Carlos del Porto Blanco

Imagine por un momento una atmósfera compuesta en un 78% por un gas que, para la mayoría de los seres vivos, es completamente inútil. Ese es el peculiar reino del nitrógeno (N?), un elemento omnipresente pero paradójicamente escaso en su forma aprovechable. Su historia es la de un enigma científico resuelto en la Escocia del siglo XVIII, que se transformó en el pilar de la agricultura moderna y que hoy se erige como uno de los mayores desafíos ambientales de nuestra era. En esta columna se explora el camino del nitrógeno, desde sus reservas ocultas hasta el revolucionario proceso que lo convirtió en la piedra angular de la civilización, analizando su impacto y los dilemas que plantea para el futuro de nuestro planeta.

La química comienza en las estrellas. Las estrellas son la fuente de los elementos químicos, que son los componentes básicos de la materia. Peter Atkins.

El nitrógeno es un elemento químico de número atómico 7, símbolo N, su masa molar es de 14.0067 gramos por mol, su masa atómica es 14.0067 u y en condiciones normales forma un gas diatómico (nitrógeno diatómico o molecular) que constituye del orden del 78 % del aire atmosférico. Antiguamente era llamado ázoe (símbolo Az).

El nitrógeno es el miembro más ligero del grupo 15 de la tabla periódica, a menudo llamado pnictógeno. Es un elemento común en el universo, que se estima en aproximadamente séptimo en abundancia total en la Vía Láctea y el sistema solar. A temperatura y presión estándar, dos átomos del elemento se unen para formar dinitrógeno, un gas incoloro e inodoro de fórmula N₂. El dinitrógeno forma alrededor del 78 % de la atmósfera terrestre, lo que lo convierte en el elemento no combinado más abundante. El nitrógeno está presente en todos los organismos, principalmente en los aminoácidos (y por tanto en las proteínas), en los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y en la molécula de transferencia de energía trifosfato de adenosina. El cuerpo humano contiene alrededor de un 3 % de nitrógeno en masa, el cuarto elemento más abundante en el cuerpo después del oxígeno, el carbono y el hidrógeno. El ciclo del nitrógeno describe el movimiento del elemento desde el aire, hacia la biosfera y los compuestos orgánicos, y luego de vuelta a la atmósfera.

Muchos compuestos de importancia industrial, como el amoniaco, el ácido nítrico, los nitratos orgánicos (propulsores y explosivos) y el cianuro, contienen nitrógeno. El fortísimo triple enlace covalente del nitrógeno elemental (N?N), el segundo enlace más fuerte de cualquier molécula diatómica después del monóxido de carbono (CO), domina la química del nitrógeno. Eso provoca dificultades tanto para los organismos como para la industria a la hora de convertir el N₂ en compuestos útiles, pero al mismo tiempo significa que la quema, la explosión o la descomposición de los compuestos de nitrógeno para formar gas nitrógeno liberan grandes cantidades de energía a menudo útil. El amoniaco y los nitratos producidos sintéticamente son fertilizantes clave para la industria, y los nitratos de los fertilizantes son contaminantes clave en la eutrofización de los sistemas acuáticos.

Aparte de su uso en fertilizantes y almacenes de energía, el nitrógeno es un constituyente de compuestos orgánicos tan diversos como el Kevlar utilizado en tejidos de alta resistencia y el cianoacrilato utilizado en el superglue. El nitrógeno es un constituyente de todas las principales clases de fármacos, incluidos los antibióticos. Muchos fármacos son imitaciones o profármacos de las moléculas naturales de señalización celular que contienen nitrógeno: por ejemplo, los nitratos orgánicos nitroglicerina y nitroprusiato controlan la presión arterial al metabolizarse en óxido nítrico. Muchas drogas notables que contienen nitrógeno, como la cafeína natural y la morfina o las anfetaminas sintéticas, actúan sobre los receptores de los neurotransmisores animales.

