نيتروجين

	أكسجين → نيتروجين ← كربون
المظهر
	عديم اللون في الحالات الثلاثة، الغازية والسائلة والصلبة.; ; ; الخطوط الطيفية للنيتروجين
الخواص العامة
الاسم، العدد، الرمز	نيتروجين، 7، N
تصنيف العنصر	لا فلز
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي	15، 2، p
الكتلة الذرية	14.0067
توزيع إلكتروني	1s2 2s2 2p3
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ	2,خمسة (صورة)
الخواص الفيزيائية
الطور	غاز
الكثافة	(0 °س، 101.325 كيلوباسكال); 1.251 غ/ل
كثافة السائل عند نقطة الغليان	0.808 غ·سم−3
نقطة الانصهار	63.153 ك، -210.00 °س
نقطة الغليان	77.36 ك، -195.79 °س
نقطة ثلاثية	63.1526 كلفن (-210°س)، ; 12.53 كيلوباسكال
النقطة الحرجة	126.19 ك، 3.3978 ميغاباسكال
حرارة الانصهار	N2) 0.72)
حرارة التبخر	N2) 5.56)
السعة الحرارية (عند 25 °س)	(N2); 29.124 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار
الخواص الذرية
أرقام الأكسدة	5، 4، 3، 2، 1، -1، -2، -3; (أكاسيده حمضية)
الكهرسلبية	3.04 (مقياس باولنغ)
طاقات التأين	الأول: 1402.3
	الثاني: 2856 كيلوجول·مول−1
	الثالث: 4578.1 كيلوجول·مول−1
نصف قطر تساهمي	1±71 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس	155 بيكومتر
خواص أخرى
البنية البلورية	نظام بلوري سداسي
المغناطيسية	مغناطيسية معاكسة
الناقلية الحرارية	25.83 × 10−3 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
سرعة الصوت	(غاز، 27 °س) 353 متر/ثانية
رقم CAS	7727-37-9
النظائر الأكثر ثباتاً
	الموضوعة الرئيسية: نظائر النيتروجين

النيتروجين (أوالآزوت) هوعنصر كيميائي رمزه N وعدده الذري 7، ويقع ضمن عناصر الدورة الثانية وعلى رأس المجموعة الخامسة عشر (المجموعة الخامسة وفق ترقيم المجموعات الرئيسية) في الجدول الدوري وذلك كعنصر مجموعة رئيسي، حيث حتى مجموعته تسمّى باسمه مجموعة النتروجين. يصنف النتروجين ضمن اللافلزات، ويكون في الشروط العادية من الضغط ودرجة الحرارة على شكل N₂ وهوغاز ثنائي الذرة، وعديم اللون والطعم والرائحة.

النتروجين عنصر رائج في الكون، حيث يدخل في هجريب درب التبانة والمجموعة الشمسية، وعلى كوكب الأرض يشكّل غاز النتروجين 78% من الغلاف الجوي للأرض، وبالتالي هوأكثر العناصر الكيميائية النقية من حيث الوفرة؛ أما في القشرة الأرضية، فمن النادر حتى يوجد عنصر النتروجين على شكل أملاح لاعضوية. باللقاء، يدخل عنصر النتروجين في الطبيعة -بشكل عضوي- في هجريب جميع الأنسجة الحيّة، وذلك بشكل أساسي في الأحماض الأمينية (وبالتالي في البروتينات)، وكذلك في الأحماض النووية حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين وحمض نووي ريبوزي؛ وفي الصناعة يشكّل النتروجين الكثير من المركّبات المهمة كالأمونيا وحمض النتريك والسيانيد، ويدخل أيضاً كعنصر مهم في صناعة الأسمدة.

التاريخ وأصل التسمية

دانيال رذرفورد، ينسب إليه اكتشاف عنصر النتروجين

عهدت مركبات النتروجين منذ العصور الوسطى، فقد عهد جابر بن حيان حمض النتريك باسم ماء النار (aqua fortis)، كما عهد الماء الملكي (aqua regia)، وهومزيج من حمض النتريك مع حمض الهيدروكلوريك، وسمي بالملكي لقدرته على إذابة المضى. استخدمت مركبات النتروجين لاحقاً في تحضير البارود ثم في صناعة الأسمدة.

اكتشف غاز النتروجين من قبل العالم دانيال رذرفورد سنة 1772، والذي أسماه حينها الهواء المضر أوالمؤذي noxious air، وذلك على الرغم من أنه لم يكن يعتبره كعنصر كيميائي مستقل، لكنه ميّزه عن الهواء المُثَبَّت، والذي كان يقصد به غاز ثنائي أكسيد الكربون في تلك الأحيان، حيث حتى حقيقة حتى هناك مكوّن للهواء لا يساعد على الاحتراق كانت معروفة بالنسبة لرذرفورد. في الوقت نفسه تقريباً، دُرس النتروجين من قبل الفهماء كارل فلهلم شيله وهنري كافنديش وجوزيف بريستلي، والذين أقروا حتى النتروجين جزء من الهواء، وأشاروا إليه باسم الهواء المحروق أوهواء الفلوجستون. باللقاء، قام أنطوان لافوازييه بتسمية ذلك الغاز الخامل الذي يطفئ اللهب ويميت الحيوانات باسم آزوت azote، وذلك من الحدثة الإغريقية ἄζωτος آزوتوس بمعنى لا حياة. ولا يزال يشار إلى عنصر النتروجين باسم الآزوت في بعض اللغات مثل الفرنسية والإيطالية والروسية والهجرية. باللقاء يشار إلى هذا العنصر في اللغة الألمانية باسم Stickstoff، بمعنى المادة المطفئة للهب.

جان أنطوان شابتال، مبتدع لفظ نتروجين

أما حدثة نتروجين فقد ابتدعت من الكيميائي جان أنطوان شابتال وذلك من الإغريقية νίτρον نطرون (والتي كانت تشير إلى مصطلح يضم ملح النتر، وفي الوقت نفسه إلى كربونات الصوديوم، إذ لم يكن يميز بينهما)، ومن -γενής جين بمعنى مولّد؛ أي حتى الحدثة تحمل معنى مولّد النتر. كان شابتال يريد بذلك الإشارة إلى النتر، وهي المادة الكيميائية (نترات البوتاسيوم) التي كانت لازمة من أجل إنتاج حمض النتريك، والذي كان قد اكتشف أنه يحوي على غاز النتروجين.

