Els empèdocles moderns – Daniel Rutherford (1772) i l’element 7 (N) – nitrogen (nilnilsepti, Nns)

En parlar de les “quatre arrels” de la tradició occidental o de les “cinc fases” de la tradició oriental, ço que plana en aquests explicacions de les bases materials del cosmos és el nombre. Ja vam comentar en el seu moment que per als pitagòrics l’arcà és el nombre. Les matemàtiques pitagòriques, que recullen el llegat de la geometria egípcia i de l’aritmètica babilònica, es proposen una explicació dels fets de la natura a través dels nombres naturals i de les raons entre aquests nombres (nombres racionals). El pensament metafísic, situat entre la boira del pensament mític i el mètode del pensament científic, fa sovint mà del nombre, de la quantitat abstreta dels grups concrets d’elements materials. Per a la numerologia, cada nombre té unes determinades característiques, que encomana als elements materials que segueixen el seu ritme. L’etnomatemàtica i l’arqueomatemàtica s’ocupen d’aquestes nocions i proven de fornir-hi explicacions. La rellevància del set (7), per exemple, ha estat atribuïda a cicles naturals (la quarta part de cada cicle lunar, cada fase de la lluna, dura una mica més de set dies) i a propietats matemàtiques (el 7 és el nombre primer més baix que no participa en la construcció ni del sistema decimal – 2•5 – ni del sistema duodecimal – 22•3). Aquesta rellevància guanya pes quan hom determina que són set els objectes celestes que es mouen pel cel respecte dels estels fixos: el Sol, la Lluna, Mercuri, Venus, Mart, Júpiter i Saturn. Els dos primers són discs aparents, mentre que els altres cinc són percebuts com a punts, sense el tremolor, però, dels estels fixos. En relació al Sol, Mercuri i Venus mai no s’allunyen més enllà d’un angle (més gran per a Venus que no per al fugisser Mercuri), mentre que els altres quatre arriben a situar-se en oposició al Sol (moment en el qual, la Lluna esdevé “plena”). Aquesta coincidència numèrica engendra la “setmana”, el conjunt de set dies, als quals s’assignen els corresponents noms “divins” dels set planetes (en llatí: dies Solis, dies Lunae, dies Martis, dies Mercurii, dies Iouis, dies Veneris, dies Saturni). Astrològicament, els set planetes es combinen amb les dotze cases del zodíac. De combinacions dels set planetes amb els quatre elements en trobaríem per tots els gustos. Podem aturar-nos un moment, en Philip von Hohenheim (1493-1541), més conegut pel seu pseudònim de Paracelsus, homenatge a l’autor romà del segle I e.c, Aulus Cornelius Celsus. Paracels, que recull i alhora innova el pensament alquímic, dibuixa una sèrie de correspondències entre els set planetes, els set metalls i els set òrgans: sol-or-cor; lluna-argent-cervell; júpiter-estany-fetge; venus-coure-ronyons; saturn-plom-melza; mart-ferro-bufeta de la fel; mercuri-argent viu-pulmons. La identificació, que va prendre, fa que avui l’argent viu o argent líquid (en grec, hydrargiros, argent aquós; l’únic metall líquid en condicions estàndards de pressió i temperatura) sigui conegut com a mercuri. Paracels és un dels noms que prefigura l’anomenada “revolució científica europea”. Resulta que el Sol és un estel, i que qui és un planeta és la Terra; amb els telescopis hom descobreix després més planetes (començant pels planetes que Galileu descobrí en l’òrbita de Júpiter i acabant pels que ara descobrim en òrbita d’altres estels); la llista de metalls s’amplia i refina; la d’òrgans s’acreix amb les aportacions de la histologia i de la citologia auxiliades pel microscopi; etc. Com passa en el cas de les quatre sabors bàsiques o dels cinc sentits clàssics, la recerca científica desmunta la rellevància de l’enumeració. Per exemple, els set colors de l’arc de Sant Martí són realment un segment de l’espectre continu de la radiació electromagnètica. En tot cas, la revolució científica treballarà amb uns altres tipus de magnituds, definides per nombres reals i per unitats convencionals. Quan el triomf d’aquesta visió quantitativa de la ciència (que Paracels, d’altra banda, anunciava amb la famosa dita de “sola dosis facit uenenum”) semblava inabastable, aparegueren, primer, la teoria atòmica per explicar les reaccions químiques i, després, la teoria quàntica per explicar els bescanvis energètiques a escala microscòsmica. És així, per exemple, que aquesta sèrie segueix el conjunt de nombres naturals (o de nombres enters), pel fet que cada element químic és definit pel nombre de protons (un nombre natural, el nombre atòmic) que integren els seus àtoms. I nosaltres, justament, arribem el nombre 7 d’aquests elements químics.

