7 N نيتروجين 14.007
لافلز p-block Period 2 Group 15

نيتروجين

N · Element 7 · Pnictogens

78% of the air you are breathing right now, held together by one of the strongest bonds in chemistry.

الحالة عند 20°C غاز
الكتلة الذرية 14.007 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s² 2p³

البنية

ذرة نيتروجين

ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.

سحابة المدارات

القيم المقيسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع نيتروجين بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.

فيزيائية

الكثافة 0.001 g/cm³ 3%
نقطة الانصهار 63.2 K 5%
نقطة الغليان 77.4 K 3%
الحرارة النوعية 1.04 J/g·K
التوصيل الحراري 0.03 W/m·K 6%

ذرية

نصف القطر الذري 65 pm 4%
نصف القطر التساهمي 71 pm
نصف قطر فان دير فالس 155 pm

إلكترونية

السالبية الكهربائية 3.04 97%
طاقة التأين 1401.9 kJ/mol 97%
الألفة الإلكترونية

الوفرة

الوفرة في القشرة 19 mg/kg 71%

الهوية

الرمزN
العدد الذري7
الكتلة الذرية14.007 u
الفئةلافلز
المستوى الفرعيp
البنية البلوريةسداسي
حالات الأكسدة-3, -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5
الاكتشاف1772
اكتشفهDaniel Rutherford

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق مقياس

How big is a نيتروجين atom?

Radius 65 pm — that is 0.065 nm, so about 7692 million of them side by side would span a millimetre.

النطاق الحراري

Solid, liquid, gas — and when

نيتروجين is liquid over a 14 K window, from 63 K to 77 K.

موضعه

موضعه في الجدول

نيتروجين sits in period 2, group 15. Everything in group 15 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER اللامعادن

All اللامعادن

القصة

ما هو نيتروجين، وكيف اكتشفناه

العنصر الأساسي للحياة

النيتروجين هو أكثر العناصر وفرةً في الغلاف الجوي للأرض، إذ يشكل حوالي 78% من الهواء الذي نتنفسه. وهذا الغاز عديم اللون والرائحة والخامل عموماً أساسي لجميع الكائنات الحية، إذ يشكل العمود الفقري للأحماض الأمينية والبروتينات والأحماض النووية مثل DNA وRNA.

على الرغم من وفرته، فإن النيتروجين في صورته الجزيئية (N₂) قليل التفاعل بصورة ملحوظة بسبب الرابطة الثلاثية شديدة القوة بين ذرتي النيتروجين. ويجعل هذا الخمول الكيميائي النيتروجين مفيداً بوصفه جواً خاملاً للعمليات الصناعية، لكنه يعني أيضاً أن معظم الكائنات الحية لا تستطيع استخدام النيتروجين الجوي مباشرةً في العمليات الحيوية.

معلومة طريفة: دورة النيتروجين واحدة من أهم الدورات الجيوكيميائية الحيوية على الأرض، وتنطوي على تحويل النيتروجين بين أشكاله الكيميائية المختلفة عبر عمليات حيوية وكيميائية وفيزيائية.

مركبات النيتروجين ضرورية للزراعة، إذ تُعد الأسمدة القائمة على النيتروجين أساسية لإنتاج الغذاء الحديث. ومع ذلك، يمكن للنيتروجين أيضاً أن يكون مركبات خطرة؛ فأكاسيد النيتروجين تسهم في تلوث الهواء والأمطار الحمضية، بينما أثرت المتفجرات المحتوية على النيتروجين في التاريخ العسكري.

في الصناعة، يعمل النيتروجين السائل (عند -196°C) مبرداً فائق البرودة، ويُستخدم في كل شيء بدءاً من حفظ الأغذية وصولاً إلى الإجراءات الطبية. وتجعل الطبيعة المزدوجة للعنصر - فهو ضروري للحياة، لكنه قد يكون خطراً في أشكال معينة - النيتروجين واحداً من أكثر العناصر إثارةً للاهتمام في الجدول الدوري.

