اكتشف كارل شيل، الكيميائي السويدي، ودانييل رذرفورد، عالم النبات الاسكتلندي، النيتروجين بشكل منفصل في عام 1772. كما حصل القس كافنديش ولافوازييه بشكل مستقل على النيتروجين في نفس الوقت تقريبًا. تم التعرف على النيتروجين لأول مرة كعنصر من قبل لافوازييه، الذي أطلق عليه اسم "آزو"، أي "غير حي". قام تشابتال بتسمية عنصر النيتروجين عام 1790. الاسم مشتق من الكلمة اليونانية "نيتر" (نيترات تحتوي على النيتروجين في النترات).
مصنعو إنتاج النيتروجين - مصنع وموردو إنتاج النيتروجين في الصين (xinfatools.com)
مصادر النيتروجين
النيتروجين هو العنصر الثلاثين الأكثر وفرة على وجه الأرض. وبالنظر إلى أن النيتروجين يمثل 4/5 من حجم الغلاف الجوي، أو أكثر من 78%، فإن لدينا كميات غير محدودة تقريبًا من النيتروجين متاحة لنا. يوجد النيتروجين أيضًا على شكل نترات في مجموعة متنوعة من المعادن، مثل الملح الصخري التشيلي (نترات الصوديوم)، والملح الصخري أو النترات (نترات البوتاسيوم)، والمعادن التي تحتوي على أملاح الأمونيوم. يتواجد النيتروجين في العديد من الجزيئات العضوية المعقدة، بما في ذلك البروتينات والأحماض الأمينية الموجودة في جميع الكائنات الحية
الخصائص الفيزيائية
النيتروجين N2 هو غاز عديم اللون والطعم والرائحة في درجة حرارة الغرفة، وعادة ما يكون غير سام. كثافة الغاز في الظروف القياسية هي 1.25 جم/لتر. يمثل النيتروجين 78.12% من إجمالي الغلاف الجوي (الجزء الحجمي) وهو المكون الرئيسي للهواء. ويوجد حوالي 400 تريليون طن من الغاز في الغلاف الجوي.
تحت الضغط الجوي القياسي، عند تبريده إلى -195.8 درجة مئوية، يصبح سائلًا عديم اللون. عند تبريده إلى -209.86 درجة مئوية، يصبح النيتروجين السائل مادة صلبة تشبه الثلج.
النيتروجين غير قابل للاشتعال ويعتبر غازاً خانقاً (أي أن تنفس النيتروجين النقي يحرم جسم الإنسان من الأكسجين). يتميز النيتروجين بقابلية ذوبان منخفضة جدًا في الماء. عند درجة حرارة 283 كلفن، يمكن لحجم واحد من الماء أن يذيب حوالي 0.02 حجم من N2.
الخصائص الكيميائية
يتمتع النيتروجين بخصائص كيميائية مستقرة جدًا. ومن الصعب أن تتفاعل مع مواد أخرى في درجة حرارة الغرفة، ولكنها يمكن أن تخضع لتغيرات كيميائية مع مواد معينة تحت درجات حرارة عالية وظروف طاقة عالية، ويمكن استخدامها لإنتاج مواد جديدة مفيدة للإنسان.
الصيغة المدارية الجزيئية لجزيئات النيتروجين هي KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. تساهم ثلاثة أزواج من الإلكترونات في الترابط، أي يتم تكوين رابطتين π ورابطة σ واحدة. لا يوجد أي مساهمة في الترابط، وطاقة الترابط وطاقة مكافحة الترابط معادلة تقريبًا، وهي تعادل أزواج الإلكترون الوحيدة. نظرًا لوجود رابطة ثلاثية N≡N في جزيء N2، فإن جزيء N2 يتمتع بثبات كبير، ويستغرق 941.69 كيلوجول/مول من الطاقة لتحليله إلى ذرات. وجزيء N2 هو الأكثر استقرارا بين الجزيئات ثنائية الذرة المعروفة، والكتلة الجزيئية النسبية للنيتروجين هي 28. علاوة على ذلك، ليس من السهل حرق النيتروجين ولا يدعم الاحتراق.