مع تطور البحث الفهمي، ولج النتروجين في الكثير من التجارب الفيزيائية والكيميائية. ففي سنة 1910 قام جون ويليام ستروت، المعروف باسم لورد رايلي، بالقيام بتجربة اكتشف فيها النتروجين الفعّال، وهوتعبير استخدمه للإشارة إلى النتروجين الذرّي، والذي هوتعبير عن متآصل أحادي الذرة للنتروجين تحصّل عليه في جهاز أنبوب التفريغ على شكل غمامة ذات لون أصفر ساطع. لم يدم التشكل طويلاً، إذ سرعان ما تفاعل بدوره بشكل انفجاري مع الزئبق، حيث تشكّل نتريد الزئبق.

أدى تطوّر التقنيات الصناعية إلى ظهور تقنيات سهّلت من عملية تثبيت النتروجين مثل عملية فرانك-كارو(1895–1899) وعملية أوستفالد (1902) وعملية هابر-بوش (1908–1913)، مما سهّل من إمكانية استحصال مركبات النتروجين المتنوعة.

الوفرة الطبيعية

يشكّل غاز النتروجين (N₂) أكبر نسبة في الغازات المكوّنة للغلاف الجوّي للأرض، حيث أنّ نسبته تبلغ 78.08% حجماً في الهواء الجاف، و75.53% وزناً في الهواء الجاف. أمّا في القشرة الأرضية فإن النتروجين قليل الوفرة الطبيعية نسبياً، إذ حتى المعادن الحاوية على النتروجين غالباً ما تكون على شكل أملاح مثل نترات البوتاسيوم (ملح بيتر) أونترات الصوديوم (ملح تشيلي) أوكلوريد الأمونيوم (ملح النشادر)، وجميع هذه الأملاح منحلّة، لذلك يندر وجود ترسبات معدنية منها.

إن النتروجين هوعنصر رائج الانتشار في الكون، إذ يقدّر حتى ترتيبه السابع من حيث وفرة العناصر الكيميائية بالنسبة لكتلتها في درب التبانة. ينشأ عنصر النتروجين في الكون نتيجة تفاعلات الانصهار النجمي وذلك من عنصري الهيدروجين والكربون في المستعرّات الأعظمية، وفي النجوم عن طريق دورة CNO. اكتشفت آثار من النتروجين الجزيئي ومركّبات النتروجين في الوسط بين النجمي وذلك باستخدام المقراب الفضائي (FUSE). كما يدخل النتروجين الجزيئي في هجريب الغلاف الجوي لقمر تيتان الذي يدور في فلك كوكب زحل.

يدخل النتروجين في هجريب كافة المتعضيات الحية، فهومكوّن أساسي للبروتينات والأحماض النووية، وجزيئات حيوية أخرى مثل الإنزيمات. يشكّل النتروجين عادةً ما بين 2 - 6% من الوزن الجاف للمادة النباتية، ووسطياً حوالي 1.5%. يوجد النتروجين بكميّات وفيرة في فضلات الحيوانات وذرق الطيور، وذلك على شكل يوريا وحمض اليوريك وعلى شكل أملاح الأمونيوم.

الإنتاج والتحضير

مخطط يظهر طريقة الحصول على النتروجين بطريقة الغشاء التناضحي العكسي.

يصنّف غاز النتروجين من ضمن الغازات الصناعية، التي لها تطبيقات مهمة، وينتج عن طريق إسالة الهواء بالضغط والتبريد ثم التقطير التجزيئي للهواء السائل لفصل غازي الأكسجين والنتروجين وذلك حسب عملية ليندة. أوعن طريق استخدام وسائل ميكانيكية باستخدام الهواء الغازي، أي باستخدام امتزاز تأرجح الضغط أوغشاء تناضحي عكسي. تتم الطريقة الأخيرة عن طريق تمرير الهواء بضغط مرتفع يتراوح بينخمسة إلى 12 بار عبر غشاء اصطناعي، وبما حتى سرعة الانتشار لغازات النتروجين والآرغون عبر تلك الأغشية هي أبطأ من التي لغازات الأكسجين وبخار الماء وثنائي أكسيد الكربون، فإن غاز النتروجين بالتالي يزداد هجريزه في الطرف الداخلي للغشاء، وبإجراء ضبط لسرعة التدفق، يمكن الحصول على غاز النتروجين بنقاوة تصل إلى 99%.

تعد وسيلة تقطير الهواء الأسلوب التجاري للحصول على النتروجين، والذي يحصل عليه غالباً كناتج ثانوي من عملية إنتاج غاز الأكسجين، وذلك من أجل الصناعات المتنوعة. يزوّد النتروجين عادةً في أسطوانات غاز مضغوط، ويرمز لها عندما تكون نقية وخالية من الأكسجين برمز OFN وذلك من oxygen-free nitrogen، والتي يمكن حتى تصل درجة نقاوتها إلى 99.99999%. يحصل على النتروجين عالي النقاوة، والذي تكون فيه نسبة الشوائب من الغازات أقل من 1 جزء في البليون (ppb)، عن طريق تكرار عملية الامتزاز/الانتزاز على الزيوليت.

يحضّر غاز النتروجين مخبرياً من المعالجة الحرارية لمحلول مائي من نتريت الأمونيوم أومحلول مائي لمزيج من كلوريد الأمونيوم مع نتريت الصوديوم:

{\displaystyle \mathrm {NH_{4 Cl\ +\ NaNO_{2 \longrightarrow \ NaCl\ +\ 2\ H_{2 O\ +\ N_{2 \uparrow

تعطي كيفية التحضير هذه شوائب بكميات قليلة من غاز أحادي أكسيد النتروجين NO وحمض النتريك HNO₃، والتي يمكن إزالتها بتمرير الغاز في محلول من ثنائي كرومات البوتاسيوم في حمض الكبريتيك.

