ماهي خصائص غاز النيتروجين واهميته

ماهي خصائص غاز النيتروجين واهميته

نبذة عن غاز النيتروجين​

النيتروجين هو الغاز الأكثر استخدامًا في الصناعة وهو يكون العنصر النقي الأكثر شيوعًا على الأرض، النيتروجين عنصر مكوِّن للهواء ويشكل 78٪ من الغلاف الجوي، ويكون الأكسجين هو ثاني أكبر مكون للهواء حيث يشكل 21٪، تتم عملية فصل الهواء للنيتروجين لكي يتم فصله عن باقي الغازات، ويحدث النيتروجين بشكل طبيعي كجزيء يتكون من ذرتين من النيتروجين ترتبط ببعضهما البعض بواسطة رابطة ثلاثية قوية جدًا ومستقرة، وتجعل هذه الرابطة الثلاثية النيتروجين يتفاعل مع أي عنصر من العناصر الأخرى الغير محتملة، إلا في حالة ظروف الضغط الشديد ودرجة الحرارة، وهذا الخمول الكيميائي يجعل النيتروجين سائلًا مثاليًا لاستخدامه في العمليات الصناعية كما أن خموله هو مفتاح يجعل استخدامه منتشرًا، لا يحتفظ النيتروجين بجزيئات الماء على شكل بخار مما يجعل النيتروجين غازًا جافًا مع نقطة تكثف جوية تبلغ -94 درجة فهرنهايت، ويكون النيتروجين عديم اللون والرائحة.

الخصائص الفيزيائية للنيتروجين​

• غاز عديم اللون والرائحة والمذاق.
• إنه غير قابل للاشتعال ولن يدعم الاحتراق
• إنه أخف من الهواء لأن الهواء يحتوي على غاز الأكسجين (32 جم / مول)، حيث يكون غاز النيتروجين (28 جم / مول).
• قليل الذوبان في الماء [23 مل (N 2 ) / L (H 2 O) في STP].
• له تأثير محايد على ورق عباد الشمس.
• كثافته (1.25 جم / لتر عند STP).
• نقطة غليانه هي (−159.79 درجة مئوية)، ويمكن تسييله عند درجة الحرارة في الضغط الجوي العادي.

الخصائص الكيميائية للنيتروجين​

تحدث تفاعلات غاز النيتروجين مع العناصر الأخرى في وجود شرارة كهربائية ( 550 درجة مئوية) أو قوس كهربائي (3000 درجة مئوية) أو عن طريق التسخين القوي وذلك يرجع إلى صعوبة كسر الرابطة الثلاثية بين ذرتي النيتروجين في جزيء واحد منه.


-تفاعل النيتروجين مع العناصر الأخرى

• تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين (H 2 ): في وجود شرارة كهربائية (550 درجة مئوية) يتكون غاز الأمونيا (NH 3 ).
• N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) أمونيا
• تفاعل النيتروجين مع الأكسجين : في وجود قوس كهربائي (3000 درجة مئوية)، يتشكل غاز أكسيد النيتريك (NO) والذي يتحول على الفور إلى ثاني أكسيد نيتروجين (مؤكسد) (NO 2 ).
• N 2 (g) + O 2 (g) → 2 NO (g) أكسيد النيتريك
• 2NO (g) + O 2 (g) → 2 NO 2 (g) ثاني أكسيد النيتريك
• تفاعل النيتروجين مع المعادن : عند درجة حرارة عالية يتفاعل النيتروجين مع معادن مثل المغنيسيوم مما يعطي نيتريد المعدن الذي يتحلل بسهولة في الماء ويتطور غاز الأمونيا.
• 3Mg (s) + N 2 (g) → Mg 3 N 2 (s) نيتريد المغنيسيوم
• ملج 3 N 2 (s) + 6H 2 O (l) → 3Mg (OH) 2 (aq) + 2NH 3 (g)
• تفاعل النيتروجين مع كربيد الكالسيوم (CaC 2 ): في وجود القوس الكهربائي (3000 درجة مئوية)، يتشكل سياناميد الكالسيوم (CaCN 2 ) والذي يستخدم كسماد.
• CaC 2 (s) + N 2 (g) → CaCN 2 (s) + C (s)
• 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) الأمونيا.