Las propiedades fundamentales del nitrógeno son: Símbolo químico: N; Número atómico: 7; Masa atómica: 14.007 unidades, Estado natural: Gas diatómico (N?), incoloro e inodoro; Reactividad: Muy estable, lo que dificulta su combinación espontánea con otros elementos.

Conociendo al nitrógeno

Los compuestos de nitrógeno tienen una historia muy larga, ya que el cloruro de amonio era conocido por Heródoto. Ya eran bien conocidos en la Edad Media. Los alquimistas conocían el ácido nítrico como aqua fortis (agua fuerte), así como otros compuestos nitrogenados como las sales de amonio y las sales de nitrato. La mezcla de ácido nítrico y clorhídrico era conocida como agua regia (agua real), célebre por su capacidad para disolver el oro, el rey de los metales.

El descubrimiento del nitrógeno se atribuye al médico y químico escocés Daniel Rutherford en 1772, que diseñó un ingenioso experimento en la Universidad de Edimburgo para aislar ese misterioso componente, al que llamó aire nocivo. Aunque no lo reconoció como una sustancia química totalmente diferente, lo distinguió claramente del «aire fijo», o dióxido de carbono, de Joseph Black. El hecho de que había un componente del aire que no soportaba la combustión estaba claro para Rutherford, aunque no era consciente de que fuera un elemento.

Rutherford colocó un ratón en un espacio cerrado con una cantidad limitada de aire. Cuando el animal murió por asfixia, quemó una vela en el aire restante hasta que se apagó y, finalmente, hizo arder fósforo en la mezcla. Luego, hizo pasar ese aire a través de una solución que absorbía el dióxido de carbono. Lo que quedaba era un gas que no permitía la vida ni el fuego. Convencido de la teoría del flogisto (una sustancia que se creía liberada durante la combustión), Rutherford lo bautizó como «aire nocivo» o «aire flogisticado».

Una anécdota ilustrativa de la época ilustra la rivalidad científica y la transición del paradigma flogístico: Rutherford comunicó sus hallazgos en una carta a Joseph Black, su mentor en la Universidad de Edimburgo, evitando publicar de inmediato. Eso permitió que Scheele y Cavendish llegaran a conclusiones similares en 1771 – 1772, un recordatorio de cómo la ciencia moderna se construye mediante verificación independiente y difusión progresiva.

El nitrógeno también fue estudiado casi al mismo tiempo por Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish, y Joseph Priestley, que se refirió a él como aire quemado o teoría del flogisto. El químico francés Antoine Lavoisier se refirió al gas nitrógeno como «aire mefítico» o azote, de la palabra ???????? del griego. (azotikos), «sin vida», debido a que es mayoritariamente inerte.

Se clasificó entre los gases permanentes, sobre todo desde que Michael Faraday no consiguió verlo líquido a 50 atmósferas y –110 grados Celsius hasta los experimentos de Raoul Pictet y Louis Paul Cailletet, quienes en 1877 consiguieron licuarlo.

En una atmósfera de nitrógeno puro, los animales morían y las llamas se extinguían. Aunque el nombre de Lavoisier no fue aceptado en inglés, ya que se señaló que casi todos los gases (de hecho, con la única excepción del oxígeno) son mefíticos, se utiliza en muchos idiomas (francés, italiano, portugués, polaco, ruso, albanés, turco, etc.) El alemán Stickstoff también hace referencia a la misma característica, es decir, ersticken (ahogar o asfixiar) y aún permanece en inglés en los nombres comunes de muchos compuestos de nitrógeno, como la hidracina y los compuestos del ion azida. Finalmente, dio lugar a la denominación «pnicógenos» para el grupo encabezado por el nitrógeno, del griego ??????? «ahogar». El descubrimiento de Rutherford resolvió una pieza fundamental del rompecabezas atmosférico: el aire no era un elemento simple, sino una mezcla de gases.