يمكن الحصول على غاز النتروجين بشكل نقي جداً في المختبر من إجراء عملية تفكك حراري لمركب أزيد الباريوم أوأزيد الصوديوم:

{\displaystyle \mathrm {2\ NaN_{3 \ \mathrm {{\stackrel {\Delta T {\longrightarrow \ 2\ Na\ +\ 3\ N_{2

النظائر

هناك نظيرين مستقرين للنتروجين وهما نتروجين-14 ¹⁴N ونتروجين-15 ¹⁵N، لكن الوفرة الطبيعية الأكبر هي للنظير ¹⁴N، والتي تبلغ 99.634%. إذا التفاعلات الحيوية مثل التمثّل والنترجة ونزع النتروجين تتحكم بنسب نظائر النتروجين الطبيعية في التربة، حيث تعمد تلك التفاعلات على تخصيب ¹⁵N في الركيزة وتقلله في الناتج. أما في الغلاف الجوي، فإن هناك نسبة بسيطة من النتروجين الجزيئيقد يكون فيه جميع من النظيرين الطبيعيين ¹⁴N¹⁵N موجودين (0.73%)، أما الباقي فهوتقريباً بالكامل من ¹⁴N₂.

توجد أيضاً نظائر مصطنعة للنتروجين، يتراوح عدد الكتلة فيها بين 12 - 19، ومن بينها النظير نتروجين-13 ¹³N، الذي يبلغ عمر النصف له عشر دقائق، أما باقي النظائر المصطنعة فلها عمر نصف من مرتبة عدة ثوان أوأقل. يحضّر ¹⁶N من النظير أكسجين-16 ¹⁶O في الماء، وله نصف عمر حوالي 7.1 ثانية، ويصدر عند اضمحلاله أشعة غاما ذات طاقة مرتفعة تتراوح بين 5-7 ميغاإلكترون فولت. يستخدم ¹⁶N كمبرّد في مفاعل الماء المضغوط ومفاعل الماء المغلي.

الخواص الفيزيائية

توهج غاز النتروجين داخل أنبوب تفريغ

في الشروط العادية من الضغط ودرجة الحرارة، فإن النتروجين الجزيئي هوتعبير عن غاز عديم اللون والرائحة والمذاق، وغير قابل للاشتعال. يتكثف النتروجين ويتسيّل عند -196 °س (77 كلفن) ليصبح سائلاً عديم اللون (النتروجين السائل)، وهوسائل أقل كثافة من الماء (0.808 غ/مل)، ويستخدم في التبريد العميق. يتجمّد النتروجين السائل عند −210 °س (63 كلفن)، وذلك إلى شكل متآصل بلوري متراص، والذي يأخذ يتحول إلى الشكل المتآصل البلوري المكعب عند −237.6 °س (35.4 كلفن)، والذي يعهد باسم الطور ألفا. إذا النقطة الحرجة للنتروجين هي عند درجة حرارة مقدارها −146.95 °س وضغط 33.9 بار، وتكون الكثافة الحرجة 0.314 غ/سم³. إذا انحلالية غاز النتروجين في الماء ضعيفة، وهي تبلغ 23.2 مغ/ل عند الدرجة 0 °س.

حضّرت متآصلات غير مستقرة للنتروجين مخبرياً، وكانت تتألف من جزيئات ذات أكثر من ذرتي نتروجين مثل N₃ (ثلاثي النتروجين) وN₄ (رباعي النتروجين). عند ضغوط مرتفعة جداً (حوالي 1.1 مليون وحدة ضغط جوي) ودرجات حرارة مرتفعة (2000 كلفن) فإنه يمكن الحصول على صيغ بلورية بوليمرية من النتروجين، والتي لها بنية بلورية شبيهة بالألماس مثل N₄ (رباعي النتروجين)، والذي يعهد باسم الألماس النتروجيني. من المتآصلات النظرية للننتروجين جميع من N₆، الذي يعهد باسم هكسازين، وهومتآصل افتراضي للنتروجين ترتبط فيه الذرات بشكل مشابه لارتباط ذرات الكربون في البنزين، بالإضافة إلى N₈، الذي يعهد باسم أوكتاآزاكوبان (ثماني آزا الكوبان)، وهومتآصل افتراضي للنتروجين ترتبط فيه ذرات النتروجين على شكل فراغي يشبه المكعب، وذلك بشكل مشابه لارتباط ذرات الكربون في الكوبان. تشير الحسايات النظرية حتى N₆ غير مستقر بشكل كبير، في حين أنه يتسقط حتىقد يكون N₈ مستقر حركياً، وذلك بسبب تناظر المدارات الجزيئية.

في أنبوب تفريغ يمكن لغاز النتروجين حتى يتوهج وذلك تحت الشروط التالية: حتى تكون تخلية الأنبوب بضغط يتراوح بين 5-10 ميلي بار، وجهد عالي حوالي 1.8 كيلوفولت، وشدة تيار تصل إلى 18 ميلي أمبير، وتردد يبلغ 35 كيلوهرتز. عند تلك الشروط تحدث عودة ارتباط لجزيئات الغاز المؤينة، ويصدر طيف لوني مميز للنتروجين. إذا النتروجين الجزيئي (¹⁴N₂) ذوشفافية بالنسبة للأشعة المرئية وتحت الحمراء، لأنه جزيء متجانس مكوّن من نفس الذرة، وبالتالي لا يوجد عزم ثنائي قطب قادر على التأثر مع الإشعاع الكهرومغناطيسي عند أطوال الموجة تلك. باللقاء، يحدث هناك امتصاص في مجال الأشعة فوق البنفسجية، وذلك عند أطوال موجة حوالي 100 نانومتر. يترافق ذلك مع حدوث انتنطقات إلكترونية في الجزيء إلى حالات تكون فيها الغمامة الإلكترونية غير متساوية التوزيع بين ذرتي النتروجين، مما يؤدي إلى الاستقطاب. يحدث هذا الامتصاص للأشعة فوق البنفسجية من جزيئات النتروجين في طبقات الجوالعليا في الأرض وغيرها من الكواكب. يؤدي امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والأشعة الكونية من جزيئات غاز النتروجين في طبقات الجوالعليا إلى حدوث وهج جوي مرئي، وهوناتج عن انفصام الرابطة الجزيئية وتشكل النتروجين الذري، والذي يرتبط بدوره مع الأكسجين ليشكل جزيئات أحادي أكسيد النتروجين (NO).