طريقة الاختبار
ضع شريط Mg المحترق في زجاجة تجميع الغاز المملوءة بالنيتروجين، وسيستمر شريط Mg في الاحتراق. استخرج الرماد المتبقي (مسحوق أصفر قليلاً Mg3N2)، وأضف كمية صغيرة من الماء، وأنتج غاز (الأمونيا) الذي يحول ورقة عباد الشمس الحمراء الرطبة إلى اللون الأزرق. معادلة التفاعل: 3Mg + N2 = الاشتعال = Mg3N2 (نيتريد المغنيسيوم)؛ Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3↑
خصائص الترابط وبنية رابطة التكافؤ للنيتروجين
نظرًا لأن المادة الوحيدة N2 تكون مستقرة للغاية في الظروف العادية، غالبًا ما يعتقد الناس خطأً أن النيتروجين عنصر غير نشط كيميائيًا. في الواقع، على العكس من ذلك، يحتوي عنصر النيتروجين على نشاط كيميائي مرتفع. تأتي السالبية الكهربية لـ N (3.04) في المرتبة الثانية بعد F وO، مما يشير إلى أنها يمكن أن تشكل روابط قوية مع عناصر أخرى. بالإضافة إلى ذلك، فإن استقرار جزيء المادة الوحيدة N2 يظهر فقط نشاط ذرة N. المشكلة هي أن الناس لم يجدوا بعد الظروف المثالية لتنشيط جزيئات N2 في درجة حرارة الغرفة والضغط. لكن في الطبيعة، يمكن لبعض البكتيريا الموجودة على عقيدات النباتات تحويل النيتروجين الموجود في الهواء إلى مركبات نيتروجين في ظل ظروف منخفضة الطاقة عند درجة الحرارة والضغط العاديين، واستخدامها كسماد لنمو المحاصيل.
لذلك، كانت دراسة تثبيت النيتروجين دائمًا موضوعًا مهمًا للبحث العلمي. ولذلك، فمن الضروري بالنسبة لنا أن نفهم خصائص الترابط وبنية رابطة التكافؤ للنيتروجين بالتفصيل.
نوع السند
بنية طبقة إلكترون التكافؤ لذرة N هي 2s2p3، أي أن هناك 3 إلكترونات مفردة وزوج من أزواج الإلكترون الوحيدة. وبناءً على ذلك، عند تكوين المركبات يمكن توليد أنواع الروابط الثلاثة التالية:
1. تكوين الروابط الأيونية 2. تكوين الروابط التساهمية 3. تكوين الروابط التنسيقية
1. تكوين الروابط الأيونية
تتمتع ذرات N بسالبية كهربية عالية (3.04). عندما تشكل نيتريدات ثنائية مع معادن ذات سالبية كهربية أقل، مثل Li (السالبية الكهربية 0.98)، Ca (السالبية الكهربية 1.00)، وMg (السالبية الكهربية 1.31)، يمكنها الحصول على 3 إلكترونات وتكوين أيونات N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- تحتوي الأيونات على شحنة سالبة أعلى ونصف قطر أكبر (171 م). سيتم تحللها بقوة عندما تواجه جزيئات الماء. لذلك، لا يمكن للمركبات الأيونية أن توجد إلا في حالة جافة، ولن يكون هناك أيونات مائية لـ N3-.
2. تكوين الروابط التساهمية
عندما تشكل ذرات N مركبات مع لا فلزات ذات سالبية كهربية أعلى، تتشكل الروابط التساهمية التالية:
تأخذ ذرات ⑴N حالة تهجين sp3، وتشكل ثلاث روابط تساهمية، وتحتفظ بزوج من أزواج الإلكترون الوحيدة، ويكون التكوين الجزيئي هرميًا ثلاثي الزوايا، مثل NH3، NF3، NCl3، إلخ. إذا تم تشكيل أربع روابط مفردة تساهمية، يكون التكوين الجزيئي رباعي الأسطح منتظم، مثل أيونات NH4+.
تأخذ ذرات ⑵N حالة التهجين sp2، وتشكل رابطتين تساهميتين ورابطة واحدة، وتحتفظ بزوج من أزواج الإلكترون المنفردة، ويكون التكوين الجزيئي زاويًا، مثل Cl—N=O. (تشكل ذرة N رابطة σ ورابطة π مع ذرة Cl، وزوج من أزواج الإلكترونات الوحيدة في ذرة N يجعل الجزيء مثلثيًا.) إذا لم يكن هناك زوج إلكترون وحيد، يكون التكوين الجزيئي مثلثيًا، مثل جزيء HNO3 أو NO3- أيون. في جزيء حمض النيتريك، تشكل ذرة N ثلاث روابط σ مع ثلاث ذرات O على التوالي، ويشكل زوج من الإلكترونات في مدارها π والإلكترونات المفردة لذرتين O رابطة π غير متمركزة بثلاثة مراكز وأربعة إلكترونات. في أيون النترات، تتشكل رابطة π كبيرة غير متوضعة بأربعة مراكز وستة إلكترونات بين ثلاث ذرات O وذرة N المركزية. هذا الهيكل يجعل عدد الأكسدة الظاهري لذرة N في حمض النيتريك +5. نظرًا لوجود روابط π كبيرة، تكون النترات مستقرة بدرجة كافية في الظروف العادية. تعتمد ذرة ⑶N التهجين sp لتكوين رابطة ثلاثية تساهمية وتحتفظ بزوج من أزواج الإلكترون الوحيدة. التكوين الجزيئي خطي، مثل بنية ذرة N في جزيء N2 وCN-.
