النيتروجين خصائص العنصر واستخداماته

النيتروجين هو عنصر غير فلزي يرمز له الرمز الكيميائي "N" والرقم الذري 7. وهو عنصر حيوي في الغلاف الجوي للأرض، حيث يمثل ما يقرب من 78% من حيث الحجم. ويُعد النيتروجين لبنة أساسية في بناء جميع الكائنات الحية، حيث يشكل جزءًا أساسيًا من الأحماض الأمينية والأحماض النووية. كما أنه موجود في العديد من الأسمدة والمتفجرات والمواد الكيميائية الصناعية.

وصف الخواص الكيميائية

يهيمن على الخاصية الكيميائية للنيتروجين وجود رابطة ثلاثية بين ذرات النيتروجين. وهذا يجعلها مستقرة وغير تفاعلية في درجة حرارة الغرفة. كما أنه غير تفاعلي مقارنة بالغازات الأخرى مثل الأكسجين. لكن النيتروجين يتحد بشكل جيد مع عناصر أخرى مثل عملية هابر حيث يتفاعل مع الهيدروجين لإنتاج غاز الأمونيا (NH3). وتشمل بعض المركبات المهمة التي تحتوي على النيتروجين حمض النيتريك (HNO3) الذي يستخدم في صناعة الأسمدة وكذلك المتفجرات، وأكاسيد النيتروجين أو أكاسيد النيتروجين التي لها أهمية كبيرة في كيمياء الغلاف الجوي.

• الخمول إن الطبيعة الخاملة لغاز النيتروجين تجعله مفيداً كوسيط في الحالات التي تتطلب منع الأكسدة أو غيرها من التفاعلات غير المرغوب فيها.
• عامل مؤكسد: النيتروجين عامل مؤكسد عند تفاعله في تركيب حمض النيتريك والنترات.
• المركبات: يُشكِّل النيتروجين مجموعة متنوعة من المركبات، حيث تُعد الأمونيا أحد أهم هذه المركبات، وتُستخدم في الأسمدة والمواد الكيميائية الصناعية.

جدول بيانات الخواص الفيزيائية

تسلط هذه الخصائص الفيزيائية الضوء على قدرة النيتروجين على التواجد كغاز في درجة حرارة الغرفة وانخفاض درجة غليانه وانصهاره ، وهي عوامل مهمة في تطبيقاته في العمليات الصناعية التي تتطلب بيئات خاضعة للرقابة.

الاستخدامات الشائعة للنيتروجين

تمتدّ الاستخدامات المفيدة للنيتروجين في العديد من المشاريع. وفيما يلي الاستخدامات الرئيسية للنيتروجين:

الزراعة والأسمدة

النيتروجين هو أحد المغذيات الكبيرة التي تحتاجها النباتات للنمو السليم. وهو مكون رئيسي من مكونات نترات الأمونيوم وأملاح اليوريا من أحماض الكبريتيك أو الهيدروكلوريك التي تستخدم بشكل عام كأسمدة لتحسين خصوبة التربة وإنتاج المحاصيل. وتشارك مركبات النيتروجين بشكل مباشر في إنتاج البروتينات والكلوروفيل في النباتات لأن كلاهما ضروري جداً لنمو النبات بشكل سليم. وقد أدى استخدام الأسمدة النيتروجينية إلى تغيير الزراعة إلى الأفضل لأنه عزز إنتاج الغذاء.

الصناعات الغذائية

يُستخدم النيتروجين على نطاق واسع في قطاع الأغذية كمادة حافظة لها القدرة على إزاحة الأكسجين، وبالتالي تثبيط الأكسدة. ويُستخدم غاز النيتروجين عادةً كوسيلة لإزالة الأكسجين من العبوات بقصد تخزين الأغذية في ظروف منخفضة الأكسجين. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم النيتروجين السائل كمادة حافظة للأغذية في تجميد الطعام بمعدل يساعد في الاحتفاظ بقيمه الغذائية.

تصنيع الإلكترونيات وأشباه الموصلات

النيتروجين مهم جداً في صناعة الإلكترونيات حيث يستخدم في تصنيع أشباه الموصلات. فالنيتروجين غير تفاعلي للغاية، وخصائصه تجعله أحد أفضل المواد لخلق بيئات خالية من الأكسدة. ويستخدم غاز النيتروجين في ترسيب البخار والبيئات الجوية الخاضعة للتحكم في تصنيع مكونات أشباه الموصلات، مثل تلك المستخدمة في صناعة الدوائر المتكاملة.