Macrocosmos i microcosmos es relacionen en el pensament alquímic a través de correspondències basades en nombres naturals: quatre humors, set planetes, dotze signes zodiacals, etc.

Daniel Rutherford i la descoberta del nitrogen

Daniel Rutherford (*Edinburgh, 3.11.1749) era fill d’Anne Mackay i de John Rutherford (*Edinburgh, 1.8.1695). En el 1748, John Rutherford, professor de l’Escola Mèdica de la Universitat d’Edinburgh, havia estès l’ensenyament clínic a tots els alumnes de medicina. Això volia dir que una part substancial de la formació dels nous metges havia de passar pel contacte amb els pacients de la infermeria reial (creada el 1741, i amb una mica més de 200 llits). Ja feia anys que John Rutherford havia entès la rellevància d’aquest ensenyament clínic enfront la formació clàssica que ell mateix havia rebut, circumscrita a les lliçons magistrals.

Daniel Rutherford, doncs, es formà com a metge amb els nous criteris. De totes formes, als 16 anys ingressà en l’Escola Mundell, on rebé una educació humanística, centrada i vehiculada en la llengua llatina. Després passà a la Universitat, on es doctorà en medicina el 1772.

Joseph Black (*Bordèu, 16.4.1728), professor de medicina i química de la Universitat d’Edinburgh, havia orientat el jove Daniel Rutherford a la qüestió de les bases químiques de la respiració. Hom entenia la respiració com un tipus especial de combustió. L’experimentació, alhora, mostrava com la idea de l’aire com a “element” no se sostenia, i que calia entendre que l’aire natural més aviat com una barreja. Però l’explicació teòrica de la combustió era matèria de debat. La química pneumàtica se n’ocupava, si més no, de Van Helmont (1579-1644) ençà. Van Helmont havia introduït la paraula “gas” (derivada de la paraula “caos”) per precisar aquest estat d’agregació (o desagregació) de la matèria. Black, però, com molts dels químics pneumàtics (Henry Cavendish, Joseph Priestley), s’estimaven més parlar d’aire, tant en el cas de l’aire natural (l’aire inspirat) com dels seus derivats (per exemple, l’aire expirat) o dels “gasos” derivats de reaccions químiques de sòlids i líquids.

Joseph Black

Ja hem parlat en ocasions anteriors de la teoria del flogist. En el 1667, Johann Joachim Becher havia revisat la teoria clàssica dels elements precisament per la qüestió de la combustió. Becher proposa que la terra havia d’entendre’s com un element triple: terra lapidea, terra fluida i terra pinguis. La terra pinguis es caracteritza per les seves propietats olioses, sulfuroses i combustibles, i és la que s’alliberaria en el procés de combustió. En el 1703, Georg Ernst Stahl redefinia la terra pinguis com a phlogiston, neologisme derivat de la paraula grega “phlox”, que vol dir “flama”. L’alliberament del flogist explicava que els materials cremats i els materials rovellats (dos formes de “combustió”) fossin més lleugers que els materials originaris: la massa perduda es corresponia al flogist desprès. La teoria havia estat atacada, però, per Mikhail Lomonosov qui, el 1753, demostrà que en vasos hermètics, la combustió de metalls no produïa una alteració global de la massa: els productes de la combustió (gasosos o no) pesaven tant com els reactius. Per explicar aquestes i altres discrepàncies hom suposà que el flogist devia ésser de massa negativa o, potser, d’una massa més lleugera que la de l’aire. Black s’adheria a la teoria del flogist. En els anys 1750, Black havia descrit “l’aire fixat” (fixed air) com un dels productes de sotmetre la pedra calcària a altes temperatures o a un atac àcid. Aquest “aire fixat” era més dens que l’aire natural i en ell no podia tindre lloc ni la combustió inanimada (la flama) ni la respiració (animal). Si hom bombejava aquest “aire fixat” a una solució aquosa de calç morta (slaked lime) s’hi formava un precipitat calcari.