الاستخدامات

فيما يُستخدم نيتروجين

التطبيقات الصناعية والتصنيع

عملية هابر-بوش وإنتاج الأسمدة

أكبر استخدام صناعي للنيتروجين هو في عملية هابر-بوش، التي تحول النيتروجين الجوي إلى الأمونيا (NH₃). وتتضمن هذه العملية الثورية، التي طُورت في أوائل القرن 20، تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين تحت ضغط مرتفع (150-200 atm) ودرجة حرارة (400-500°C) باستخدام محفز من الحديد:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

تنتج هذه العملية أكثر من 150 مليون طن من الأمونيا سنوياً، ويُستخدم حوالي 80% منها في تصنيع الأسمدة القائمة على النيتروجين، ومنها:

  • نترات الأمونيوم (NH₄NO₃) - سماد عالي المحتوى من النيتروجين
  • اليوريا (CO(NH₂)₂) - أكثر أسمدة النيتروجين استخداماً في العالم
  • كبريتات الأمونيوم ((NH₄)₂SO₄) - توفر كلاً من النيتروجين والكبريت
  • فوسفات الأمونيوم - تجمع بين النيتروجين والفسفور

تصنيع المواد الكيميائية وتخليقها

يعمل النيتروجين مادةً أولية أساسية لإنتاج العديد من المواد الكيميائية الصناعية:

  • حمض النيتريك (HNO₃) - يُنتج عبر عملية أوستفالد، ويُستخدم في المتفجرات والأسمدة والتخليق الكيميائي
  • سيانيد الهيدروجين (HCN) - أساسي لإنتاج الأدِيپونيتريل الذي يتحول إلى النايلون
  • الميلامين - يُستخدم في إنتاج راتنجات الميلامين-فورمالدهيد للصفائح والمواد اللاصقة
  • الأكريلونيتريل - مادة أساسية للألياف الاصطناعية والبلاستيك

التطبيقات المبردة والتبريد

يوفر النيتروجين السائل عند -196°C (-321°F) تبريداً بدرجات حرارة منخفضة جداً من أجل:

  • معالجة الأغذية - تجميد الأغذية سريعاً للحفاظ على قوامها وعناصرها الغذائية
  • التطبيقات الطبية - الجراحة بالتبريد والعلاج بالتبريد وحفظ العينات الحيوية
  • تصنيع الإلكترونيات - تبريد الموصلات الفائقة واختبار المكونات الإلكترونية
  • الأبحاث المختبرية - إنشاء بيئات مضبوطة منخفضة الحرارة
  • النقل - تركيب الأجزاء المعدنية بالانكماش والحفاظ على سلاسل التبريد للقاحات

علم الفلزات ومعالجة المواد

ينشئ النيتروجين أجواءً خاملة لمنع الأكسدة أثناء:

  • إنتاج الفولاذ - منع فقدان الكربون والتحكم في خصائص الفولاذ
  • لحام الألومنيوم - حماية اللحامات من التلوث الجوي
  • المعالجة الحرارية - التحكم في الجو أثناء التلدين والتقسية
  • مساحيق الفلزات - منع الأكسدة أثناء عمليات التلبيد

صناعة الإلكترونيات وأشباه الموصلات

النيتروجين عالي النقاء ضروري من أجل:

  • معالجة الرقاقات - إنشاء بيئات نظيفة خالية من الأكسجين
  • الترسيب الكيميائي للبخار - ترسيب أغشية رقيقة دون تلوث
  • عمليات اللحام - منع أكسدة المكونات الإلكترونية
  • التخزين والنقل - الحفاظ على ظروف خاملة للمواد الحساسة

التطبيقات اليومية والمنتجات الاستهلاكية

صناعة الأغذية وحفظها

  • التعبئة في جو معدل (MAP) - تطيل مدة صلاحية المنتجات الطازجة واللحوم والمخبوزات باستبدال الأكسجين بالنيتروجين
  • إنتاج النبيذ والبيرة - يمنع النيتروجين الأكسدة أثناء التخمير والتخزين والتعبئة
  • تعبئة القهوة - تحافظ أكياس القهوة المملوءة بالنيتروجين على النضارة بإزالة الأكسجين
  • الطهي وخدمات الطعام - ينشئ النيتروجين السائل تأثيرات مبهرة في فن الطهي الجزيئي
  • أكياس رقائق البطاطس - تمنع العبوات المملوءة بالنيتروجين التزنخ وتحافظ على القرمشة
  • معالجة الزيوت والدهون - تمنع تغطية المنتجات بالنيتروجين الأكسدة أثناء الإنتاج والتخزين

