Questão 5

No ciclo do nitrogênio, espécies contendo nitrogênio podem sofrer processos de redução e oxidação em ambientes naturais e tecnológicos. Entre esses processos, estão a fixação biológica do $\ce{N2}$, a nitrificação em solos aerados e a desnitrificação parcial em ambientes com baixa disponibilidade de oxigênio. Considerando as seguintes espécies nitrogenadas,
$$\ce{NO},\ \ce{NO3-},\ \ce{N2},\ \ce{N2O},\ \ce{NH4+},\ \ce{NO2-},$$

a) escreva a semirreação balanceada de redução do $\ce{N2}$ em meio ácido, que forma como produto uma das espécies apresentadas;

b) determine o número de oxidação do nitrogênio em $\ce{NO}$, $\ce{NO3-}$, $\ce{N2}$, $\ce{NH4+}$, $\ce{NO2-}$ e o número de oxidação médio do nitrogênio em $\ce{N2O}$;

c) organize as espécies nitrogenadas fornecidas em uma sequência compatível com o ciclo do nitrogênio, seguindo sucessivamente os processos de fixação biológica do $\ce{N2}$, nitrificação e desnitrificação. Se necessário, uma mesma espécie intermediária poderá aparecer mais de uma vez na sequência.

No ciclo do nitrogênio ocorre variação do número de oxidação desse elemento através de reações redox, com a descrição do processo usualmente começando e terminando com $\ce{N2}$.

a) Entre as espécies dadas, a única com nitrogênio em Nox menor que zero é o $\ce{NH4+}$ (Nox $-3$); a redução do $\ce{N2}$ (Nox $0$) em meio ácido forma, portanto, o íon amônio. Cada átomo de $\ce{N}$ recebe $3$ elétrons e a molécula $\ce{N2}$ recebe $6$ elétrons. Balanceando o hidrogênio com $\ce{H+}$ e a carga com elétrons:
$$\ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+}$$
Conferência de carga: $+8 - 6 = +2$ à esquerda e $2 \cdot (+1) = +2$ à direita.

b) Com $\ce{O}$ em Nox $-2$ e $\ce{H}$ em Nox $+1$, e a soma dos Nox igual à carga da espécie:

$\ce{NO}$: $x - 2 = 0 \Rightarrow$ Nox do $\ce{N}$ é $+2$.

$\ce{NO3-}$: $x - 6 = -1 \Rightarrow$ Nox do $\ce{N}$ é $+5$.

$\ce{N2}$: substância simples, Nox do $\ce{N}$ é $0$.

$\ce{NH4+}$: $x + 4 = +1 \Rightarrow$ Nox do $\ce{N}$ é $-3$.

$\ce{NO2-}$: $x - 4 = -1 \Rightarrow$ Nox do $\ce{N}$ é $+3$.

$\ce{N2O}$: $2x - 2 = 0 \Rightarrow$ Nox médio do $\ce{N}$ é $+1$.

c) A fixação biológica reduz o $\ce{N2}$ a $\ce{NH4+}$. A nitrificação, em solo aerado, oxida o amônio em duas etapas: $\ce{NH4+}$ a nitrito (Nox $-3 \to +3$) e nitrito a nitrato (Nox $+3 \to +5$). A desnitrificação, em baixa disponibilidade de oxigênio, reduz o nitrato em etapas sucessivas de menor $\Delta$Nox, com Nox do nitrogênio decrescendo $+5 \to +3 \to +2 \to +1 \to 0$, até regenerar o $\ce{N2}$ à atmosfera. A sequência, é
$$\ce{N2 -> NH4+ -> NO2- -> NO3- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2}$$

Resposta: a) $\ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+}$;
b) $\ce{NO}$: $+2$, $\ce{NO3-}$: $+5$, $\ce{N2}$: $0$, $\ce{NH4+}$: $-3$, $\ce{NO2-}$: $+3$, $\ce{N2O}$: $+1$ (médio);
c) $\ce{N2 -> NH4+ -> NO2- -> NO3- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2}$