En el 1772, Daniel Rutherford treballava sobre la combustió de l’aire, i la natura de l’aire previ a la combustió i de l’aire resultant, així com la seva relació amb l’aire fixat d’origen mineral. Per garantir la combustió completa d’una mostra d’aire, Rutherford la sotmetia seqüencialment a l’acció de la respiració d’un ratolí fins a la mort de l’animal, a l’acció d’una espelma fins que s’apagava i a la combustió de fòsfor. Aquest “aire cremat” (“burnt air”) era passat després per una solució de calç morta per enretirar-ne “l’aire fixat”. L’aire final resultant, Rutherford el denominava “aire flogisticat” o “aire nociu” (“noxious air”). En aquest “aire flogisticat” no hi podia sobreviure ni un ratolí i ni l’espelma ni el fòsfor no podien fer flama. Amb diferents denominacions i interpretacions, el mateix “aire”, era objecte d’estudi per part de Henry Cavendish (1731-1810), Joseph Priestley (1733-1804), Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) i Antoine Lavoisier (1743-1794). Mentre Black i Rutherford s’adherien a la teoria flogística i Lavoisier se n’apartava, Priestley adoptava una posició intermèdia identificant el flogist amb l’aire inflamable (descrit per Cavendish) o “principi alcalí”, en oposició a un “principi oxidant”.

Lavoisier guanyà la partida i, en conseqüència, s’imposà la seva terminologia. Lavoisier sostenia el principi de conservació de la matèria en la combustió i en qualsevol reacció química (“rien ne se perd, rient ne se crée, tout se transforme”). L’aire inflamable (gas inflamable) rebia el nom d’hidrogen, pel fet de generar aigua en cremar-se. L’aire deflogisticat (també dit aire vital o aire empirial, o referit com a “principi oxidant”) passava a denominar-se oxigen, per ésser el “principi oxidant” responsable de la combustió i, específicament, del rovellament de metalls com el ferro. Pel que fa a “l’aire flogisticat”, Lavoisier va fer servir el nom d’“aire mefític” o “mofete”, en el sentit d’aire irrespirable o “nociu”. Però com que “aire mefític” també podia aplicar-se a gasos de natura diferenciada, s’estimà més encunyà un neologisme a partir de la paraula grega “ἄζωτος” (sense vida). Així, en el Traité Élémentaire de Chimie l’azot (azote) apareix en el llistat de 33 substàncies simples (com a “noms ancians correspondans” registra els de gaz phlogistiqué, mofete i base de la mofete). L’azot, juntament amb la llum, la calòrica, l’oxigen i l’hidrogen, seria una de les “substàncies simples que pertanyen als tres regnes o que hom pot considerar com a elements del cos”.

Als “Éléments de Chimie” (1790), Jan Antòni Chaptal (1756-1832) proposa un nom alternatiu per a l’azot o gas mefític, el de nitrogen (nitrogène). Chaptal construïa aquest terme en paral•lel als d’hidrogen i oxigen, assenyalant que aquest gas era un dels elements del nitre (salnitre). Diferents evidències mostraven que l’àcid nítric (l’esperit del nitre o aqua fortis) era una forma oxidada del gas mefític o deflogisticat. Una de les possibles raons de la popularització del nom “nitrogen” és la seva relació amb la idea de “generador de nutrició”, car al capdavall les sals de l’àcid nítric (els nitrats) resultaren components cabdals en adobs naturals i, alhora, en potencials fertilitzants químics. D’altra banda, com ja havia mostrat Claude Louis Berthollet en el 1785, també aquest element era present en l’amoníac (compost que els romans designaven com a sal ammoniacus, en referència als dipòsits egipcis propers al Temple d’Amon, i que els alquimistes perses i àrabsm de Jabir ibn Hayyan ençà, havien estudiat sota el nom de “nushadir”), compost cabdal en les propietats del guano, adob natural identificat i estudiat per Alexander von Humboldt a partir del novembre del 1802. Val a dir, però, que la paraula “nitre” (en grec, νιτρων) no té una relació directa amb el “nutrire” llatí (nodrir), sinó que provindria de l’egipci “netjeri”, paraula que designava sals diferents a la sal comuna, bé d’origen mineral o obtingudes de les cendres de material vegetal. De mica en mica, les substàncies alquímiques eren interpretades a la llum de les noves denominacions. L’aqua regia resultava ésser una barreja d’àcid nítric i d’àcid muriàtic (és a dir, àcid clorhídric).