السيارات والنقل

  • نفخ الإطارات - يحافظ النيتروجين النقي على ضغط الإطارات ثابتاً مدة أطول من الهواء
  • سباقات Formula 1 - توفر الإطارات المملوءة بالنيتروجين تغيرات ضغط أكثر قابلية للتنبؤ
  • إطارات الطائرات - يمنع النيتروجين حرائق الإطارات ويحافظ على الضغط عند الارتفاعات العالية
  • خمول خزانات الوقود - تستخدم الطائرات العسكرية والتجارية النيتروجين لمنع انفجارات خزانات الوقود

التطبيقات الطبية والرعاية الصحية

  • الأمراض الجلدية - يزيل النيتروجين السائل الثآليل والزوائد الجلدية والآفات السابقة للتسرطن
  • العلاج بالتبريد - تستخدم غرف العلاج بالتبريد لكامل الجسم النيتروجين للتعافي الرياضي
  • حفظ الأعضاء - يخزن النيتروجين السائل الأعضاء والأنسجة والعينات الطبية
  • تصنيع المستحضرات الصيدلانية - تمنع أجواء النيتروجين التدهور أثناء إنتاج الأدوية
  • تعبئة الأجهزة الطبية - يمنع النيتروجين تآكل الأدوات الجراحية

المختبر والأبحاث

  • تخزين العينات - تحفظ أوعية النيتروجين السائل العينات الحيوية إلى أجل غير مسمى
  • التفاعلات الكيميائية - تمنع أجواء النيتروجين تفاعلات الأكسدة غير المرغوب فيها
  • الكيمياء التحليلية - يعمل النيتروجين غازاً حاملاً في كروماتوغرافيا الغاز
  • أنظمة التفريغ - تزيل إزاحة النيتروجين الغازات المتبقية من غرف التفريغ

التطبيقات البيئية وتطبيقات السلامة

  • إخماد الحرائق - تحمي أنظمة إخماد الحرائق القائمة على النيتروجين مراكز البيانات والمتاحف
  • تنظيف الخزانات - يمنع تخميل الخزانات بالنيتروجين الانفجارات أثناء صيانة خزانات الوقود
  • تطهير خطوط الأنابيب - يزيل النيتروجين الغازات القابلة للاشتعال قبل أعمال الصيانة
  • الاستجابة لانسكاب النفط - يمنع النيتروجين الاشتعال أثناء عمليات التنظيف

مصدره

وجوده الطبيعي

19 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 71% of elements

الوفرة والمصادر الطبيعية

الوفرة في الغلاف الجوي

يهيمن النيتروجين على الغلاف الجوي للأرض، إذ يشكل حوالي 78.08% من الهواء حجماً. ويحتوي هذا المستودع الهائل على ما يُقدّر بـ 3.9 × 10¹⁵ طن من غاز النيتروجين (N₂)، مما يجعله أكثر العناصر غير المتحدة وفرةً والمتاحة للحياة على الأرض.

يوجد النيتروجين الجوي أساساً في صورة جزيئات ثنائية الذرة (N₂) مترابطة برابطة ثلاثية شديدة القوة (941 kJ/mol)، مما يجعله أحد أكثر المواد خمولاً كيميائياً في الظروف العادية. ويشرح هذا الاستقرار تراكم النيتروجين الجوي خلال مليارات السنين.

التخليق النووي النجمي والأصل الكوني

يتكون النيتروجين في نوى النجوم الضخمة عبر التخليق النووي النجمي من خلال عمليتين أساسيتين:

  • دورة CNO - دورة اندماج الكربون-النيتروجين-الأكسجين التي تمد النجوم الأكبر من شمسنا بالطاقة
  • معالجة الرياح النجمية - عمليات ثانوية في النجوم المتطورة تُغني الوسط بين النجمي
  • التخليق النووي للمستعرات العظمى - ينشئ الموت النجمي الانفجاري النيتروجين ويوزعه في المجرات

يحتل النيتروجين في الكون المرتبة 7 بين أكثر العناصر وفرة، إذ تُقدّر وفرته الكونية بحوالي ذرة واحدة لكل 1,000 ذرة هيدروجين.