La palabra inglesa nitrogen (1794) entró en la lengua a partir del francés nitrogène, acuñado en 1790 por el químico francés Jean-Antoine Chaptal del francés nitre (nitrato de potasio, también llamado salitre) y el sufijo francés -gène, «producir», del griego –????? (-genes, engendrado). El significado de Chaptal era que el nitrógeno es la parte esencial del ácido nítrico, que a su vez se producía a partir del nitrato de potasio. En épocas anteriores, el nitro se había confundido con el «natrón» egipcio (carbonato de sodio) – llamado ?????? (nitrón) en griego – que, a pesar del nombre, no contenía nitrato.

El nitrógeno tiene dos isótopos estables: ¹⁴N y ¹⁵N. El primero es mucho más común, constituyendo el 99.634 % del nitrógeno natural, y el segundo (que es ligeramente más pesado) constituye el 0.366 % restante. Eso lleva a un peso atómico de alrededor de 14.007 unidades. Ambos isótopos estables se producen en el ciclo CNO en las estrellas, pero el 14N es más común, ya que su captura de neutrones es el paso que limita la velocidad. 14N es uno de los cinco núclidos impares estables (un nucleido que tiene un número impar de protones y neutrones); los otros cuatro son ²H, ⁶Li y ¹⁰B.

La abundancia relativa de ¹⁴N y ¹⁵N es prácticamente constante en la atmósfera, pero puede variar en otros lugares, debido al fraccionamiento isotópico natural de las reacciones reducción – oxidación (redox) biológicas y a la evaporación del amoniaco natural o del ácido nítrico. Reacciones mediadas biológicamente (por ejemplo, asimilación, nitrificación, y desnitrificación) controlan fuertemente la dinámica del nitrógeno en el suelo Esas reacciones típicamente resultan en el enriquecimiento de ¹⁵N del sustrato y el agotamiento del producto.

El isótopo pesado ¹⁵N fue descubierto por primera vez por S. M. Naudé en 1929, poco después de que se descubrieran los isótopos pesados de los elementos vecinos oxígeno y carbono. Presenta una de las secciones transversales de captura de neutrones térmicos más bajas de todos los isótopos. Se utiliza frecuentemente en resonancia magnética nuclear (RMN) para determinar las estructuras de las moléculas que contienen nitrógeno, debido a su espín nuclear fraccionario de la mitad, que ofrece ventajas para la RMN, como una anchura de línea más estrecha.

El ¹⁴N, aunque también es utilizable en teoría, tiene un espín nuclear entero de uno y, por lo tanto, tiene un momento cuadrupolar que conduce a espectros más amplios y menos útiles. La relación ¹⁵N:¹⁴N se utiliza habitualmente en el análisis de isótopos estables en los campos de la geoquímica, la hidrología, la paleoclimatología y la paleoceanografía, donde se denomina ?¹⁵N.

Las primeras aplicaciones militares, industriales y agrícolas de los compuestos de nitrógeno utilizaban el salitre (nitrato de sodio o nitrato de potasio), sobre todo en la pólvora, y posteriormente como fertilizante. En 1910, Lord Rayleigh descubrió que una descarga eléctrica en el gas nitrógeno producía «nitrógeno activo», un monoatómico alótropo del nitrógeno. La «nube arremolinada de luz amarilla brillante» producida por su aparato reaccionó con mercurio para producir nitruro de mercurio explosivo.

Durante mucho tiempo, las fuentes de compuestos de nitrógeno fueron limitadas. Las fuentes naturales procedían de la biología o de depósitos de nitratos producidos por reacciones atmosféricas. La fijación de nitrógeno mediante procesos industriales como el proceso Frank-Caro y el proceso Haber-Bosch aliviaron esa escasez de compuestos nitrogenados, hasta el punto de que la mitad de la producción mundial de alimentos depende ahora de los fertilizantes nitrogenados sintéticos. Al mismo tiempo, el uso del método de Ostwald para producir nitratos a partir de la fijación industrial del nitrógeno permitió la producción industrial a gran escala de nitratos como materia prima en la fabricación de explosivos en la Guerra Mundial del siglo XX.