الخواص الكيميائية

طول الرابطة في النتروجين الجزيئي N₂

يصنّف عنصر النتروجين ضمن اللافلزات، وله كهرسلبية مقدارها 3.04. هناك خمس إلكترونات موجودة في غلاف التكافؤ الخارجي للذرّة، وذلك حسب التوزيع الإلكتروني 2s²p³، بالتالي حسب قاعدة الثمانيات، فإن النتروجين هوثلاثي التكافؤ في أغلب مركباته، والتي تكون جلّها ذات صفة تساهمية. إذا النتروجين هوالعنصر الوحيد في مجموعته، مجموعة النتروجين، القادر على الارتباط بنفسه، ويبلغ طول الرابطة الثلاثية بين الذرتين (N≡N) في النتروجين الجزيئي 109.76 بيكومتر، وهي واحدة من أقوى الروابط الكيميائية، إذ حتى طاقة تفككها تصل إلى 942 كيلوجول/مول، مما يعني أنه تلزم طاقة تنشيط مرتفعة لكسر تلك الرابطة وللارتباط مع عناصر أخرى.

إن النتروجين على العموم غير نشيط كيميائياً عند الدرجات العادية من الضغط ودرجة الحرارة، إلا طالما كان المتفاعل ذونشاط كيميائي كبير. على سبيل المثال، يتفاعل النتروجين مع فلز الليثيوم ليعطي مركب نتريد الليثيوم:

{\displaystyle \mathrm {6\ Li\ +N_{2 \ {\xrightarrow {100^{\circ C \ 2\ Li_{3 N

بنية ²⁺[(Ru(NH₃)₅(N₂]

يقوم النتروجين بالدخول على شكل ناتج إضافة مع الكثير من الفلزات الانتنطقية، ويسمى الناتج حينها باسم معقد تناسقي ثنائي النتروجين، وكمثال على ذلك المعقد التالي مع الروثينيوم ²⁺[(Ru(NH₃)₅(N₂]، كما تبدوبنيته في الشكل المرفق. تجدر الإشارة إلى حتى ربيطة N₂ لا يتم الحصول عليها من الارتباط المباشر مع النتروجين الجزيئي، إنما من تفكك الهيدرازين. هناك معقدات أخرى على ذات النسق مثل IrCl(N₂)()₂ وW(N₂)₂()₂. توضح هذه المعقدات حتى النتروجين الجزيئي N₂ يمكن حتى يرتبط مع الفلزات في إنزيم نتروجيناز ومع الحفاز في عملية هابر-بوش.

كانت عملية هابر-بوش لاصطناع الأمونياك من النتروجين والهيدروجين البوابة التي مكّنت من تثبيت النتروجين صناعياً في المركبات الكيميائية. تتم العملية عادة باستخدام حفاز من أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي Fe₃O₄ عند درجات حرارة حوالي 500 °س وضغط مقداره 200 وحدة ضغط جوي. هناك طرق أخرى لاختزال النتروجين إلى الأمونياك، مثل استخدام حفاز من معقد للموليبدنوم بوجود وسط مانح للبروتونات.

المركبات الكيميائية

يعد الأمونياك (NH₃) من أكثر مركبات النتروجين أهمية، وهوينتج من عملية تثبيت النتروجين الصناعية من خلال عملية هابر-بوش، وهويصنف كيميائياً على أنه هيدريد للنتروجين. من الهيدريدات الأخرى للنتروجين مركب الهيدرازين N₂H₄. للأمونياك خواص قاعدية، وهوينحل في الماء مشكلاً أيونات الأمونيوم ⁺NH₄، كما يشكل أيونات الأميد ^-NH₂، والنتريد ^-N₃، ولها أملاح معروفة. من الأنيونات الأخرى مركبات الأزيد ^-N₃، والتي لها بنية جزيئية خطية ومتساوية إلكترونياً مع ثنائي أكسيد الكربون، وهي من المركبات السامة مثل مركبات السيانيد. يرتبط النتروجين مع الهالوجينات ليشكل مركبات ثلاثي هاليد النتروجين والتي تضم ثلاثي فلوريد النتروجين NF₃وثلاثي كلوريد النتروجين NCl₃وثلاثي بروميد النتروجين NBr₃وثلاثي يوديد النتروجين NI₃.

هناك عدة أكاسيد للنتروجين، والتي يشار إليها اختصاراً بالرمز NOx. من هذه الأكاسيد أكسيد النتروز (أحادي أكسيد ثنائي النتروجين N₂O)، والذي يسمى غاز الضحك، وله تأثير تخديري. هناك أيضاً أكسيد النتريك (أحادي أكسيد النيتروجين NO)، وهوجذر كيميائي حر يستخدم في توصيل الإشارة عند النباتات والحيوانات.قد يكون ثنائي أكسيد النتروجين على شكل غاز أحمر اللون، وهوسام ويدخل في هجريب الضبخان. إذا الأكاسيد المذكورة (الدنيا) للنتروجين هي أكاسيد مستقرة، في حين حتى الأكاسيد العليا مثل ثلاثي أكسيد ثنائي النتروجين N₂O₃ورباعي أكسيد ثنائي النتروجين N₂O₄وخماسي أكسيد ثنائي النتروجين N₂O₅ هي غير مستقرة وتتفكك لتطلق غاز النتروجين N₂.