الوجود الجيولوجي والوفرة في القشرة

النيتروجين نادر نسبياً في قشرة الأرض، إذ لا يشكل بالوزن سوى حوالي 0.002%. وتشمل المعادن الطبيعية الحاملة للنيتروجين:

  • الملح الصخري (نترات البوتاسيوم، KNO₃) - يتشكل في المناطق القاحلة عبر عمليات بكتيرية
  • ملح تشيلي الصخري (نترات الصوديوم، NaNO₃) - رواسب كبيرة في صحراء أتاكاما
  • النطرون (نترات البوتاسيوم) - يوجد في الكهوف والتربة في مناطق الحجر الجيري
  • الرواسب العضوية - يحتوي الفحم والنفط والغاز الطبيعي على مركبات النيتروجين

دورة النيتروجين الحيوية

تمثل دورة النيتروجين إحدى أهم العمليات الجيوكيميائية الحيوية على الأرض:

تثبيت النيتروجين

تحول بكتيريا خاصة N₂ الجوي إلى أشكال متاحة حيوياً:

  • بكتيريا الريزوبِيوم - علاقة تكافلية مع جذور النباتات البقولية
  • الأزوتوباكتر - بكتيريا حرة المعيشة في التربة
  • البكتيريا الزرقاء - طحالب زرقاء مخضرة في البيئات المائية
  • البرق - ينشئ التفريغ الكهربائي الطبيعي أكاسيد النيتروجين

النترتة ونزع النترتة

تحول بكتيريا التربة النيتروجين باستمرار بين حالات الأكسدة المختلفة:

  • الأمْوَنة - يطلق التحلل الأمونيا من المواد العضوية
  • النترتة - تحويل الأمونيا إلى نتريت ثم إلى نترات
  • نزع النترتة - إعادة النترات إلى النيتروجين الجوي

الأنظمة البحرية والمائية

تحتوي أنظمة المحيطات والمياه العذبة على كميات مهمة من النيتروجين الذائب:

  • N₂ الذائب - حوالي 15 mg/L في مياه البحر عند الظروف القياسية
  • النترات والنتريتات - مغذيات أساسية للعوالق النباتية البحرية
  • النيتروجين العضوي - البروتينات والأحماض النووية في الكائنات البحرية
  • الفوهات الحرارية المائية - تثبت بكتيريا متخصصة النيتروجين في بيئات المحيطات العميقة

تأثير الإنسان في دورة النيتروجين

غيّرت الأنشطة البشرية دورة النيتروجين العالمية تغييراً كبيراً:

  • تثبيت النيتروجين الصناعي - تضاعف عملية هابر-بوش تثبيت النيتروجين الطبيعي
  • الجريان السطحي الزراعي - تسبب الأسمدة الزائدة الإثراء الغذائي في المسطحات المائية
  • احتراق الوقود الأحفوري - يطلق أكاسيد النيتروجين التي تسهم في تلوث الهواء
  • إزالة الغابات - تعطل دورة النيتروجين الطبيعية في النظم البيئية للغابات

التعامل

السلامة

معلومات السلامة واحتياطات التعامل

خطر: يمكن أن يسبب غاز النيتروجين اختناقاً سريعاً دون تحذير. وفي الأماكن المحصورة، يزيح النيتروجين الأكسجين ويمكن أن يؤدي إلى فقدان الوعي والوفاة خلال ثوانٍ.

مخاطر الاختناق

سمية غاز النيتروجين: رغم أن النيتروجين نفسه غير سام، فإنه يشكل مخاطر شديدة للاختناق:

  • إزاحة الأكسجين - يخفض النيتروجين تركيز الأكسجين إلى ما دون المستويات الآمنة (16% كحد أدنى)
  • عدم وجود علامات تحذيرية - قد يفقد الضحايا وعيهم دون الشعور بصعوبة في التنفس
  • بدء سريع - قد يحدث فقدان الوعي خلال 1-2 نفس في البيئات عالية التركيز
  • قاتل صامت - لا يوفر الغاز عديم اللون والرائحة أي تحذير حسي

المخاطر المبردة (النيتروجين السائل)

برودة شديدة: يمكن أن يسبب النيتروجين السائل عند -196°C قضمة صقيع شديدة وتلفاً في الأنسجة خلال ثوانٍ من التلامس.