La paradoja del nitrógeno reside en su geoquímica. Aunque es el gas más abundante en la atmósfera, es inaccesible para la mayoría de los seres vivos debido a su increíble estabilidad. La molécula de nitrógeno (N?) está unida por un triple enlace covalente, una de las uniones químicas más fuertes de la naturaleza, que requiere una enorme cantidad de energía para romperse. El proceso de convertir el N? atmosférico en compuestos como el amoniaco (NH?) o los nitratos (NO??) se denomina fijación de nitrógeno. Como siempre ocurre, la naturaleza encontró sus propias soluciones mucho antes de que llegara el ser humano:

1. Fijación Atmosférica: La energía de los rayos rompe el triple enlace del nitrógeno, que al combinarse con oxígeno forma óxidos de nitrógeno. Esos son arrastrados a la tierra por la lluvia, aportando entre un 5 % y un 8 % del nitrógeno fijado anualmente.
2. Fijación Biológica (la clave evolutiva): Ese es el proceso dominante. Ciertas bacterias y arqueas poseen la enzima nitrogenasa, capaz de fijar nitrógeno a temperatura y presión ambiente, un prodigio bioquímico que la industria química no ha podido igualar. Esas bacterias pueden vivir libres en el suelo o, en una muestra de simbiosis, alojarse en los nódulos de las raíces de plantas leguminosas (como frijoles, alfalfa o soja). La planta proporciona carbohidratos a la bacteria, y esta, a cambio, le suministra amonio utilizable.

Sin esa fijación biológica, la vida en la Tierra sería radicalmente distinta y mucho menos abundante. El ciclo del nitrógeno, completado por procesos como la nitrificación (conversión de amonio a nitrato) y la desnitrificación (retorno del nitrato a la atmósfera como N?), es el motor que mantuvo el equilibrio durante milenios.

El punto de inflexión para la humanidad llegó en 1908 cuando el químico alemán Fritz Haber descubrió cómo sintetizar amoniaco a partir de nitrógeno e hidrógeno a alta presión y temperatura utilizando un catalizador de osmio. Su patente, «Síntesis de amoniaco a partir de sus elementos», fue la chispa. Pero fue el ingeniero Carl Bosch, de la compañía química BASF, quien lo hizo posible a escala industrial, resolviendo los enormes desafíos técnicos y de materiales que implicaba trabajar a 200 atmósferas de presión y 450 grados Celsius.

El proceso Haber-Bosch, patentado hace más de un siglo, es considerado por muchos como la invención más importante del siglo XX. Su impacto fue doble y profundamente contradictorio:

• Para la guerra: Alemania, que antes dependía del salitre importado de Chile para fabricar pólvora y explosivos, pudo sostener su esfuerzo bélico durante la Primera Guerra Mundial.
• Para la paz: El mismo proceso permitió la producción masiva de fertilizantes nitrogenados sintéticos, liberando a la agricultura de las limitaciones de los recursos orgánicos (estiércol, guano, rotación de cultivos).

Las consecuencias de ese último punto son asombrosas. La producción de alimentos se disparó, dando inicio a la llamada Revolución Verde a mediados del siglo XX. Los rendimientos de cultivos básicos como el maíz en Estados Unidos pasaron de menos de 1500 kilogramos por hectárea en la década de 1930 a superar los 10 mil kilogramos por hectárea actualmente. Algunos estudios estiman que los fertilizantes derivados del proceso Haber-Bosch son responsables de alimentar a casi la mitad de la población mundial (aproximadamente el 48 %). En esencia, dos átomos de nitrógeno y tres de hidrógeno, ensamblados bajo presión y calor, sostienen la vida de miles de millones de personas.

La principal reserva de nitrógeno es la atmósfera, con una masa estimada de 3.9 × 10¹? toneladas. Históricamente, los yacimientos minerales de nitratos (salitre o caliche) en el desierto de Atacama, Chile, dominaron el mercado entre el siglo XIX y la década de 1930. La síntesis industrial de amoníaco desplazó progresivamente la minería de nitratos, aunque Chile mantiene una producción residual para usos especializados.