تميل أكاسيد النتروجين إلى الانحلال في الماء، حيث يعطي أحادي أكسيد النتروجين عند انحلاله حمض النتروز HNO₂، والذي ينتج أملاح النتريت، باللقاء، فإن ثنائي أكسيد النتروجين يعطي عند انحلاله في الماء حمض النتريك HNO₃، والذي ينتج أملاح النترات. من أحماض النتروجين أيضاً هناك حمض تحت النتروز H₂N₂O₂، والذي تدعى أملاحه باسم تحت نتريت (هيبونتريت). يدخل النتروجين مع الكربون في هجريب حمض هيدروسيانيك، وعندما يضاف إليه الأكسجين نحصل على مجموعة من أحماض هيدروكسوسيانيك والأملاح الموافقة، مثل حمض السيانيك H-O-C≡N وأملاحه من السيانات، وحمض إيزوسيانيك O=C=N-H وأملاحه من إيزوسيانات، حمض الفلمنيك H-C≡N-O وأملاحه من الفلمينات.

يدخل النتروجين في هجريب الكثير من المركبات العضوية مثل الأمينات والأحماض الأمينية والبروتينات والببتيدات والأميدات ومركبات النتروومركبات الآزووالنتريلات والإيمينات والإينامينات، بالإضافة إلى المركبات الحلقية غير المتجانسة النتروجينية.

الدور الحيوي

مخطط توضيحي لدورة النيتروجين تم إهمال تثبيت النيتروجين للاأحيائي.

إن النتروجين هومن العناصر المهمة لوجود الحياة على سطح الأرض، إذ أنه يدخل في هجريب الأحماض الأمينية والنووية. لا يمكن للنباتات أوالحيوانات حتى تحصل على عنصر النتروجين من الغلاف الجوي مباشرة، حيث ينبغي الحصول عليه على شكل مركبات، بعملية تدعى تثبيت النتروجين. تعد الهطولات على اختلافها أحد المصادر الطبيعية التي تجلب كميات من الأمونيوم والنترات إلى سطح الأرض، وذلك أثناء تشكلها في طبقات الجوعند حدوث البرق. إذا أغلب النتروجين المثبّت الموجود في التربة والذي يصل إلى جذور النباتاتقد يكون على شكل نترات، في حين حتى الأمونيوم يستهلك من نباتات الظلة.

هناك أنواع خاصة من البكتريا (مثل ريزوبيا Rhizobium trifolium) لها القدرة على تثبيت النتروجين، وذلك بسبب وجود إنزيم نتروجيناز، والذي يستطيع تحويل غاز النتروجين إلى شكل الأمونيوم الكثر فائدة بالنسبة للمتعضيات العليا. يمكن لهذه البكتريا حتى تعيش بشكل منفرد وحر في التربة مثل الآزوتية، ولكنها عادة ما تدخل في علاقة تعايش في العقد الجذرية في النباتات البقلية (مثل الفول والنفل وغيرها)، في بعض النباتات من الفصائل الأخرى مثل النغت وكازارينا والنباتات الكبدية. يقوم مبدأ التعايش هنا على تقديم البكتريا للنتروجين على شكل مثبت، والذيقد يكون غالباً على شكل أمونيوم، والذي يحول في النبات إلى أحماض أمينية لتشكيل البروتينات وجزيئات حيوية أخرى. باللقاء، فإن النبات يفرز السكر إلى البكتريا كي تؤمن غذائها.

تستطيع النباتات حتى تستفيد من النتروجين على شكل نترات بشكل مباشر، والذي يمكن حتىقد يكون موجوداً في التربة من الترسبات الطبيعية للمعادن، أومن الأسمدة الهجريبية، أومن فضلات الحيوانات، أومن التحلل العضوي. تتحوّل كمية النترات الممتصة على هذه الشاكلة إلى نتريت عن طريق إنزيم نترات ريدوكتاز (مختزل النترات)، ومن ثم يتحول إلى الأمونياك عن طريق إنزيم آخر وهونتريت ريدوكتاز (مختزل النتريت).

إن مركبات النتروجين مهمة جداً وأساسية في الهجريب الحيوي للنباتات والحيوانات. تستخدم الحيوانات الأحماض الأمينية الحاوية على النتروجين من مصادر نباتية كأساس لكافة التفاعلات الكيميائية الحيوية المعتمدة على النتروجين، مثل اصطناع البروتينات والأحماض النووية. تكون الحشرات التي تتغذى على النباتات معتمدة على كمية النتروجين في نظامها الغذائي، بحيث أنه طالما تغيير كمية السماد الآزوتي المقدم إلى النبات فإن ذلك يؤثر على معدل التناسل لتلك الحشرات المتغذية على ذلك النبات. للجذر الكيميائي الحر أكسيد النتريك NO دوراً مهماً في فيزيولوجيا الحيوانات.

يؤدي استقلاب البروتينات الحاوية على النتروجين عند الحيوانات إلى إخراج (الإفراغ) على شكل يوريا، أما استقلاب الأحماض النووية فيعطي بالإضافة إلى اليوريا مركب حمض اليوريك. إذا الرائحة المميزة لتحلل اللحم الحيواني يعود إلى تشكل مركبات أمينية طويلة السلسلة مثل بوتريسكين وكادافيرين، والتي هي بدورها نواتج تكسير الأحماض الأمينية أورنيثين ولايسين، على الترتيب، وذلك من البروتينات المتحللة.

يعطي التحلل الحيوي في النهاية النتروجين على شكل غاز N₂ والذي يعود إلى الغلاف الجوي ليغلق ما يسمى دورة النتروجين.

الاستخدامات

للنتروجين الكثير من التطبيقات المهمة، سواءً إذا كان بالحالة الغازية أوبالحالة السائلة.

غاز النتروجين

يستخدم غاز النتروجين كغاز خامل، وذلك عند الحاجة إلى وسط بديل عن الهواء عندما تكون تفاعلات أكسدة-اختزال غير مرغوبة. من الأمثلة على ذلك في المجال الصناعي استخدام غاز النتروجين في مزيج مع غاز ثنائي أكسيد الكربون كمادة حافظة للأغذية. يعد النتروجين النقي أحد الإضافات الغذائية ويحمل رقم إي E941. من الأمثلة الأخرى لاستخدام النتروجين كغاز خامل دخوله في ملء المصابيح المتوهجة كبديل رخيص الثمن عن الآرغون.