Hem deixat Daniel Rutherford als 23 anys, aïllant per primera vegada allò que ell denominava “aire flogisticat”. El seu pare es va morir en el 1779, però la major celebritat de la família havia de ser el seu nebot, fill d’una germana gran, el tremendament popular escriptor Walter Scott. Daniel Rutherford, a partir del 1775, es dedicà fonamentalment a la pràctica mèdica, mentre que els esforços científics els orientava cap a la botànica. En el 1786, de fet, esdevingué professor de medicina i botànica a la Universitat d’Edinburgh, alhora que, com a botànic reial, era nomenat curador del Royal Botanic Garden d’Edinburgh. Com a botànic, les espècies que va descriure s’assenyalen amb l’abreviatura Rutherf. Aquesta tasca botànica la combinà amb una posició com a metge de la Edinburgh Royal Infirmary a partir del 1791. Es va morir a 70 anys, el 15 de desembre del 1819.

La denominació de “nitrogen” seria la que acabaria per imposar-se, si bé “azot” fou retingut durant molt de temps com a sinònim vàlid, i s’emprà l’arrel “-az-“ per designar molts compostos nitrogenats. En “New System of Chemical Philosophy” (1808), John Dalton posa el “nitrogen” en el segon lloc de la llista d’elements simples, i proposa com a símbol un cercle amb una ratlla vertical. Dalton també proposa una teoria atòmica per a diferents compostos nitrogenats: l’amoníac (NH), el gas nitrós (NO), l’òxid nitrós (N2O), l’àcid nítric (NO2), l’àcid oxinítric (NO3), l’àcid nitrós (N2O3) i el nitrat d’amoni (H3N2O2). Encara que les propostes de Dalton foren després esmenades, ja quedava clar que el nitrogen podia adoptar diferents “valències” o “nombres d’oxidació” en formar compostos.

Jöns Jacob Berzelius, a “Assaig sobre la causa de les proporcions químiques” (1813-14) s’estima més emprar la denominació de “radical nítric”. En el mon germànic s’imposarà la denominació de Stickstoff, que literalment podria traduir-se com a “material extingidor” (en aquest sentit, seria el calc del “gas mefític”). En tot cas, Berzelius empra com a símbol del “radical nítric” la lletra N. Els autors que s’estimen més la denominació d’azot, faran servir com a símbol la lletra A.

Berzelius havia fornit unes estimacions de les masses atòmiques dels elements. En les dècades posteriors hi hagué diferents intents d’ordenar la multiplicitat d’elements químics. John Newlands, amb la “llei dels octaus” (1864), proposa que el nitrogen (l’element 6 per a Newlands) té unes característiques compartides amb altres elements, com el fòsfor (l’element 13), el manganès (l’element 20), l’arsènic (l’element 27), el molibdè (element 34), l’antimoni (element 41), el niobi (l’element 48) i el bismut (element 55).

En la primera taula periòdica dels elements, Mendeleev, defineix un grup del nitrogen (massa atòmica de 14), complementat pel fòsfor (massa de 31), l’arsènic (massa de 75), l’antimoni (massa de 122) i el bismut (massa aproximada de 210). En el 1870, dóna a aquest grup d’element la denominació de “grup V” i els caracteritza per presentar valència tres davant de l’hidrogen (RH3) i 5 davant de l’oxigen (R2O5): nitrogen (14), fòsfor (31), vanadi (51), arsènic (75), niobi (94), antimoni (122), dos elements per descobrir per als períodes 8 i 9, el tàntal (182) i el bismut (208). Més tard, Mendeleev tornaria a la proposta originària, que és l’acceptada actualment. El grup del nitrogen és referit com el grup 15 (VA o VB), dins del “bloc p” de la taula periòdica. Un nom alternatiu per al grup és el de pnictògen, que Anton Eduard van Arkel obtenia a partir de l’arrel grega “πνιγ-”, equivalent a l’esmentada “stick-“ que forma part del nom germànic del nitrogen (Stickstoff). Dins dels pnictògens, nitrogen i fòsfor són reconeguts com a no-metalls, mentre el bismut és tingut per metall; l’arsènic i l’antimoni són considerats com a metal•loids, per bé que filant prim el primer és reconegut com a no-metall i el segon com a metall.