En la actualidad, la producción de nitrógeno se mide en capacidad de síntesis de amoníaco y separación criogénica/PSA (adsorción por oscilación de presión). Los principales productores de fertilizantes nitrogenados son China (33 % de la oferta global), Rusia, Estados Unidos, India y países del Golfo Pérsico, esos últimos aprovechando reservas de gas natural para la producción de hidrógeno necesario en el proceso Haber-Bosch. La geopolítica del nitrógeno está estrechamente ligada a la seguridad alimentaria y a la transición energética, dado que el hidrógeno gris (proveniente de metano) representa la mayor fuente de emisiones de CO? asociadas a la industria nitrogenada.

Hoy, la industria del nitrógeno fijo (principalmente en forma de amoniaco) es un coloso global. En 2023, el mercado mundial del amoniaco se valoró en más de 58 mil millones de dólares, y se proyecta que supere los 71 mil millones de dólares para 2028. La producción se concentra en regiones con abundante acceso a gas natural, la principal fuente de hidrógeno para el proceso Haber-Bosch.

En el año 2024 los principales productores fueron: China, India, Rusia, Estados Unidos y Trinidad y Tobago. Otros productores importantes incluyen a Canadá, Arabia Saudita y Catar. Las empresas que dominan ese mercado son nombres familiares en el sector químico: la noruega Yara, la estadounidense CF Industries, la canadiense Nutrien y la holandesa OCI Nitrogen.

Sin embargo, el prodigio técnico del proceso Haber-Bosch tiene un costo ambiental enorme. La historia del nitrógeno es también la historia de un ciclo biogeoquímico roto. Antes de la intervención humana, las bacterias fijadoras fijaban unos 230 millones de toneladas de nitrógeno al año. Hoy, el proceso Haber-Bosch produce una cantidad similar o incluso mayor, duplicando el flujo de nitrógeno reactivo en el planeta.

Las consecuencias son múltiples y graves:

1. Contaminación del agua (Eutrofización): Las plantas de cultivo solo absorben aproximadamente el 50 % del nitrógeno aplicado como fertilizante. El resto se escurre hacia ríos y acuíferos o se filtra en forma de nitratos. Ese exceso de nutrientes provoca un crecimiento explosivo de algas en lagos y zonas costeras (eutrofización), que al descomponerse agotan el oxígeno del agua, creando «zonas muertas» donde la vida marina no puede sobrevivir. El Golfo de México posee una de las zonas muertas más grandes del mundo, directamente relacionada con la escorrentía de fertilizantes de la cuenca del río Misisipi.
2. Contaminación del aire y clima: Las bacterias del suelo convierten parte del fertilizante en óxido nitroso (N?O), un gas de efecto invernadero 300 veces más potente que el dióxido de carbono (CO?) y que también contribuye a la destrucción de la capa de ozono. La propia producción de amoniaco es intensiva en energía, consumiendo aproximadamente entre el 1 % y el 2 % de la energía mundial anual y generando alrededor del 2.1 % de todas las emisiones de gases de efecto invernadero.
3. Problemas de Salud: Los nitratos en el agua potable están vinculados a enfermedades como la metahemoglobinemia o «síndrome del bebé azul», especialmente peligrosa en lactantes.

Algunas fechas significativas relacionadas con el nitrógeno

• El nitrógeno fue identificado en 1772 por Daniel Rutherford, quien lo llamó “aire flogisticado” al descubrir que no soportaba la combustión ni la respiración.
• En el siglo XIX se comprendió su papel en los compuestos orgánicos y en la fertilidad de los suelos.
• La gran revolución llegó con el proceso Haber-Bosch (1909-1913), que permitió fijar nitrógeno atmosférico para producir amoníaco, que es la base de los fertilizantes. Un avance crucial para sostener el crecimiento poblacional del siglo XX.

Principales usos y aplicaciones del nitrógeno.