يستخدم النتروجين في صناعة الفولاذ، ويستخدم في بعض أنظمة وقود الطائرات من أجل تخفيف خطر اشتعال الوقود، فيما يدعى باسم أنظمة التخميل، كما يستخدم في ملء إطارات عجلات الطائرات وسيارات السباق. يعود السبب في ذلك إلى النتروجين النقي يقي بخموله الكيميائي من أخطار حدوث انفجارات أثناء الإقلاع والهبوط أوأثناء ازدياد درجات الحرارة نتيجة الاحتكاك.

في العمل المخبري الكيميائي يستخدم النتروجين في مجال تحضير العينات، حيث يستخدم للتجفيف من أجل هجريز العينات عن طريق إنقاص الحجم بتمرير تيار من النتروجين المضغوط على سطح العينة السائلة.

يدخل النتروجين في تفاعل تحضير سياناميد الكالسيوم وذلك حسب المعادلة:

{\displaystyle \mathrm {CaC_{2 +N_{2 \longrightarrow \ Ca(CN)_{2 \longrightarrow \ Ca^{2+ \ ^{- N=C=N^{- \ +C

نتروجين سائل ضمن إناء معدني.

النتروجين السائل

يعد النتروجين السائل أحد أشهر وسائل المبردات في التبريد العميق. وغالباً ما يستخدم في المختبرات الكيميائية وينقل في إناء ديوار، وذلك من دون حدوث تبخر كبير. مثل الثلج الجاف، يستخدم النتروجين السائل في مجال التثليج، عملى سبيل المثال يستخدم من أجل الحفظ بالتجميد للعينات الحيوية مثل الدم والنطاف والبويضات، ومن أجل العلاج بالتبريد لبعض الحالات الجلدية مثل الثآليل. يستخدم النتروجين السائل أيضاً في تجهيز المصيدة الباردة في بعض المختبرات، وفي تبريد وحدة المكشاف في أجهزة الفحص المخبرية مثل أجهزة الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية. من التطبيقات الأخرى للنتروجين السائل استخدامه من أجل تبريد وحدة المعالجة المركزية للحواسيب الفائقة الضخمة.

مركبات النتروجين

إن القدرة على الحصول على مركبات من النتروجين هي واحدة من العمليات المهمة، إذ أنه حتى بداية القرن العشرين، كانت الإمكانية الوحيدة لحدوث ذلك هي عن طريق طبيعي فقط، وذلك عن طريق المتعضيات والبكتريا. وكان الأسلوب الوحيد للحصول تلك المركبات من معالجة الترسبات الطبيعية مثل ملح النتر. تغيرت الأمور مع تطور العمليات الصناعية الكيميائية مثل عملية فرانك-كارولإنتاج السياناميد، وعملية أوستفالد من إجل إنتاج حمض النتريك وأملاح النترات من الأمونياك، ومن ثم عملية هابر-بوش لإنتاج الأمونياك.

كانت الأملاح العضوية واللاعضوية لحمض النتريك تاريخياً أحد المصادر المهمة في الصناعات المتنوعة. على سبيل المثال، كان مركب نترات البوتاسيوم مستخدماً بكثرة في صناعة البارود، أما نترات الأمونيوم فكان بستخدم في صناعة الأسمدة والمتفجرات. هناك الكثير من المركبات العضوية المنترجة والتي كانت تستخدم في صناعة المتفجرات، مثل نتروغليسرين وثلاثي نتروالتولوين (TNT)، بالإضافة إلى نتروسيليلوز. يستخدم حمض النتريك كمؤكسد في الصواريخ العاملة على الوقود السائل، أما الهيدرازين ومشتقاته فتستخدم كمواد دافعة أحادية.

وجد لأكسيد النتروز (غاز الضحك N₂O) خواص مخدرة منذ القرن التاسع عشر، وهويستعمل إلى الآن في بعض الحالات الجراحية. يدخل النتروجين في هجريب عدد كبير جداً من العقاقير والأدوية على شكل مركبات عضوية بمجموعات وظيفية مختلفة، وخاصة أشباه القلويات الموجودة في العقاقير المستخلصة من النباتات.

احتياطات الأمان

إن الإطلاق السريع لغاز النتروجين في حجرة أومكان مغلق يمكن حتى يزيح الأكسجين، مما يشكل بالتالي خطر الاختناق، ويحدث ذلك مع وجود أعراض محذّرة قليلة، إذ حتى الجسم السباتي في جسم الإنسان ذونظام استشعاري بطيء نسبياً لنقص الأكسجين.

إن استنشاق غاز النتروجين عند ضغوط جزئية مرتفعة (أكثر من أربعة بار، والتي يمكن حتى تصادف عند أعماق دون 30 متر تحت سطح البحر في غوص سكوبا) له تأثير تخديري، فيما يعهد باسم تخدير الأعماق، حيث يشعر الغواص بفقدان جزئي للوعي، شبيهة بالتي تحصل عند استنشاق أكسيد النتروس. يستطيع النتروجين حتى ينحل في مجرى الدم وفي الدهون داخل الجسم. يؤدي تخفيض الضغط المفاجئ، وخاصة في حالة الصعود السريع إلى السطح عند الغواصين، إلى حدوث حالة سقمية خطيرة تعهد باسم سقم تخفيف الضغط، والذي تتشكل فيه فقاعات من غاز النتروجين في مجرى الدم والأعصاب ومناطق حيوية أخرى في الجسم.

يؤدي التلامس المباشر للجلد مع النتروجين السائل إلى حدوث عضة برد (تثليج)، والتي يمكن حتى تحدث فوراً، أوتأخذ عدة ثوان، وذلك حسب درجة حرارة السائل. لذلك يجب الانتباه وارتداء قفازات ووسائل الحماية المخبرية عند التعامل مع النتروجين السائل. تستخدم حساسات أكسجين في بعض الأحيان كوسيلة وقاية عند العمل بالنتروجين السائل وذلك من أجل تنبيه العمال عند حدوث انسكاب في مكان محصور.