Durant dècades, hom havia registrat una discrepància entre les característiques del gas nitrogen obtingut de l’aire natural respecte del gas nitrogen alliberat en reaccions químiques de desnitrificació. Aquesta discrepància no s’explicà fins a mitjan de la dècada dels 1890, quan William Ramsay mostrà que el “nitrogen” obtingut de l’aire natural contenia, com a impuresa, un gas prèviament desconegut, l’argó. Si el nitrogen tenia fama de ser un gas pràcticament inert (o, en tot cas, poc reactiu), l’argó resultaria molt menys reactiu i es guanyaria el títol de “gas noble”. Lord Rayleigh, que havia estat indirectament impulsor dels estudis de Ramsay, va poder descriure el “nitrogen actiu” (1910), obtingut a través de l’electrificació de gas nitrogen. Aquest “nitrogen actiu” (un núvol de llum groga brillant) podia combinar-se fàcilment donant lloc a nitrurs (com el nitrur de mercuri). La química del nitrogen, vinculada a la nutrició vegetal i animal, i a la confecció d’explosius, és un dels eixos centrals en el desplegament de la indústria química moderna.

Les coves de salnitre de Collbató. El salnitre o la sal pètria han estat aprofitats per a la fabricació d’explosius. La reactivitat de molts compostos nitrogenats (inorgànics o orgànics) contrasta amb la relativa estabilitat del gas nitrogen

El nitrogen: isòtops i abundància

El nombre atòmic del carboni és 7, i el nombre màssic és de 14. El pes atòmic estàndard, de 14,007, resulta de la ponderació de diferents isòtops:
– nitrogen-10 (10N; 10,04165 uma). Nucli format per 7 protons i 3 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 2•10-22 s. Decau per pèrdua de protó a carboni-9.
– nitrogen-11 (11N; 11,02609 uma). Nucli format per 7 protons i 4 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 5•10-22 s, que passa a 6,9•10-20 s en l’isòmer metastable de 740 keV (11mN). Decau per pèrdua de protó a carboni-10.
– nitrogen-12 (12N; 12,0186132 uma). Nucli format per 7 protons i 5 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,011 s. Decau normalment a carboni-12 (96,5%, amb emissió d’un positró) i, alternativament, a beril•li-8 (3,5%, amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un positró).
– nitrogen-13 (13N; 13,00573861 uma). Nucli format per 7 protons i 6 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 597,9 s (gairebé 10 minuts). Decau a carboni-13, amb emissió d’un positró. És un dels isòtops emprats com a marcadors en la tomografia d’emissió de positrons.
– nitrogen-14 (14N; 14,0030740048 uma). Nucli format per 7 protons i 7 neutrons. És un isòtop estable, un dels pocs que ho és malgrat tindre un nombre imparell tant de protons com de neutrons. És l’isòtop majoritari: el 99,636% dels àtoms de nitrogen són de nitrogen-14 (amb oscil•lacions mostrals que van del 99,579% al 99,654%). El bombardeig amb raigs còsmics pot transformar el nitrogen-14 amb carboni-14, el qual retorna a nitrogen-14 amb una semivida de 5730 anys.
– nitrogen-15 (15N; 15,0001088982 uma). Nucli format per 7 protons i 8 neutrons. És un isòtop estable, per bé que minoritari (“nitrogen pesant”), amb una abundància relativa de 0,364% (variable mostralment entre 0,346% i 0,421%). El nitrogen atmosfèric (N2) es format en un 0,73% per l’isotopòleg 14N15N. Diferents processos poden contribuir a un relatiu enriquiment en nitrogen-15. Per exemple, en les xarxes tròfiques, cada augment de nivell es tradueix en un enriquiment de 0,3%-0,4% en la ratio 15N:14N. El nitrogen-15 es fa servir en el marcatge de compostos nitrogenats, particularment en biologia molecular, com feren Meselson & Stahl (1958) en el seu estudi sobre la replicació de l’ADN, aplicant-hi després una ultracentrifugació en gradients de densitat, o en espectroscòpia de RMN, aprofitant el moment quadrupol que diferencia el nitrogen-15 del nitrogen-14.
– nitrogen-16 (16N; 16,0061017 uma). Nucli format per 7 protons i 9 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 7,13 s. Decau normalment (99,99%) a oxigen-16 amb emissió d’un electró; alternativament (0,01%) decau a carboni-12 amb emissió d’un nucli d’heli-4 i un electró. Pràcticament inexistent en la natura, assoleix abundàncies relatives considerables en els fluids refrigeradors de reactors nuclears, on es forma a partir de l’oxigen-16 de l’aigua, constituint una font de radiació gamma d’alta energia (5-7 MeV), que obliga a les precaucions corresponents.
– nitrogen-17 (17N; 17,00845 uma). Nucli format per 7 protons i 10 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 4,173 s. Decau normalment (95,0%) a oxigen-16 amb emissió d’un neutró i d’un electró; alternativament decau a oxigen-17 (4,99%, amb emissió d’un electró) o a carboni-13 (0,0025%, amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un electró).
– nitrogen-18 (18N; 18,014079 uma). Nucli format per 7 protons i 11 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,622 s. Decau majoritàriament (76,9%) a oxigen-18 (18O; amb emissió d’un electró); alternativament decau a carboni-14 (12,2%, amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un electró) o a oxigen-17 (10,9%, amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– nitrogen-19 (19N; 19,017029 uma). Nucli format per 7 protons i 12 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,271 s. Decau bé a oxigen-18 (54,6%, amb emissió d’un neutró i d’un electró) bé a oxigen-19 (45,4%, amb emissió d’un electró).
– nitrogen-20 (20N; 20,02337 uma). Nucli format per 7 protons i 13 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,13 s. Decau bé a oxigen-19 (56,99%, amb emissió d’un neutró i d’un electró) o a oxigen-20 (43,01%, amb emissió d’un electró).
– nitrogen-21 (21N; 21,02711 uma). Nucli format per 7 protons i 14 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,087 s. Decau normalment (80,0%) a oxigen-20 (amb emissió d’un neutró i d’un electró) o, alternativament (20,0%), a oxigen-21 (amb emissió d’un electró).
– nitrogen-22 (22N; 22,03439 uma). Nucli format per 7 protons i 15 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0139 s. Decau majoritàriament (65,0%) a oxigen-22 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (35,0%), a oxigen-21 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– nitrogen-23 (23N; 23,04122 uma). Nucli format per 7 protons i 16 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0145 s. Decau, amb emissió d’un electró, a oxigen-23.
– nitrogen-24 (24N; 24,05104 uma). És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 5,2•10-8 s. Decau, amb emissió d’un electró, a nitrogen-23.
– nitrogen-25 (25N; 25,06066 uma). És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 2,6•10-7 s.

