علوم فيزيائية

خصائص غاز النيتروجين واهميته

نبذة عن غاز النيتروجين 

غاز النيتروجين هو الغاز الصناعي الأكثر استخدامًا وهو العنصر النقي الأكثر شيوعًا على الأرض. النيتروجين هو أحد مكونات الهواء ، ويشكل 78٪ من الغلاف الجوي. الأكسجين هو ثاني أكبر مكون للهواء ، حيث يمثل 21٪. تتم عملية فصل الهواء لفصل النيتروجين عن باقي الغازات. يحدث النيتروجين بشكل طبيعي كجزيء يتكون من ذرتين من النيتروجين متماسكتين معًا بواسطة رابطة ثلاثية قوية جدًا ومستقرة ، وتتسبب هذه الرابطة الثلاثية في تفاعل النيتروجين مع العناصر الأخرى ، وهو أمر غير محتمل إلا في ظل ظروف الضغط الشديد ودرجة الحرارة ، وهذا الخمول الكيميائي يجعل النيتروجين سائلًا مثاليًا للاستخدام في العمليات الصناعية ، كما أن خموله هو مفتاح استخدامه على نطاق واسع ، ولا يحتفظ النيتروجين بجزيئات الماء كبخار ، مما يجعل النيتروجين غازًا جافًا بنقطة تكثف في الغلاف الجوي تبلغ -94 درجة فهرنهايت وعديم اللون و عديم الرائحة.

الخصائص الفيزيائية للنيتروجين 

  • غاز عديم اللون والرائحة والمذاق.
  • إنه غير قابل للاشتعال ولا يحترق
  • إنه أخف من الهواء لأن الهواء يحتوي على غاز الأكسجين (32 جم / مول) بينما غاز النيتروجين (28 جم / مول).
  • قابل للذوبان في الماء قليلاً [23 مل (N 2) / L (H 2 O) عند STP].
  • له تأثير محايد على أوراق عباد الشمس.
  • كثافته (1.25 جم / لتر عند STP).
  • تبلغ درجة غليانها -159.79 درجة مئوية ويمكن تسييلها عند درجة حرارة عند الضغط الجوي العادي.

الخصائص الكيميائية للنيتروجين

تحدث تفاعلات النيتروجين الغازي مع العناصر الأخرى في وجود شرارة كهربائية (550 درجة مئوية) أو قوس كهربائي (3000 درجة مئوية) أو مع تسخين قوي ، بسبب صعوبة كسر الرابطة الثلاثية بين ذرتين من النيتروجين في واحدة جزيء النيتروجين.

شاهد أيضاً:   جدول الرموز الكيميائية مع التكافؤ

تفاعل النيتروجين مع العناصر الأخرى

  • تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين (H 2): في وجود شرارة كهربائية (550 درجة مئوية) تتكون الأمونيا الغازية (NH 3).
  • N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) أمونيا
  • يتفاعل النيتروجين مع الأكسجين: في وجود قوس كهربائي (3000 درجة مئوية) يتكون أكسيد النيتريك الغازي (NO) ، والذي يتحول على الفور إلى (مؤكسد) ثاني أكسيد النيتروجين (NO2).
  • N 2 (g) + O 2 (g) → 2NO (g) أكسيد النيتريك
  • 2NO (g) + O 2 (g) → 2NO 2 (g) ثاني أكسيد النيتروجين
  • تفاعل النيتروجين مع المعادن: في درجات الحرارة العالية ، يتفاعل النيتروجين مع المعادن مثل المغنيسيوم لتكوين نيتريد معدني ، والذي يتحلل بسهولة في الماء وينتج عنه غاز الأمونيا.
  • 3Mg (s) + N 2 (g) → Mg 3 N 2 (s) نيتريد المغنيسيوم
  • ملغ 3 N 2 (s) + 6H 2 O (l) → 3 Mg (OH) 2 (aq) + 2NH 3 (g)
  • يتفاعل النيتروجين مع كربيد الكالسيوم (CaC2): في وجود قوس كهربائي (3000 درجة مئوية) ، يتشكل سياناميد الكالسيوم (CaCN2) ، والذي يستخدم كسماد.
  • CaC2 (s) + N2 (g) → CaCN2 (ق) + C (ق)
  • يستخدم سياناميد الكالسيوم كسماد لأنه يتفاعل مع الماء وينتج غاز الأمونيا في التربة الزراعية عندما يتم ري الأرض.
  • CaCN 2 (s) + 3H 2 O (l) → CaCO 3 (s) + 2NH 3 (g) أمونيا.

أهمية غاز النيتروجين

  • النيتروجين (N) هو أحد اللبنات الأساسية للحياة. إنه ضروري لحياة جميع النباتات والحيوانات. يشكل النيتروجين (N2) ما يقرب من 80٪ من غلافنا الجوي ، ولكنه شكل غير تفاعلي لا يمكننا الوصول إليه. ومع ذلك ، يحتاجه البشر ومعظم الأنواع. يتم تحويل الآخرين على الأرض إلى نيتروجين في “صلب” شكل تفاعلي يوضح أهمية الغازات في حياتنا.
  • النباتات هي المستخدم الرئيسي للنيتروجين في التربة ويمكن أن تمتص النترات من خلال نظام الجذر الخاص بها وتستخدم النترات في المركب العضوي الذي يسمح للنبات بالبقاء على قيد الحياة.
  • غاز النيتروجين ضروري للحياة لأنه المكون الرئيسي للبروتينات والأحماض النووية.
  • يتم تحويل النيتروجين في الغلاف الجوي عن طريق البرق إلى نترات ، وهو شكل مهم بيولوجيًا ، حيث يتفاعل غاز الأكسجين مع غاز النيتروجين أثناء البرق لتكوين أكسيد النيتريك الذي يصل إلى التربة عند هطول الأمطار.
  • يتم إطلاق المركبات العضوية المتطايرة في الغلاف الجوي عندما تتحلل النباتات ، ويساهم النيتروجين الغازي في تكوين جميع الأنسجة الحية للكائنات الحية ويستخدم كمصدر أساسي للنيتروجين بواسطة بعض البكتيريا.
شاهد أيضاً:   الكيمياء العضوية وكيمياء المبلمرات يشتركان في دراسة