أهمية غاز النيتروجين​

• النيتروجين (N) هو أحد اللبنات الأساسية للحياة فهو ضروري لجميع النباتات والحيوانات للبقاء على قيد الحياة، حيث يشكل النيتروجين (N2) ما يقرب من 80٪ من غلافنا الجوي ولكنه يكون شكل غير تفاعلي لا يمكننا الوصول إليه، وبالرغم من ذلك يحتاج البشر ومعظم الأنواع الأخرى على الأرض إلى النيتروجين في شكل تفاعلي “ثابت”، وهذا يوضح أهمية الغازات في حياتنا.
• النباتات هي المستخدم الرئيسي لغاز النيتروجين في التربة، ويمكنها أن تأخذ النترات من خلال نظام جذرها، وتستخدم النترات في المركب العضوي الذي يسمح للنبات بالبقاء.
• النيتروجين ضروري للحياة لأنه مكون رئيسي للبروتينات والأحماض النووية.
• يتم تحويل النيتروجين في الغلاف الجوي إلى نترات وهو شكل مهم بيولوجيًا عن طريق البرق حيث يتفاعل غاز الأكسجين مع غاز النيتروجين أثناء البرق مكونًا أكسيد النيتروجين الذي يصل إلى التربة أثناء المطر.
• يتم إطلاق مركبات النيتروجين العضوية المتطايرة في الغلاف الجوي أثناء تسوس النبات، ويساهم غاز النيتروجين في تكوين جميع الأنسجة الحية للكائنات الحية، ويستخدم كمصدر حيوي للنيتروجين بواسطة بكتيريا معينة.

مصادر غاز النيتروجين الطبيعية​

• يوجد غاز النيتروجين في البقوليات التي تحتوي على البروتين(مثل البرسيم والبازلاء وفول الصويا)، حيث تحتوي جذورها على البكتيريا العقدية التي تأخذ النيتروجين الجوي وتحولها إلى بروتين.
• تعمل النباتات على تحويل النيتروجين، لذلك سوف يعاد غاز النيتروجين إلى التربة وبهذه الطريقة سوف تحصل الحيوانات عليه، حيث تأكل الحيوانات العاشبة النباتات ويتم تحول 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 بأكملها مرة أخرى.
• وتتمثل أهمية النيتروجين للكائنات الحية في أنه يشكل المواد البروتينية التي تبني الجسم لجميع الكائنات الحية، ويتواجد غاز النيتروجين في جميع المواد البروتينية فهو المكون الرئيسي للبروتين.
• يتم توصيل النيتروجين الجوي إلى البحر والأرض في الأمطار كمركبات ذائبة (الترسيب الرطب) وكمركبات ممتصة على جزيئات الغبار والأوراق (الترسيب الجاف)

دورة النيتروجين​

تتكون دورة النيتروجين من عدة خطوات، فيما يلي نتعرف عليهم:

• 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 عمليات فيزيائية عالية الطاقة، ويكون N2 مستقر ويلزم قدر كبير من الطاقة لكسر الروابط التي تنضم إلى ذرتين N، كما يمكن تحويل N2 مباشرة إلى NO3- من خلال العمليات التي تمارس كمية هائلة من الحرارة والضغط والطاقة، وتشمل هذه العمليات: الاحتراق، والحركة البركانية، وتصريفات الصواعق، والوسائل الصناعية، وبالرغم من ذلك يتم إنشاء كمية أكبر من النيتروجين المتاح بيولوجيًا بشكل طبيعي من خلال التحويل البيولوجي لـ N2 إلى NH3 / NH4 + إلى البكتيريا الصغيرة والبكتيريا الزرقاء القادرة على استخدام إنزيم النيتروجيناز لكسر الروابط بين النيتروجين الجزيئي ودمجها مع الهيدروجين.

يعمل النيتروجينيز فقط في حالة عدم وجود الأكسجين من خلال استبعاد الأكسجين بوسائل عديدة، كما تعيش بعض البكتيريا تحت طبقات من الأكسجين باستثناء الوحل يعيش على جذور بعض النباتات، ومن أبرز البكتيريا التي تعيش في التربة Rhizobium وهي تعيش في مناطق خالية من الأكسجين في عقيدات على جذور البقوليات وبعض النباتات الخشبية الأخرى، بالإضافة إلى ذلك تكون البكتيريا الزرقاء الخيطية المائية عبارة عن خلايا تستبعد الأكسجين وتسمى هذه العملية الأكياس غير المتجانسة.

• النترتة

النترجة هي عملية من خطوتين يتم فيها تحويل NH3 / NH4 + إلى NO3-، في البداية بكتريا التربة النتريتية و المنترتة تقوم بتحويل NH3 إلى NO2-، ثم بكتيريا التربة آخر Nitrobacter، ويتأكسد NO2- إلى NO3-، ولذلك تكتسب هذه البكتيريا الطاقة من خلال هذه التحويلات وكلاهما يتطلب حدوث الأكسجين.

• نزع النتروجين

نزع النتروجين هو اختزال NO3- إلى غاز N2 بواسطة البكتيريا اللاهوائية، وتحدث هذه العملية فقط في حالة وجود القليل من الأكسجين أو انعدامه مثل عمق التربة بالقرب من منسوب المياه الجوفية، ولذلك توفر مناطق مثل الأراضي الرطبة مكانًا قيمًا لتقليل مستويات النيتروجين الزائدة عن طريق عمليات نزع النتروجين.