7 N نيتروجين 14.007
لافلز المستوى الفرعي p الدورة 2 المجموعة 15

نيتروجين

N · العنصر 7 · لافلز

يشكل 78% من الهواء الذي تتنفسه الآن، وتربطه إحدى أقوى الروابط في الكيمياء.

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

البنية

ذرة نيتروجين

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

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

الفيزيائية

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
الموصلية الحرارية 0.0258 W/m·K 5%

الذرية

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

الإلكترونية

الكهروسلبية 3.04 97%
طاقة التأين 1401.9 kJ/mol 97%
الألفة الإلكترونية —

الوجود

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
سنة الاكتشاف1772
اكتشفهDaniel Rutherford

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

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة نيتروجين؟

نصف القطر 65 pm — أي 0.065 nm، ولذلك فإن نحو 7.69 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون نيتروجين سائلًا ضمن مجال 14 K، من 63 K إلى 77 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع نيتروجين في الدورة 2، والمجموعة 15. تشترك جميع العناصر في المجموعة 15 في العدد نفسه من الإلكترونات الخارجية، ولذلك تتصرف بطريقة متشابهة جدًا.

عناصر اللافلزات الأخرى

جميع عناصر اللافلزات

القصة

ماهيّة نيتروجين وكيف اكتشفناه

العنصر الأساسي للحياة

النيتروجين هو أكثر العناصر وفرةً في الغلاف الجوي للأرض، إذ يشكل حوالي 78% من الهواء الذي نتنفسه. هذا 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 كجو خامل 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 البيوجيوكيميائية على الأرض، إذ تتضمن تحويل النيتروجين بين أشكاله الكيميائية المختلفة عبر عمليات حيوية وكيميائية وفيزيائية.

مركبات النيتروجين أساسية للزراعة، إذ تُعد الأسمدة القائمة على النيتروجين ضرورية 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) كمبرد فائق البرودة، ويُستخدم في كل شيء بدءاً من حفظ الأغذية وصولاً إلى الإجراءات الطبية. وتجعل الطبيعة المزدوجة للعنصر، الضروري للحياة لكنه قد يكون خطراً في أشكال معينة، النيتروجين واحداً من أكثر العناصر إثارةً للاهتمام في الجدول الدوري.

الاستخدامات

استخدامات نيتروجين

التطبيقات الصناعية والتصنيع

عملية هابر-بوش وإنتاج الأسمدة

أكبر استخدام صناعي للنيتروجين هو عملية هابر-بوش، التي تحول النيتروجين الجوي إلى أمونيا (NH₃). وتتضمن هذه العملية الثورية، التي طُورت في أوائل القرن 20، تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين تحت ضغط عالٍ (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 لتصنيع الأسمدة القائمة على النيتروجين، ومنها:

  • نترات الأمونيوم (NH₄NO₃) - سماد ذو محتوى عالٍ من النيتروجين
  • اليوريا (CO(NH₂)₂) - أكثر الأسمدة النيتروجينية استخداماً في العالم
  • كبريتات الأمونيوم ((NH₄)₂SO₄) - توفر كلاً من النيتروجين والكبريت
  • فوسفات الأمونيوم - تجمع بين النيتروجين والفسفور

التصنيع الكيميائي والتخليق

يعمل النيتروجين مادةً أوليةً 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 الأدبيونتريل الذي يتحول إلى نايلون
  • الميلامين - يُستخدم في إنتاج راتنجات الميلامين-فورمالدهيد للصفائح والمواد اللاصقة
  • الأكريلونيتريل - لبنة أساسية للألياف الصناعية واللدائن

التطبيقات المبردة وتطبيقات التبريد

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

  • تصنيع الأغذية - التجميد السريع للأغذية للحفاظ على القوام والعناصر الغذائية
  • التطبيقات الطبية - الجراحة بالتبريد والعلاج بالتبريد وحفظ العينات الحيوية
  • تصنيع الإلكترونيات - تبريد الموصلات الفائقة واختبار المكونات الإلكترونية
  • البحث المختبري - 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 الرقائق - 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 freshness 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 - يمنع تغطية المنتجات بالنيتروجين الأكسدة أثناء الإنتاج والتخزين

السيارات والنقل

  • نفخ الإطارات - يحافظ النيتروجين النقي على ضغط الإطارات ثابتاً مدة أطول من الهواء
  • سباقات الفورمولا 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 حجرات العلاج بالتبريد لكامل الجسم النيتروجين للتعافي الرياضي
  • حفظ الأعضاء - يخزن النيتروجين السائل الأعضاء والأنسجة والعينات الطبية
  • تصنيع المستحضرات الصيدلانية - تمنع أجواء النيتروجين التحلل أثناء إنتاج الأدوية
  • تعبئة الأجهزة الطبية - يمنع النيتروجين تآكل الأدوات الجراحية

المختبر والبحث

  • تخزين العينات - تحفظ أوعية ديوار المحتوية على النيتروجين السائل العينات الحيوية إلى أجل غير مسمى
  • التفاعلات الكيميائية - تمنع أجواء النيتروجين تفاعلات الأكسدة غير المرغوبة
  • الكيمياء التحليلية - يعمل النيتروجين غازاً حاملاً في كروماتوغرافيا الغاز
  • أنظمة التفريغ - يزيل تطهير النيتروجين الغازات المتبقية من حجرات التفريغ

التطبيقات البيئية وتطبيقات السلامة

  • إخماد الحرائق - تحمي أنظمة إخماد الحرائق القائمة على النيتروجين مراكز البيانات والمتاحف
  • تنظيف الخزانات - يمنع جعل الخزانات خاملة 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

الوجود الطبيعي

19 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 71% من العناصر

الوفرة والمصادر الطبيعية

الوفرة في الغلاف الجوي

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

يوجد النيتروجين الجوي أساساً في صورة جزيئات ثنائية الذرة (N₂) مترابطة برابطة ثلاثية شديدة القوة (941 kJ/mol)، مما يجعله واحداً من أكثر المواد خمولا كيميائياً في الظروف العادية. ويفسر هذا الاستقرار تراكم النيتروجين الجوي على مدى مليارات السنين.