علم التبريد والتطبيقات الطبية

يُستخدم النيتروجين، وبشكل أكثر تحديداً النيتروجين السائل، في علم التبريد كمادة حافظة في درجات حرارة منخفضة جداً للعينات البيولوجية مثل الدم والخلايا والأنسجة. ويستخدم النيتروجين في الجراحة بالتبريد للقضاء على الأنسجة غير الطبيعية عن طريق تجميدها. ويُستخدم النيتروجين في غرف الغلاف الجوي الخاضعة للتحكم، خاصةً في المعدات الحساسة المستخدمة في البيئات الطبية.

التصنيع وإنتاج المعادن

في قطاع التصنيع، تُعد استخدامات النيتروجين كغاز خامل في عمليات اللحام أو إنتاج المعادن معروفة وشائعة. ومن الاستخدامات الشائعة الأخرى للنيتروجين إنتاج شاشات العرض المسطحة والأدوات الدقيقة لتجنب أكسدة المعادن أثناء القطع بالليزر ولحام المعادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.

تقنيات التحضير

يُستخرج النيتروجين عادةً في شكله العنصري عن طريق تقطير الهواء السائل. وتتطلب هذه العملية تبريد الهواء إلى سائل والشروع في فصل الغازات التي تم الحصول عليها (الأكسجين والنيتروجين والأرجون) حسب درجات غليانها. يمكن تحضير النيتروجين في شكله العنصري عن طريق تحلل أزيد الصوديوم (NaN₃) في أكياس هوائية أو عن طريق حرق الأمونيا مع الأكسجين في درجات حرارة عالية للحصول على أكسيد النيتروجين الذي يتم تنقيته بعد ذلك.

المنتجات الصناعية ذات الصلة

يتم الحصول على عدد من السلع الصناعية من النيتروجين أو مركباته.

• الأمونيا (NH₃): يستخدم هذا بشكل رئيسي في صناعة الأسمدة، ولكنه يستخدم أيضًا في صناعة المتفجرات وفي
• حمض النيتريك (HNO₃): يُحلل في صناعة الأسمدة والمتفجرات ومواد التنظيف.
• نيتريت الصوديوم (NaNO₂): يُستخدم في حفظ الأغذية، خاصةً في حفظ اللحوم، وكذلك في تحضير الصبغات.
• غاز النيتروجين: يُستخدم في صناعة الإلكترونيات، وصناعة الأدوية، وتعبئة الأغذية لأنه غاز خامل.

التأثير الصحي والبيئة

التأثير الصحي

النيتروجين في شكله العنصري غير ضار، ولكن استنشاق تركيزات عالية من غاز النيتروجين يمكن أن يحل محل الأكسجين في الهواء، وهذا يؤدي إلى الاختناق. يُستخدم غاز النيتروجين بكميات كبيرة في عملية اللحام، ويجب أن يكون الموظفون الذين يعملون بهذا الغاز على دراية بمخاطر استنشاق تركيزات عالية من هذا الغاز.

التأثير البيئي

يمكن لمركبات النيتروجين، وخاصة أكاسيد النيتروجين، أن تسبب أضراراً بالغة للبيئة. تعتبر مركبات النيتروجين أحد الملوثات الرئيسية في الهواء وهي مسؤولة عن توليد الأمطار الحمضية، مما يضر بالبيئة وحتى بحياة الإنسان. ويؤدي الاستخدام المفرط للأسمدة النيتروجينية إلى إغناء النظم الإيكولوجية، بما في ذلك المسطحات المائية، حيث يؤدي ارتفاع نسبة المغذيات إلى تكاثر الطحالب، مما يقلل من كمية الأكسجين في الماء.

ومن ناحية أخرى، فإن النيتروجين ضروري أيضًا في الإنتاج النباتي، وقد لعب استخدامه في الأسمدة دورًا أساسيًا في الحفاظ على قدرات الإنتاج الزراعي على نطاق عالمي. ومع ذلك، فإن الإفراط في استخدامه في الأسمدة يسبب تلوث التربة ويهدد جودة المياه.

الأسئلة المتداولة

1. ما هي الاستخدامات الرئيسية للنيتروجين؟
يُستخدم النيتروجين في الزراعة ( الأسمدة)، وحفظ الأغذية، والإلكترونيات، والإلكترونيات، والتبريد، واللحام نظرًا لطبيعته الخاملة وتعدد استخداماته.

2. كيف يتم الحصول على النيتروجين للاستخدام الصناعي؟
يتم الحصول على النيتروجين في المقام الأول عن طريق التقطير التجزيئي للهواء المسال أو عن طريق تحلل مركبات مثل أزيد الصوديوم أو تفاعل الأمونيا مع الأكسجين.

3. هل النيتروجين ضار بالإنسان؟
لا يعتبر النيتروجين في شكله الطبيعي غير سام، ولكن بتركيزات عالية يمكن أن يحل محل الأكسجين، مما يؤدي إلى الاختناق. التهوية المناسبة ضرورية في البيئات التي يستخدم فيها النيتروجين بكميات كبيرة.