Aunque la agricultura consume la mayor parte del nitrógeno producido (más del 80 % en forma de urea, amoniaco anhidro o nitratos), sus aplicaciones industriales son enormemente variadas:

• Industrial: Se utiliza como gas inerte para crear atmósferas libres de oxígeno en la fabricación de electrónica, la conservación de alimentos (envasado en atmósfera modificada) y la metalurgia. El nitrógeno líquido es un criógeno excepcional.
• Energético: Se inyecta nitrógeno en pozos petrolíferos para mejorar la recuperación de crudo (EOR). Hoy, una de las fronteras más prometedoras es su uso como vector energético limpio. El «amoniaco verde», producido con hidrógeno renovable, se perfila como un combustible sin carbono para el transporte marítimo y la generación eléctrica, y como un excelente portador de hidrógeno.
• Médico: El nitrógeno líquido es vital en criocirugía (para destruir tejido anormal, como verrugas) y en la criopreservación de células, tejidos y muestras biológicas.
• Agricultura: Fertilizantes nitrogenados (urea, nitrato de amonio).
• Industria alimentaria: Conservación de alimentos mediante atmósferas controladas.
• Tecnología: Producción de explosivos, plásticos y semiconductores.
• Biología: Componente esencial de proteínas, ADN y ARN, lo que lo convierte en un pilar de la vida.

Algunos hechos relevantes relacionados con el nitrógeno

• Durante la Primera Guerra Mundial, Alemania dependió del proceso Haber-Bosch para producir explosivos, ya que el acceso al salitre chileno estaba bloqueado.
• El nitrógeno líquido, descubierto en el siglo XIX, se popularizó en el siglo XX por su capacidad de alcanzar temperaturas de –196 grados Celsius, revolucionando la criogenia y la conservación de tejidos.
• En la actualidad, el exceso de fertilizantes nitrogenados es uno de los principales problemas ambientales, causando eutrofización en ríos y mares.

El nitrógeno encarna la paradoja de nuestro tiempo: un elemento que permitió a la humanidad superar el yugo malthusiano de la hambruna, pero que ahora amenaza los sistemas ecológicos que la sustentan. El legado de Rutherford, Haber y Bosch es un mundo de más de ocho mil millones de personas, pero también ríos contaminados, costas asfixiadas y un clima alterado. El futuro exige una segunda revolución del nitrógeno. La ciencia trabaja en varias líneas prometedoras:

• Fertilizantes Inteligentes: Recubrimientos de liberación controlada e inhibidores químicos que sincronizan la liberación de nitrógeno con la demanda de los cultivos, reduciendo las pérdidas.
• Agricultura de Precisión: Tecnología de sensores y análisis de datos para aplicar la cantidad exacta de fertilizante donde y cuando se necesita, evitando el exceso.
• Economía Circular: Recuperar el nitrógeno de residuos orgánicos y aguas residuales para convertirlo en fertilizantes de nuevo.
• Amoníaco Verde: Descarbonizar la producción de amoniaco utilizando electrólisis del agua con energías renovables para obtener el hidrógeno, en lugar de usar gas natural.

El manejo sabio del nitrógeno se ha convertido en uno de los mayores desafíos científicos y políticos del siglo XXI. Entender su ciclo, desde el «aire nocivo» de Rutherford hasta el nutriente esencial en nuestros platos, es el primer paso para transitar hacia un equilibrio necesario: el de alimentar al mundo sin asfixiar los ecosistemas de los que dependemos.

El nitrógeno es un ejemplo de cómo un elemento abundante en la naturaleza, pero químicamente inerte se convirtió en motor de la agricultura, la industria y la ciencia moderna gracias a la innovación tecnológica. Su historia refleja la intersección entre descubrimiento científico, necesidad social y desarrollo industrial.

Referencias

• Nitrogen. Enciclopedia Británica. Obtenido de https://www.britannica.com/science/nitrogen
• Nitrógeno. Wikipedia. Obtenido de: https://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno
• Rivera, Antonio (presentador). Biografía del Nitrógeno. El Elemento que Alimenta el Mundo. 2026 marzo 17. A ciencia cierta. Obtenido de: https://www.ivoox.com/biografia-del-nitrogeno-el-elemento-alimenta-el-audios-mp3_rf_170294915_1.html