És obvi que bàsicament el nitrogen pot ser considerat un element monoisotòpic, i que la desviació de la massa atòmica estàndard respecte del nombre màssic del nitrogen-14 es deu gairebé exclusivament al nitrogen-15. Tots dos isòtops, juntament amb el nitrogen-13, es formen en processos de nucleosíntesi estel•lar, en el marc del cicle del carboni-nitrogen-oxigen (CNO).

L’àtom neutre de nitrogen compta amb una coberta electrònica de set electrons, en una configuració de 1s22s22p3. L’estat d’oxidació més habitual és el de +3 (N3+). No obstant també són habituals estats d’oxidació de +5, +4, +2, +1, -1, -2 i -3. Amb una electronegativitat de 3,04, el nitrogen figura entre els no-metalls. El radi de Van der Waals de l’àtom de nitrogen és de 1,55•10-10 m.

En condicions estàndards de temperatura i de pressió, el nitrogen elemental es presenta en forma de molècula diatòmica (N2, amb una distància interatòmica de 1,0976•10-10 m, vinculats a través de tres enllaços) en estat gasós. A pressió atmosfèrica, el gas nitrogen liqua a 77,355 K, i el nitrogen líquid solidifica a 63,15 K. El nitrogen líquid és emprat com a mètode d’ultracongelació preservadora.

El nitrogen és el setè element més abundant de l’univers, superat en aquest sentit tan sols per l’hidrogen, l’heli, l’oxigen, el carboni, el neó i el ferro. De la massa bariònica de la Via Làctia, el nitrogen suposa 960 ppm. Una part es troba en forma de nitrogen molecular (N2 i, en menor grau, en azida N3) i una altra formant compostos nitrogenats. Amb l’hidrogen, el nitrogen forma amoníac (NH3, en forma protonada NH4+, ió amoni) i, en menor abundància, hidrazina (N2H4). Forma amb l’oxigen, òxids de nitrogen (NO+) de diferent estequiometria. En molècules orgàniques, el nitrogen pot trobar-se en diferents grups funcionals (amines, amides, grups nitro, imines, enamines).

En el Sistema Solar, el nitrogen és el cinquè element més abundant en termes atòmics (el superen l’hidrogen, l’heli, l’oxigen i el carboni), si bé en massa és superat pel ferro i el neó. El nitrogen-14 és el cinquè isòtop més abundant en termes atòmics (102 ppm) i el setè en termes de massa (1105 ppm).

