Fiche de révision : Chimie des éléments : azote

📋 Plan du Cours

1. Propriétés générales de l’azote
2. Diazote et cycle de l’azote
3. Nitrures et ammoniac
4. Synthèse Haber-Bosch
5. Autres composés azotés
6. Oxydes d’azote
7. Acide nitrique et usages
8. Procédés et réactions industrielles
9. Nitration et nitratation

📖 1. Propriétés générales de l’azote

📝 Points essentiels

• L’azote, de symbole N et de numéro atomique Z = 7, appartient à la 2e période et au groupe 15 des pnictogènes.

• La configuration électronique de l’azote est $1s^2\,2s^2\,2p^3$, soit 5 électrons de valence dans la couche externe.

• Les principaux nombres d’oxydation de l’azote sont :

  • −III dans NH₃
  • 0 dans N₂
  • +II dans NO
  • +IV dans NO₂
  • +V dans HNO₃ ou NO₃⁻

📖 2. Diazote et cycle de l’azote

🔑 Notions clés & Définitions

• Diazote : Molécule formée de deux atomes d’azote liés par une triple liaison N≡N, ce qui lui confère une grande stabilité cinétique et une faible réactivité dans les conditions ordinaires.

📝 Points essentiels

• Le diazote N₂ représente environ 78 % de l’air atmosphérique.

• 🔄 Les principales étapes du cycle de l’azote sont :

  1. la fixation
  2. l’assimilation
  3. l’ammonification
  4. la nitrification
  5. la dénitrification

• La nitrification oxyde biologiquement NH₄⁺ en NO₂⁻ puis en NO₃⁻, tandis que la dénitrification réduit les nitrates vers des espèces gazeuses dont N₂.

💡 Astuce mémo

Fixation → assimilation → ammonification → nitrification → dénitrification

📖 3. Nitrures et ammoniac

🔑 Notions clés & Définitions

• Nitrures : Composés binaires de l’azote avec un élément moins électronégatif, souvent un métal.
• Ammoniac : Composé moléculaire NH₃ dans lequel l’azote forme trois liaisons N–H et possède un doublet non liant.

★ À maîtriser

• Dans les nitrures ioniques, l’azote est formellement à l’état d’oxydation −III et peut être représenté par l’ion N³⁻.

• Dans NH₃, les quatre domaines électroniques autour de l’azote sont disposés de manière tétraédrique, mais la forme moléculaire est une pyramide trigonale avec un angle H–N–H proche de 107°.

📐 Formule - En solution aqueuse, l’ammoniac est une base faible selon $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.

Compléments

• Des exemples de nitrures sont :
  • Li₃N
  • Mg₃N₂
  • AlN

📐 Formule - Le nitrure de magnésium réagit avec l’eau selon $Mg_3N_2 + 6\,H_2O \rightarrow 3\,Mg(OH)_2 + 2\,NH_3$.

💡 Astuce mémo

Nitrure : N à −III ; ammoniac : base faible en solution

📖 4. Synthèse Haber-Bosch

★ À maîtriser

📐 Formule - Le procédé Haber-Bosch réalise la synthèse réversible et exothermique de l’ammoniac selon $N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)$.

📌 Dans Haber-Bosch, une pression élevée favorise la formation de NH₃ car le côté produit comporte moins de molécules gazeuses.

Compléments

• La synthèse industrielle de l’ammoniac se déroule à température et pression élevées avec un catalyseur à base de fer.

💡 Astuce mémo

Température : vitesse ; pression : formation de NH₃

📖 5. Autres composés azotés

🔑 Notions clés & Définitions

• Ion azoture : Ion linéaire formé de trois atomes d’azote, dont la charge est délocalisée par mésomérie.

📝 Points essentiels

• L’hydrazine N₂H₄ contient une liaison N–N, chaque azote étant lié à deux hydrogènes et portant un doublet non liant ; elle est une base, un réducteur et une substance toxique.

• L’hydroxylamine NH₂OH possède une liaison N–O, intervient comme réactif en chimie organique et peut présenter des propriétés réductrices.

📖 6. Oxydes d’azote

★ À maîtriser

• Dans les oxydes d’azote, le nombre d’oxydation de l’azote varie selon le composé, de +I dans N₂O à +V dans N₂O₅.

• Le monoxyde d’azote NO est un radical paramagnétique d’état d’oxydation +II qui s’oxyde facilement dans l’air en NO₂.

• Le dioxyde d’azote NO₂ est un gaz brun-rouge paramagnétique d’état d’oxydation +IV, en équilibre avec le dimère incolore N₂O₄.

Compléments

📐 Formule - Le monoxyde d’azote s’oxyde dans l’air selon $2\,NO + O_2 \rightarrow 2\,NO_2$.

📐 Formule - Le dioxyde d’azote est en équilibre avec son dimère selon $2\,NO_2 \rightleftharpoons N_2O_4$, la dimérisation étant favorisée à basse température.

📐 Formule - Le trioxyde de diazote et le pentoxyde de diazote réagissent formellement avec l’eau selon $N_2O_3 + H_2O \rightarrow 2\,HNO_2$ et $N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2\,HNO_3$.

💡 Astuce mémo

N₂O : +I, NO : +II, N₂O₃ : +III, NO₂ : +IV, N₂O₅ : +V

📖 7. Acide nitrique et usages

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide nitrique : Acide fort en solution aqueuse diluée, dans lequel l’azote possède le nombre d’oxydation +V.

★ À maîtriser

• L’ion nitrate NO₃⁻, base conjuguée de HNO₃, est plan et possède trois liaisons N–O équivalentes par mésomérie.

📌 L’acide nitrique est un oxydant puissant qui peut oxyder de nombreux métaux, tandis que le fer, l’aluminium et le chrome peuvent être passivés par l’acide nitrique concentré.

Compléments

• L’eau régale est un mélange d’acide chlorhydrique concentré et d’acide nitrique concentré dans un rapport volumique traditionnel de 3:1, capable de dissoudre certains métaux nobles comme l’or.

💡 Astuce mémo

Acidité et oxydation → passivation, nitration et dissolution de certains métaux

📖 8. Procédés et réactions industrielles

★ À maîtriser

• 🔄 Les étapes du procédé d’Ostwald sont :
  1. l’oxydation de NH₃ en NO
  2. l’oxydation de NO en NO₂
  3. l’absorption de NO₂ dans l’eau

📐 Formule - La première étape d’Ostwald est l’oxydation catalytique de l’ammoniac à haute température selon $4\,NH_3 + 5\,O_2 \rightarrow 4\,NO + 6\,H_2O$, avec un catalyseur généralement à base de platine et de rhodium.

Compléments

📐 Formule - L’absorption du dioxyde d’azote dans l’eau peut être représentée par $3\,NO_2 + H_2O \rightarrow 2\,HNO_3 + NO$, le NO formé pouvant être réoxydé et recyclé.

📐 Formule - Le bilan global idéal du procédé d’Ostwald est $NH_3 + 2\,O_2 \rightarrow HNO_3 + H_2O$.

💡 Astuce mémo

NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

📖 9. Nitration et nitratation

🔑 Notions clés & Définitions

• Nitration : Transformation qui introduit un groupe nitro –NO₂ dans une molécule, souvent sur un cycle aromatique, grâce à l’ion nitronium NO₂⁺ formé en milieu fortement acide.

📝 Points essentiels

📌 La nitration introduit le groupe nitro –NO₂, tandis que la nitratation introduit le groupe nitrate –ONO₂ ou correspond, selon le contexte, à la formation de nitrates.

💡 Astuce mémo

Nitro –NO₂ ≠ nitrate –ONO₂

📊 Tableaux de synthèse

Principales espèces azotées