementação de monitores e alarmes de oxigénio fornece alertas precoces em caso de níveis perigosamente baixos.
• Formação dos colaboradores: Todos os profissionais que manipulam o azoto devem receber uma formação completa sobre os riscos de asfixia, perigos criogénicos e procedimentos de emergência.

Curiosidades e fatos interessantes

História da descoberta do azoto

O azoto foi descoberto em 1772 pelo químico Daniel Rutherford, que o identificou ao retirar o oxigénio e o dióxido de carbono do ar, e demonstrando que o gás residual não podia manter a combustão. Embora Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish e Joseph Priestley também estivessem a investigar o azoto na mesma época, foi Antoine-Laurent Lavoisier quem o estabeleceu como um elemento químico e o nomeou "azote", a partir do grego "a-zoe", que significa "sem vida".

Papel do azoto no universo e na química orgânica

O azoto é um dos elementos mais abundantes no universo, sendo o 5.º ou 7.º elemento mais comum no Sistema Solar e na Via Láctea. Na Terra, é o gás dominante na atmosfera e desempenha um papel fundamental na química orgânica, atuando como um bloco de construção essencial de todas as formas de vida, nomeadamente na composição de proteínas e ácidos nucleicos, como o ADN.

Avanços recentes e pesquisas em fixação do azoto

A compreensão do papel crucial do azoto no crescimento das plantas impulsionou o desenvolvimento de métodos de fixação de azoto a nível industrial, com destaque para o processo Haber-Bosch no século XX, que revolucionou a agricultura. Atualmente, a investigação continua focada na criação de tecnologias que permitam uma utilização ainda mais eficiente e sustentável do azoto, procurando métodos para mitigar os seus impactos ambientais e reforçar a sua importância na segurança alimentar e na biotecnologia.

O azoto na Air Liquide: soluções e inovações

Enquanto um dos líderes mundiais em gases industriais, a Air Liquide posiciona-se como o seu parceiro estratégico, oferecendo soluções de gás, equipamentos e serviços precisamente adaptados às suas necessidades: seja através de garrafas e quadros para volumes mais pequenos de azoto, seja por fornecimento de gás líquido a granel para necessidades de grandes volumes, produção de gás on-site (com o gerador FLOXAL™) ou por canalização.
Para além do azoto industrial padrão, a Air Liquide propõe igualmente soluções de azoto específicas para diversas aplicações e setores industriais, tais como:

• Azoto de qualidade alimentar (ALIGAL™): utilizado para preservar a frescura e a qualidade dos seus alimentos de forma duradoura para as suas aplicações de acondicionamento em atmosfera modificada (MAP) e de inertização.
• Azoto farmacêutico (PHARGALIS™): para as suas aplicações de inertização, transferência pneumática e acondicionamento, processos criogénicos e bioprodução.
• Azoto LASAL™: para as suas necessidades de corte a laser.
• Para as suas necessidades de soldadura a arco, o azoto entra na composição de certos gases de soldadura: ARCAL™.
• Azoto para o setor HVAC (Albee Cool Plus N₂ e a mistura azoto-hidrogénio Formiergas): para a refrigeração e a climatização.
• Azoto ALPHAGAZ™: para as suas aplicações de laboratório, de análise e de controlo de processo.

Para responder ao imperativo crescente de sustentabilidade, a Air Liquide propõe o azoto de baixo carbono ECO ORIGIN™, uma solução inovadora para reduzir a pegada ambiental das suas operações. Produzido a partir de energias 100% renováveis, o azoto ECO ORIGIN™ é uma solução respeitadora do meio ambiente e que se alinha perfeitamente com os objetivos de descarbonização dos setores industriais.

Com a nossa experiência e o nosso know-how, estamos idealmente posicionados para o acompanhar em todas as fases de desenvolvimento ligadas às suas necessidades em azoto, oferecendo-lhe um apoio à medida para os seus setores e aplicações específicos. Entre em contacto com os nossos especialistas caso pretenda obter mais informações ou visite o nosso website.