El fet que el nitrogen no sigui, estrictament, un element formador de roques, explica que caigui en el rànquing d’elements fins a la posició 30 per abundància en el conjunt de la Terra. Bona part del nitrogen originari es va perdre en forma de compostos volàtils (amoníac, etc.) en l’acreció que donà lloc a la proto-Terra. De cada milió d’àtoms de la Terra, 46 són de nitrogen, la qual cosa suposa una abundància en termes de massa de 25 ppm. Aquest valor coincideix amb l’abundància de nitrogen en l’escorça terrestre on el trobem integrat en alguns minerals: salpetre (nitrat potàssic, KNO3), nitrat de Xile (nitrat sòdic, NaNO3), sals d’amoni (majoritàriament, NH4Cl). Les majors concentracions de minerals nitrogenats les trobem en conques evaporítiques d’antics oceans. En els oceans, l’abundància relativa del nitrogen, però, és encara més baixa que en l’escorça, amb valors de 0,5-1,5 ppm.

El salmiac o clorur d’amoni és un tipus de mineral halí. Soluble en aigua, lleuger (1,5 kg•m-3), tou (1,5-2 en l’escala de Mohs) va rebre el seu nom per la proximitat d’un ric dipòsit en temps clàssics a un dels temples d’Amon (“Hammoniacus sal”)

Com ja hem dit abans, en condicions estàndards, el nitrogen elemental es troba en forma de gas. De fet, el gas N2 és el component principal de l’atmosfera i el podem considerar com el dissolvent en el qual es troben els altres gasos (l’oxigen, com a solut principal, i els altres soluts menors). Hom ha suposat que la Terra disposa d’una atmosfera de nitrogen d’ençà que l’atmosfera primitiva, arrossegada pel vent solar, deixà pas a una de formada per les emissions gasoses de l’escorça primitiva. En l’atmosfera terrestre, en termes de volum, el gas N2 suposa el 78,1%. El gas N2 també és el component principal de l’atmosfera de Tità.

En la biosfera, el nitrogen és un dels quatre elements orgànics bàsics. Els altres tres són el carboni, l’hidrogen i l’oxigen. En el cos humà, el nitrogen suposa un 3% de la massa, i un 1,1% dels àtoms. Si el carboni i l’hidrogen constitueixen l’esquelet bàsic de les molècules orgàniques, l’oxigen i el nitrogen són els elements dels “grups funcionals”. Els grups amino (-NH3) i els grups carboxi (-COOH) confereixen als aminoàcids les seves característiques comunes. Els aminoàcids són els monòmers de les proteïnes, en les quals recolzen bona part de les funcions biològiques. El nitrogen també forma part d’heterocicles de molècules orgàniques, com ara les bases nitrogenades que fan part dels àcids nucleics, però també de tota una plèade de metabòlits (hormones, alcaloides, etc.). Fins i tot, un compost nitrogenat inorgànic com és el monòxid de nitrogen (NO) juga un paper com a senyalitzador en diferents processos biològics (el més conegut dels quals, és la vasodilatació, la qual cosa que la nitroglicerina ja fos aplicada en el 1878 per William Murrell per tractar l’angina de pit).

L’adenina és un compost orgànic heterocíclic (els àtoms de C s’assenyalen en negre, els d’hidrogen en blanc i els de nitrogen en blau). Bona part de l’adenina de l’organisme es destina a la síntesi de nucleòtids i d’àcids nucleics

Metabòlicament, hom pot diferenciar entre els organismes que poden aprofitar fonts inorgàniques de nitrogen (nitrats, nitrits, amoni) i els que han de consumir-lo en forma orgànica. Alguns microorganismes són capaços fins i tot de fixar el nitrogen atmosfèric (diazòtrofs). El funcionament metabòlic possibilita un reciclatge del nitrogen, si bé també calen mecanismes d’excreció de nitrogen. De nou, alguns organismes són capaços d’excretar el nitrogen en forma inorgànica, mentre d’altres ho fan a través de compostos orgànics, com la urea, l’alantoïna, l’àcid úric, etc.