التخليق النووي النجمي والأصل الكوني

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

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

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

الوجود الجيولوجي والوفرة في القشرة

في قشرة الأرض، يُعد النيتروجين نادراً نسبياً، إذ لا يشكل إلا حوالي 0.002% من حيث الكتلة. وتشمل المعادن الطبيعية الحاملة للنيتروجين:

  • الملح الصخري (نترات البوتاسيوم، KNO₃) - يتكون في المناطق القاحلة عبر عمليات بكتيرية
  • الملح الصخري التشيلي (نترات الصوديوم، NaNO₃) - رواسب كبيرة في صحراء أتاكاما
  • النتر (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 واحدة من أهم العمليات البيوجيوكيميائية على الأرض:

تثبيت النيتروجين

تحول بكتيريا متخصصة N₂ الجوي إلى أشكال متاحة حيوياً:

  • بكتيريا الريزوبيا - علاقة تكافلية مع جذور نباتات البقوليات
  • الأزوتوباكتر - بكتيريا حرة المعيشة في التربة
  • البكتيريا الزرقاء - طحالب خضراء مزرقة في البيئات المائية
  • البرق - التفريغ الكهربائي الطبيعي ينشئ أكاسيد النيتروجين

النترتة ونزع النترتة

تحول بكتيريا التربة النيتروجين باستمرار بين حالات الأكسدة المختلفة:

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

الأنظمة البحرية والمائية

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

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

تأثير الإنسان في دورة النيتروجين

غيّرت الأنشطة البشرية دورة النيتروجين العالمية تغييراً جذرياً:

  • تثبيت النيتروجين الصناعي - تضاعف عملية هابر-بوش التثبيت الطبيعي للنيتروجين
  • 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 التداول

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

مخاطر الاختناق

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

  • إزاحة الأكسجين - يخفض النيتروجين تركيز الأكسجين إلى ما دون المستويات الآمنة (16% كحد أدنى)
  • غياب علامات التحذير - قد يفقد الضحايا الوعي 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 للأنسجة خلال ثوانٍ من التلامس.

تدابير السلامة عند التعامل مع المواد المبردة:

  • معدات الوقاية الشخصية - يلزم ارتداء قفازات معزولة ونظارات واقية وسراويل طويلة
  • ملامسة الجلد - قد تسبب قضمة صقيع فورية وتلفاً دائماً للأنسجة
  • 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 العاملون مخاطر الاختناق
  • اختبار الغلاف الجوي - المراقبة المستمرة في الأماكن المحصورة

التخزين والنقل

إجراءات التداول الآمن:

  • تخزين الأسطوانات - تخزين رأسي ثابت بعيداً عن مصادر الحرارة
  • تخفيف الضغط - يجب أن تحتوي الحاويات على أنظمة مناسبة لتحرير الضغط
  • لوائح النقل - لوائح DOT لشحن النيتروجين المضغوط والمبرد
  • كشف التسرب - الفحص المنتظم لمعدات التخزين والنقل
  • الاستجابة للطوارئ - الإجراءات المناسبة لتسربات النيتروجين أو حالات التعرض

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 - اغسل بالماء الفاتر لمدة 15 دقيقة، واطلب العناية الطبية فوراً
  • جهات اتصال الطوارئ - مكافحة السموم: 1-800-222-1222، خدمات الطوارئ: 911

الاعتبارات البيئية

الأثر البيئي واللوائح:

  • أكاسيد النيتروجين - تسهم في الأمطار الحمضية وتكوين 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

أسئلة شائعة عن نيتروجين

ما هو نيتروجين؟

نيتروجين (رمزه N) هو العنصر 7 في الجدول الدوري، وينتمي إلى لافلز في الدورة 2 والمجموعة 15. يشكل 78% من الهواء الذي تتنفسه الآن، وتربطه إحدى أقوى الروابط في الكيمياء. في درجة حرارة الغرفة، يكون غازاً.

ما التوزيع الإلكتروني لـ نيتروجين؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـنيتروجين هو [He] 2s² 2p³، ويشغل 2 مستويين من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 5. يحتوي غلافه الخارجي على 5 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.

ما نقطتا انصهار وغليان نيتروجين؟

ينصهر نيتروجين عند 63.2 K (-210 °C) ويغلي عند 77.4 K (-195.8 °C).

ما الكتلة الذرية لـ نيتروجين؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ نيتروجين ‏14.007 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة نيتروجين؟

نيتروجين غاز في درجة حرارة الغرفة؛ وتبلغ كثافته نحو 1.25 g/L عند 0 °C وضغط 1 atm — وهو أخف من الهواء تقريباً.

ما الكهروسلبية لـ نيتروجين؟

تبلغ كهروسلبية نيتروجين وفق مقياس باولنغ 3.04. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تعني قيمة كهذه الارتفاع أنه يميل إلى جذب الإلكترونات بعيدًا عن كل ما يرتبط به تقريبًا.

من اكتشف نيتروجين ومتى؟

اكتُشف نيتروجين في 1772 على يد Daniel Rutherford. سُمّي على اسم اليونانية nitron + genes، «مكوّن النتر».

ما مدى وفرة نيتروجين على الأرض؟

يشكّل نيتروجين حوالي 19 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.