المراجع

^ Lavoisier, Antoine Laurent (1965). . Courier Dover Publications. صفحة 15. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Weeks, Mary Elvira (1932). "The discovery of the elements. IV. Three important gases". Journal of Chemical Education. 9 (2): 215. Bibcode:1932JChEd...9..215W. doi:10.1021/ed009p215.
^ Aaron J. Ihde, The Development of Modern Chemistry, New York 1964.
^ Elements of Chemistry, trans. Robert Kerr (Edinburgh, 1790; New York: Dover, 1965), 52.
^ nitrogen. Etymonline.com. Retrieved on 2011-10-26. نسخة محفوظة 02 يوليو2017 على مسقط واي باك مشين.
^ Lord Rayleigh's Active Nitrogen. Lateralscience.co.uk. Retrieved 2011-10-26. نسخة محفوظة 24 يونيو2016 على مسقط واي باك مشين.
^ Erisman, Jan Willem; Sutton, Mark A.; Galloway, James; Klimont, Zbigniew; Winiwarter, Wilfried (2008). "How a century of ammonia synthesis changed the world". Nature Geoscience. 1 (10): 636. Bibcode:2008NatGe...1..636E. doi:10.1038/ngeo325.
↑ Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements (New ed.). pages:360-364, New York, NY: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-960563-7.
↑ Croswell, Ken (February 1996). . Anchor. ISBN . مؤرشف من الأصل فيثمانية يونيو2019.
^ Bethe, H. A. (1939). "Energy Production in Stars". Physical Review. 55 (5): 434–56. Bibcode:1939PhRv...55..434B. doi:10.1103/PhysRev.55.434.
^ Meyer, Daved M.; Cardelli, Jason A.; Sofia, Ulysses J. (1997). "Abundance of Interstellar Nitrogen". The Astrophysical Journal. 490: L103–L106. arXiv:astro-ph/9710162. Bibcode:1997ApJ...490L.103M. doi:10.1086/311023.
^ Hamilton, Calvin J. "Titan (Saturn VI)". Solarviews.com. مؤرشف من الأصل في 13 أكتوبر 2018. اطلع عليه بتاريخ 24 ديسمبر 2007.
^ Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Physiologie der Pflanzen. Spektrum, Akad. Verlag, Heidelberg/Berlin 2000, ISBN 3-8274-0537-8.(بالألمانية)
^ Reich, Murray.; Kapenekas, Harry. (1957). "Nitrogen Purfication. Pilot Plant Removal of Oxygen". Industrial & Engineering Chemistry. 49 (5): 869–873. doi:10.1021/ie50569a032.
↑ Bartlett, J. K. (1967). "Analysis for nitrite by evolution of nitrogen: A general chemistry laboratory experiment". Journal of Chemical Education. 44 (8): 475. Bibcode:1967JChEd..44..475B. doi:10.1021/ed044p475.
^ Eremets, M. I.; Popov, M. Y.; Trojan, I. A.; Denisov, V. N.; Boehler, R.; Hemley, R. J. (2004). "Polymerization of nitrogen in sodium azide". The Journal of Chemical Physics. 120 (22): 10618–10623. Bibcode:2004JChPh.12010618E. doi:10.1063/1.1718250. PMID 15268087.
^ G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 457–460.
^ Flanagan, Lawrence B.; Ehleringer, James R; Pataki, Diane E. (15 December 2004). . صفحات 74–75. ISBN . مؤرشف من الأصل فيتسعة يناير 2017.
^ "Atomic Weights and Isotopic Compositions for Nitrogen". NIST. مؤرشف من الأصل في 21 مايو2019. اطلع عليه بتاريخ 22 مايو2013.
↑ Audi, G.; Wapstra, A. H.; Thibault, C.; Blachot, J. & Bersillon, O. (2003). "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties" (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. مؤرشف من الأصل (PDF) في 12 أغسطس 2013.
↑ Neeb, Karl Heinz (1997). . Berlin-New York: Walter de Gruyter. صفحة 227. ISBN . مؤرشف من الأصل فيتسعة يناير 2017.
^ Iancu, C. V.; Wright, E. R.; Heymann, J. B.; Jensen, G. J. (2006). "A comparison of liquid nitrogen and liquid helium as cryogens for electron cryotomography". Journal of Structural Biology. 153 (3): 231–240. doi:10.1016/j.jsb.2005.12.004. PMID 16427786.
↑ Gray, Theodore (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN .
^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-08-037941-9.
^ "A new molecule and a new signature – Chemistry – tetranitrogen". Science News. 16 February 2002. مؤرشف من الأصل في 16 أكتوبر 2015. اطلع عليه بتاريخ 18 أغسطس 2007.
^ "Polymeric nitrogen synthesized". physorg.com.خمسة August 2004. مؤرشف من الأصل في 24 يناير 2012. اطلع عليه بتاريخ 22 يونيو2009.
^ Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft vom 3. August 2004(بالألمانية) نسخة محفوظة 03 يناير 2011 على مسقط واي باك مشين.
^ Fabian, J. & Lewars, E. (2004). "Azabenzenes (azines)—The nitrogen derivatives of benzene with one to six N atoms: Stability, homodesmotic stabilization energy, electron distribution, and magnetic ring current; a computational study" (PDF). Canadian Journal of Chemistry. 82 (1): 50–69. doi:10.1139/v03-178. مؤرشف من الأصل (PDF) في 29 مارس 2005.
^ Muir, B. Cubane. (See "further topics" section.) نسخة محفوظة 02 سبتمبر 2006 على مسقط واي باك مشين.
^ Patil, Ujwala N.; Dhumal, Nilesh R. & Gejji, Shridhar P. (2004). "Theoretical studies on the molecular electron densities and electrostatic potentials in azacubanes". Theoretica Chimica Acta. 112: 27–32. doi:10.1007/s00214-004-0551-2. مؤرشف من الأصل فيستة أبريل 2020.
^ Stickstoff Spektralröhre نسخة محفوظة 05 مارس 2016 على مسقط واي باك مشين.
^ Worley, R. (1943). "Absorption Spectrum of N2 in the Extreme Ultraviolet". Physical Review. 64 (7–8): 207. Bibcode:1943PhRv...64..207W. doi:10.1103/PhysRev.64.207.