El cicle del nitrogen i les seves patologies

El que comentàvem breument en el paràgraf anterior per a cada organisme individual pot estendre’s a la biosfera. Es pot definir un cicle del nitrogen d’acord amb les conversions entre el N2 atmosfèric, els compostos inorgànics de nitrogen en el sòl (NH3, NO2, NO3sup>-) i el nitrogen orgànic present tant als éssers vius com a la matèria orgànica en descomposició:

Això també val per a ecosistemes marins:

Bona part de les transformacions són mitjançades per organismes bacterians. De fet, l’ecologia microbiana nasqué a final del segle XIX, arran de les descobertes de Martinus Willem Beijerinck (1851-1931) i Sergei Nikolaevitx Winogradsky (1856-1953), entre molts d’altres. Aquestes recerques eren alhora impulsades per la demanda de mantindre l’augment de productivitat en l’agricultura. Ja en 1828, Carl Sprengel havia assenyalat que el creixement vegetal (i biològic, en general) era limitat no per la quantitat total de recursos disponibles sinó per la quantitat de recurs més escàs. Justus von Liebig (1803-1873) aprofundí i divulgà el concepte de “factor limitant” des del punt de mira de l’anàlisi elemental. Nitrogen i fòsfor es disputen en la majoria de casos aquest dubtós honor.

Molt abans que Beijerinck descobrís la “fixació del nitrogen”, els agricultors resolien (o provaven de resoldre) la qüestió del “factor limitant”. Associats a les arrels de les lleguminoses trobem bacteris capaços de fixar el nitrogen atmosfèric, la qual cosa explica les virtuts dels sistemes de rotació de cultius que inclouen aquestes plantes. Els cultius d’arròs, similarment, també depenen de la presència de cianobacteris fixadors de nitrogen. Els adobs naturals reposen per al sòl aquells elements que li han estat arrabassats en la collita, en un cicle que Liebig ja alertava que es trencava amb la separació cada vegada més radical entre “camp i ciutat”.

Mina de guano en les illes de Chincha, fotografiada en el 1860

La demanada de nous fertilitzants es deixà notar en el “boom” del guano. El guano del litoral oriental del Pacífic, dipositat durant segles a partir dels excrements d’aus marines, fou explotat abastament en els anys 1850 i 1860. La mineria de nitrats, a partir dels anys 1870, com els jaciments de salpetre del desert d’Atacama seguia la mateixa lògica. La Guerra del Pacífic (1879-1883) tenia aquests recursos estratègics com una de les causes claus.

Evitar la dependència d’aquestes fonts de nitrats fou el motor de recerques encarades a la possibilitat de fixar el nitrogen atmosfèric en formes aprofitables com a fertilitzants. En el 1900, els dipòsits xilens de salpetre suposaven la font de 2/3 de la producció mundial de fertilitzants. La percaça de la fixació química del nitrogen era en marxa i la indústria química hi anava al darrera. L’avenç cabdal s’assolí en el 1909, amb l’anomenat procés de Haber, en honor a un dels seus desenvolupadors, Fritz Haber:

N2 + 3 H2 → 2 NH3

És difícil exagerar l’impacte del procés de Haber i dels fertilitzants químics que en resultaren. En l’actualitat, hom calcula que la meitat del nitrogen present en l’ésser humà mitjà procedeix de la fixació industrial de N2. Naturalment, això també pot llegir-se en sentit invers, atorgant la importància que mereixen els fixadors microbiològics.

El desenvolupament humà dels darrers segles ha modificat els components del cicle del nitrogen. Els efectes globals es manifesten en un augment de disponibilitat del “nitrogen reactiu” (nom col•lectiu per referir-se als NOx i a l’NH3). El gas N2O addicional contribueix a l’augment de l’efecte hivernacle del qual parlàvem la setmana passada.

Els efectes principals d’aquests canvis són:
– la disminució de la visibilitat atmosfèrica deguda a l’augment de formació d’aerosols que estimula l’amoni atmosfèric
– la promoció indirecta de concentracions més elevades d’ozó troposfèric
– l’acció detrimental de les formes reactives de nitrogen atmosfèric en la salut humana, sobretot respiratòria
– l’augment de l’efecte hivernacle i el canvi climàtic.
– la disminució de productivitat d’alguns sistemes agrícoles.
– l’acidificació i eutrofització d’alguns ecosistemes, particularment aquàtics, tan marins com continentals. Nitrats o fosfats, segons els casos, poden constituir el factor limitant del creixement d’algunes espècies d’algues i cianobacteris, de manera que una entrada excessiva d’aquests nutrients pot produir una proliferació que interfereixi en l’ecosistema.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: