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.
N · العنصر 7 · لافلز
يشكل 78% من الهواء الذي تتنفسه الآن، وتربطه إحدى أقوى الروابط في الكيمياء.
البنية
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.
القيم المقاسة
يوضح كل شريط موضع نيتروجين بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق المقياس
نصف القطر 65 pm — أي 0.065 nm، ولذلك فإن نحو 7.69 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.
المدى الحراري
يكون نيتروجين سائلًا ضمن مجال 14 K، من 63 K إلى 77 K.
القصة
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
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:
يعمل النيتروجين مادةً أوليةً أساسية لإنتاج العديد من المواد الكيميائية الصناعية:
يوفر النيتروجين السائل عند -196°C (-321°F) تبريداً بدرجات حرارة فائقة الانخفاض من أجل:
ينشئ النيتروجين أجواءً خاملة لمنع الأكسدة أثناء:
النيتروجين عالي النقاء ضروري من أجل:
مصدره
19 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 71% من العناصر
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.
يتكون النيتروجين في نوى النجوم الضخمة من خلال التخليق النووي النجمي عبر عمليتين أساسيتين:
في الكون، يحتل النيتروجين المرتبة 7 بين أكثر العناصر وفرة، إذ تُقدّر وفرته الكونية بحوالي ذرة واحدة لكل 1,000 ذرة هيدروجين.
في قشرة الأرض، يُعد النيتروجين نادراً نسبياً، إذ لا يشكل إلا حوالي 0.002% من حيث الكتلة. وتشمل المعادن الطبيعية الحاملة للنيتروجين:
تمثل دورة النيتروجين واحدة من أهم العمليات البيوجيوكيميائية على الأرض:
تحول بكتيريا متخصصة N₂ الجوي إلى أشكال متاحة حيوياً:
تحول بكتيريا التربة النيتروجين باستمرار بين حالات الأكسدة المختلفة:
تحتوي أنظمة المحيطات والمياه العذبة على كميات مهمة من النيتروجين المذاب:
غيّرت الأنشطة البشرية دورة النيتروجين العالمية تغييراً جذرياً:
التعامل
سمية غاز النيتروجين: رغم أن النيتروجين نفسه غير سام، فإنه يشكل مخاطر اختناق شديدة:
تدابير السلامة عند التعامل مع المواد المبردة:
لوائح OSHA وحدود مكان العمل:
إجراءات التداول الآمن:
إجراءات الاستجابة الفورية:
الأثر البيئي واللوائح:
إجابات سريعة
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.
[He] 2s² 2p³، ويشغل 2 مستويين من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 5. يحتوي غلافه الخارجي على 5 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.ينصهر نيتروجين عند 63.2 K (-210 °C) ويغلي عند 77.4 K (-195.8 °C).
تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ نيتروجين 14.007 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.
نيتروجين غاز في درجة حرارة الغرفة؛ وتبلغ كثافته نحو 1.25 g/L عند 0 °C وضغط 1 atm — وهو أخف من الهواء تقريباً.
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.
اكتُشف نيتروجين في 1772 على يد Daniel Rutherford. سُمّي على اسم اليونانية nitron + genes، «مكوّن النتر».
يشكّل نيتروجين حوالي 19 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.