تدابير السلامة عند التعامل مع المواد المبردة:

  • معدات الوقاية الشخصية - يلزم استخدام قفازات عازلة ونظارات واقية وسراويل طويلة
  • ملامسة الجلد - قد تسبب قضمة صقيع فورية وتلفاً دائماً في الأنسجة
  • حماية العينين - الحماية من الرذاذ ضرورية لمنع تجمد القرنية
  • تمدد البخار - يتمدد لتر واحد من النيتروجين السائل إلى 694 لتراً من الغاز
  • تراكم الضغط - قد تنفجر الحاويات المغلقة بسبب التمدد السريع

معايير السلامة الصناعية

لوائح OSHA وحدود مكان العمل:

  • مراقبة الأكسجين - مطلوبة في المناطق التي يُستخدم فيها النيتروجين أو يُخزن
  • أنظمة التهوية - تمنع حركة الهواء الكافية استنفاد الأكسجين
  • إجراءات الطوارئ - بروتوكولات الإنقاذ للحوادث المرتبطة بالنيتروجين
  • متطلبات التدريب - يجب أن يفهم العمال مخاطر الاختناق
  • اختبار الغلاف الجوي - مراقبة مستمرة في الأماكن المحصورة

التخزين والنقل

إجراءات التعامل الآمن:

  • تخزين الأسطوانات - تخزين رأسي محكم بعيداً عن مصادر الحرارة
  • تخفيف الضغط - يجب أن تكون للحاويات أنظمة مناسبة لتحرير الضغط
  • لوائح النقل - لوائح DOT لشحن النيتروجين المضغوط والمبرد
  • كشف التسرب - فحص منتظم لمعدات التخزين والنقل
  • الاستجابة للطوارئ - إجراءات مناسبة لتسرب النيتروجين أو التعرض له

الإسعافات الأولية والاستجابة للطوارئ

إجراءات الاستجابة الفورية:

  • الاختناق - انقل المصاب إلى الهواء النقي فوراً، وقدم التنفس الاصطناعي عند الحاجة
  • الحروق المبردة - أبعد المصاب عن مصدر البرودة، ودفئ المنطقة المصابة تدريجياً بالماء الفاتر
  • ملامسة العينين - اغسلهما بالماء الفاتر مدة 15 دقيقة، واطلب العناية الطبية فوراً
  • جهات الاتصال في حالات الطوارئ - مركز مكافحة السموم: 1-800-222-1222، خدمات الطوارئ: 911

الاعتبارات البيئية

التأثير البيئي واللوائح:

  • أكاسيد النيتروجين - تسهم في الأمطار الحمضية وتكوّن الأوزون
  • الإثراء الغذائي - يسبب النيتروجين الزائد ازدهار الطحالب واضطراب النظم البيئية المائية
  • تأثيرات الاحتباس الحراري - أكسيد النيتروز (N₂O) غاز دفيئة قوي
  • الجريان السطحي الزراعي - تسهم الأسمدة النيتروجينية في تلوث المياه
  • التخلص من النفايات - طرق التخلص السليمة من المركبات المحتوية على النيتروجين

إجابات سريعة

نيتروجين: أسئلة شائعة

What is نيتروجين?

نيتروجين (symbol N) is element 7 on the periodic table, a لافلز in period 2, group 15. 78% of the air you are breathing right now, held together by one of the strongest bonds in chemistry. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of نيتروجين?

نيتروجين's ground-state electron configuration is [He] 2s² 2p³, giving 2 occupied shells holding 2, 5 electrons respectively. Its outer shell holds 5 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of نيتروجين?

نيتروجين melts at 63.2 K (-210 °C) and boils at 77.4 K (-195.8 °C).

What is the atomic mass of نيتروجين?

The standard atomic weight of نيتروجين is 14.007 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is نيتروجين?

نيتروجين is a gas at room temperature; its density is about 1.25 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.

What is the electronegativity of نيتروجين?

نيتروجين has a Pauling electronegativity of 3.04. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this high means it tends to pull electrons away from almost anything it bonds with.

Who discovered نيتروجين, and when?

نيتروجين was discovered in 1772 by Daniel Rutherford. It is named after greek nitron + genes, "niter-forming".

How common is نيتروجين on Earth?

نيتروجين makes up about 19 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.