المصادر الطبيعية لغاز النيتروجين

  • يوجد غاز النيتروجين في البقوليات المحتوية على البروتين (مثل البرسيم والبازلاء وفول الصويا) ، التي تحتوي جذورها على بكتيريا Streptococcus التي تأخذ النيتروجين في الغلاف الجوي وتحوله إلى بروتين.
  • تقوم النباتات بتحويل النيتروجين ، لذلك سيعاد غاز النيتروجين إلى التربة وبهذه الطريقة ستحصل عليه الحيوانات ، وتأكل الحيوانات العاشبة النباتات ويتم تحويل العديد من الأحماض الأمينية إلى بروتينات جديدة.
  • يمكن للحيوانات النهمة الحصول على غاز النيتروجين عن طريق أكل كل من النباتات والحيوانات ، ويتم إرجاع ذرات النيتروجين إلى التربة في الكائنات الميتة ، لذلك يمكن أن تبدأ العملية برمتها مرة أخرى.
  • تكمن أهمية النيتروجين للكائنات الحية في أنه يشكل المواد البروتينية التي تبني الجسم لجميع الكائنات الحية ، ويتواجد غاز النيتروجين في جميع المواد البروتينية ، حيث أنه المكون الرئيسي للبروتين.
  • يتم نقل النيتروجين في الغلاف الجوي إلى البحر والأرض تحت المطر كمركبات مذابة (هطول رطب) وكمركبات ممتصة على جزيئات الغبار والأوراق (الترسيب الجاف).

دورة النيتروجين

تتكون دورة النيتروجين من عدة خطوات ، وفيما يلي نتعرف عليها:

  • تثبيت النيتروجين

تثبيت النيتروجين هو العملية التي يتم من خلالها تحويل النيتروجين الغازي (N2) إلى أمونيا (NH3 أو NH4 +) عن طريق التثبيت البيولوجي أو النترات (NO3-) من خلال العمليات الفيزيائية عالية الطاقة ، N2 مستقر ويتطلب قدر كبير من الطاقة للتكسير يمكن أيضًا تحويل الروابط التي انضمت إليها ذرتان N ، N2 مباشرة إلى NO3- من خلال العمليات التي تمارس قدرًا هائلاً من الحرارة والضغط والطاقة. وتشمل هذه العمليات: الاحتراق ، والحركة البركانية ، وتصريفات الصواعق ، والوسائل الصناعية. ومع ذلك ، يتم إنشاء كمية أكبر من النيتروجين المتاح. إنه متوفر بيولوجيًا بشكل طبيعي من خلال التحويل البيولوجي لـ N2 إلى NH3 / NH4 + إلى النباتات الدقيقة والبكتيريا الزرقاء القادرة على استخدام إنزيم النيتروجيناز لكسر الروابط بين النيتروجين الجزيئي ودمجها مع الهيدروجين.

شاهد أيضاً:   ماهي الخاصية الفيزيائية التي تفرق بين مكعبات الفضة والبلاتينيوم

يعمل النيتروجيناز فقط في حالة عدم وجود الأكسجين من خلال استبعاد الأكسجين بوسائل عديدة ، وتعيش بعض البكتيريا تحت طبقات من الأكسجين باستثناء الوحل الذي يعيش على جذور بعض النباتات ، وأبرز البكتيريا التي تعيش في التربة هي Rhizobium وهي تعيش في المناطق الخالية من الأكسجين في عقيدات الجذور البقوليات وبعض النباتات الخشبية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن البكتيريا الزرقاء الخيطية المائية هي خلايا قمع الأكسجين ، وهي عملية تسمى الكيسات غير المتجانسة.

  • النترتة

النترجة هي عملية من خطوتين يتم فيها تحويل NH3 / NH4 + إلى NO3- ، أولاً تقوم بكتيريا التربة الآزوتية بتحويل NH3 إلى NO2- ، ثم تتأكسد بكتيريا التربة الأخرى Nitrobacter ، و NO2- إلى NO3- ، لذلك هذه البكتيريا اكتساب الطاقة من خلال هذه التحويلات تتطلب حدوث الأكسجين.

  • نزع النتروجين

نزع النتروجين هو اختزال غاز NO3- إلى N2 بواسطة البكتيريا اللاهوائية ، وتحدث هذه العملية فقط في حالة وجود القليل من الأكسجين أو عدم وجوده مثل وجود الأكسجين في أعماق التربة بالقرب من منسوب المياه الجوفية ، وبالتالي توفر مناطق مثل الأراضي الرطبة مكانًا قيمًا لتقليل الفائض مستويات غاز النيتروجين من خلال عمليات نزع النتروجين.