Questão 5

Química. Ciclo do nitrogênio — Nox e semirreação de redução.

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 NX2\ce{N2}, a nitrificação em solos aerados e a desnitrificação parcial em ambientes com baixa disponibilidade de oxigênio. Considerando as seguintes espécies nitrogenadas,
NO, NOX3X−, NX2, NX2O, NHX4X+, NOX2X−,\ce{NO},\ \ce{NO3-},\ \ce{N2},\ \ce{N2O},\ \ce{NH4+},\ \ce{NO2-},

a) escreva a semirreação balanceada de redução do NX2\ce{N2} em meio ácido, que forma como produto uma das espécies apresentadas;

b) determine o número de oxidação do nitrogênio em NO\ce{NO}, NOX3X−\ce{NO3-}, NX2\ce{N2}, NHX4X+\ce{NH4+}, NOX2X−\ce{NO2-} e o número de oxidação médio do nitrogênio em NX2O\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 NX2\ce{N2}, nitrificação e desnitrificação. Se necessário, uma mesma espécie intermediária poderá aparecer mais de uma vez na sequência.

Resposta

a) NX2+8 HX++6 eX−→2 NHX4X+\ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+};
b) NO\ce{NO}: +2+2, NOX3X−\ce{NO3-}: +5+5, NX2\ce{N2}: 00, NHX4X+\ce{NH4+}: −3-3, NOX2X−\ce{NO2-}: +3+3, NX2O\ce{N2O}: +1+1 (médio);
c) NX2→NHX4X+→NOX2X−→NOX3X−→NOX2X−→NO→NX2O→NX2\ce{N2 -> NH4+ -> NO2- -> NO3- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2}

Resolução

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 NX2\ce{N2}.

a) Entre as espécies dadas, a única com nitrogênio em Nox menor que zero é o NHX4X+\ce{NH4+} (Nox −3-3); a redução do NX2\ce{N2} (Nox 00) em meio ácido forma, portanto, o íon amônio. Cada átomo de N\ce{N} recebe 33 elétrons e a molécula NX2\ce{N2} recebe 66 elétrons. Balanceando o hidrogênio com HX+\ce{H+} e a carga com elétrons:
NX2+8 HX++6 eX−→2 NHX4X+\ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+}
Conferência de carga: +8−6=+2+8 - 6 = +2 à esquerda e 2⋅(+1)=+22 \cdot (+1) = +2 à direita.

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

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

NOX3X−\ce{NO3-}: x−6=−1⇒x - 6 = -1 \Rightarrow Nox do N\ce{N} é +5+5.

NX2\ce{N2}: substância simples, Nox do N\ce{N} é 00.

NHX4X+\ce{NH4+}: x+4=+1⇒x + 4 = +1 \Rightarrow Nox do N\ce{N} é −3-3.

NOX2X−\ce{NO2-}: x−4=−1⇒x - 4 = -1 \Rightarrow Nox do N\ce{N} é +3+3.

NX2O\ce{N2O}: 2x−2=0⇒2x - 2 = 0 \Rightarrow Nox médio do N\ce{N} é +1+1.

c) A fixação biológica reduz o NX2\ce{N2} a NHX4X+\ce{NH4+}. A nitrificação, em solo aerado, oxida o amônio em duas etapas: NHX4X+\ce{NH4+} a nitrito (Nox −3→+3-3 \to +3) e nitrito a nitrato (Nox +3→+5+3 \to +5). A desnitrificação, em baixa disponibilidade de oxigênio, reduz o nitrato em etapas sucessivas de menor Δ\DeltaNox, com Nox do nitrogênio decrescendo +5→+3→+2→+1→0+5 \to +3 \to +2 \to +1 \to 0, até regenerar o NX2\ce{N2} à atmosfera. A sequência, é
NX2→NHX4X+→NOX2X−→NOX3X−→NOX2X−→NO→NX2O→NX2\ce{N2 -> NH4+ -> NO2- -> NO3- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2}

Resposta: a) NX2+8 HX++6 eX−→2 NHX4X+\ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+};
b) NO\ce{NO}: +2+2, NOX3X−\ce{NO3-}: +5+5, NX2\ce{N2}: 00, NHX4X+\ce{NH4+}: −3-3, NOX2X−\ce{NO2-}: +3+3, NX2O\ce{N2O}: +1+1 (médio);
c) NX2→NHX4X+→NOX2X−→NOX3X−→NOX2X−→NO→NX2O→NX2\ce{N2 -> NH4+ -> NO2- -> NO3- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2}