^ Lide, D. R., المحرر (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics (الطبعة 84th). Boca Raton, FL: CRC Press.
^ E. Riedel; C. Janiak (2011), Anorganische Chemie (الطبعة 8.), de Gruyter, صفحة 464, ISBN CS1 maint: ref=harv (link)
^ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 653.
^ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie 1995, 101. Auflage, de Gruyter. ISBN 3-11-012641-9, S. 1153.
↑ Schrock, R. R. (2005). "Catalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia at a Single Molybdenum Center". Acc. Chem. Res. 38 (12): 955–962. doi:10.1021/ar0501121. PMC 2551323. PMID 16359167.
^ Fryzuk, M. D. & Johnson, S. A. (2000). "The continuing story of dinitrogen activation". Coordination Chemistry Reviews. 200–202: 379. doi:10.1016/S0010-8545(00)00264-2.
^ Rakov, Vladimir A.; Uman, Martin A. (2007). . Cambridge University Press. صفحة 508. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Jama, Bashir; Ndufa, J. K.; Buresh, R. J.; Shepherd, K. D. "Vertical Distribution of Roots and Soil Nitrate: Tree Species and Phosphorus Effects". 62 (1). Soil Science Society of America Journal: 280–286. مؤرشف من الأصل في 26 أبريل 2015. اطلع عليه بتاريخ 02 يناير 2013.
↑ Bothe, Hermann; Ferguson, Stuart John; Newton, William Edward (2007). . Elsevier. صفحة 283. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Jahn, G.C.; Almazan, Liberty P.; Pacia, Jocelyn B. (2005). L.)". Environmental Entomology. 34 (4): 938–943. doi:10.1603/0046-225X-34.4.938. مؤرشف من الأصل في ثلاثة يونيو2016.
^ Knox, G. A. (2007). . CRC Press. صفحة 392. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Vickerstaff Joneja; Janice M. (2004). . Rutgers University Press. صفحة 121. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Ministers, Nordic Council of (2002). "Food Additives in Europe 2000": 591. ISBN . مؤرشف من الأصل في 11 مارس 2016.
^ ZZulV: قانون تنظيمي بالسماح باستخدام الإضافات في الصناعات الغذائية (بالألمانية) نسخة محفوظة 09 أكتوبر 2010 على مسقط واي باك مشين.
^ Harding, Charlie, المحرر (2002). . Cambridge: Royal Society of Chemistry. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Gavriliuk, V. G.; Berns, Hans (1999). . Springer. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ "Centre Fuel Tank Inerting". B737.org.uk. مؤرشف من الأصل في 26 سبتمبر 2018. اطلع عليه بتاريخ 21 أغسطس 2013.
^ "Why don't they use normal air in race car tires?". Howstuffworks. مؤرشف من الأصل في 2 أبريل 2019. اطلع عليه بتاريخ 22 يوليو2006.
^ Kemmochi, Y; Tsutsumi, K; Arikawa, A; Nakazawa, H (2002). "Centrifugal concentrator for the substitution of nitrogen blow-down micro-concentration in dioxin/polychlorinated biphenyl sample preparation". Journal of Chromatography A. 943 (2): 295–297. doi:10.1016/S0021-9673(01)01466-2. PMID 11833649.
^ Kaganer, M. G.; Kozheurov, V. & Levina, Zh. L. (1967). "Vessels for the storage and transport of liquid oxygen and nitrogen". Chemical and Petroleum Engineering. 3 (12): 918–922. doi:10.1007/BF01136404.
^ Ahmed I; Agarwal S; Ilchyshyn A; Charles-Holmes S; Berth-Jones J (May 2001). "Liquid nitrogen cryotherapy of common warts: cryo-spray vs. cotton wool bud". Br. J. Dermatol. 144 (5): 1006–9. doi:10.1046/j.1365-2133.2001.04190.x. PMID 11359389.
^ Kent, Allen; Williams, James G. (1994). . 30. CRC Press. صفحة 318. ISBN . مؤرشف من الأصل في 09 مارس 2020.
^ Cleveland, David (2002) "Don't Try This at Home: Some Thoughts on Nitrate Film, With Particular Reference to Home Movie Systems" in Roger Smither and Catherine Surowiec (eds.), This Film is Dangerous: A Celebration of Nitrate Film, Brussels, FIAF, ISBN 978-2-9600296-0-4, p. 196
^ "Biology Safety – Cryogenic materials. The risks posed by them". University of Bath. مؤرشف من الأصل في 28 يناير 2012. اطلع عليه بتاريخ 03 يناير 2007.
^ Fowler, B.; Ackles, K.N.; Porlier, G. (1985). "Effects of inert gas narcosis on behavior—a critical review". Undersea Biomed. Res. 12 (4): 369–402. PMID 4082343. مؤرشف من الأصل في 27 يوليو2011. اطلع عليه بتاريخ 21 سبتمبر 2008.
^ Rogers, W. H.; Moeller, G. (1989). "Effect of brief, repeated hyperbaric exposures on susceptibility to nitrogen narcosis". Undersea Biomed. Res. 16 (3): 227–32. OCLC 2068005. PMID 2741255. مؤرشف من الأصل في 27 يوليو2011. اطلع عليه بتاريخ 21 سبتمبر 2008.
^ Acott, C. (1999). "A brief history of diving and decompression illness". South Pacific Underwater Medicine Society Journal. 29 (2). OCLC 16986801. مؤرشف من الأصل فيخمسة سبتمبر 2011. اطلع عليه بتاريخ 21 سبتمبر 2008.
^ Kindwall, E. P.; Baz, A.; Lightfoot, E. N.; Lanphier, E. H.; Seireg, A. (1975). "Nitrogen elimination in man during decompression". Undersea Biomed. Res. 2 (4): 285–97. OCLC 2068005. PMID 1226586. مؤرشف من الأصل في 27 يوليو2011. اطلع عليه بتاريخ 21 سبتمبر 2008.
^ . United Kingdom: Birkbeck, University of London. 2007. مؤرشف من الأصل في 12 يونيو2018. اطلع عليه بتاريخ 08 فبراير 2012.