3. تكوين روابط التنسيق
عندما تشكل ذرات النيتروجين مواد أو مركبات بسيطة، فإنها غالبًا ما تحتفظ بأزواج إلكترونات وحيدة، لذلك يمكن أن تكون هذه المواد أو المركبات البسيطة بمثابة مانحين لأزواج الإلكترونات للتنسيق مع الأيونات المعدنية. على سبيل المثال، [Cu(NH3)4]2+ أو [Tu(NH2)5]7، إلخ.
حالة الأكسدة - مخطط الطاقة الحرة لجيبس
يمكن أيضًا ملاحظة من مخطط الطاقة الحرة لحالة الأكسدة لجيبس للنيتروجين أنه، باستثناء أيونات NH4، فإن جزيء N2 ذو رقم أكسدة 0 يكون عند أدنى نقطة في المنحنى في المخطط، مما يشير إلى أن N2 ديناميكيًا حراريًا مستقر بالنسبة لمركبات النيتروجين ذات أرقام الأكسدة الأخرى.
إن قيم مركبات النيتروجين المختلفة ذات أرقام الأكسدة بين 0 و +5 كلها فوق الخط الذي يربط بين النقطتين HNO3 و N2 (الخط المنقط في الرسم البياني)، وبالتالي فإن هذه المركبات غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية وعرضة لتفاعلات عدم التناسب. الوحيد في الرسم البياني الذي له قيمة أقل من جزيء N2 هو أيون NH4+. [1] من مخطط الطاقة الحرة لحالة الأكسدة جيبس للنيتروجين وبنية جزيء N2، يمكن ملاحظة أن عنصر N2 غير نشط. فقط تحت درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي ووجود محفز يمكن أن يتفاعل النيتروجين مع الهيدروجين لتكوين الأمونيا: في ظل ظروف التفريغ، يمكن أن يتحد النيتروجين مع الأكسجين لتكوين أكسيد النيتريك: N2 + O2 = التفريغ = 2NO يتحد أكسيد النيتريك بسرعة مع الأكسجين لتكوين أكسيد النيتريك. يشكل ثاني أكسيد النيتروجين 2NO+O2=2NO2 يذوب ثاني أكسيد النيتروجين في الماء لتكوين حمض النيتريك، وأكسيد النيتريك 3NO2+H2O=2HNO3+NO في البلدان ذات الطاقة الكهرومائية المتقدمة، تم استخدام هذا التفاعل لإنتاج حمض النيتريك. يتفاعل N2 مع الهيدروجين لإنتاج الأمونيا: N2+3H2 === (علامة عكسية) 2NH3 يتفاعل N2 مع معادن ذات قدرة تأين منخفضة والتي تتمتع نيتريداتها بطاقة شبكية عالية لتكوين نيتريدات أيونية. على سبيل المثال: يمكن أن يتفاعل N2 مباشرة مع الليثيوم المعدني في درجة حرارة الغرفة: 6 Li + N2 === 2 Li3N N2 يتفاعل مع المعادن الأرضية القلوية Mg, Ca, Sr, Ba عند درجات الحرارة المتوهجة: 3 Ca + N2 === Ca3N2 N2 يمكن يتفاعل فقط مع البورون والألومنيوم عند درجات الحرارة المتوهجة: 2 B + N2 === 2 BN (مركب جزيء كبير) يتفاعل N2 عمومًا مع السيليكون وعناصر المجموعة الأخرى عند درجة حرارة أعلى من 1473 كلفن.
يساهم جزيء النيتروجين بثلاثة أزواج من الإلكترونات في الترابط، أي تكوين رابطتين π ورابطة σ واحدة. إنه لا يساهم في الترابط، ويتم تعويض طاقات الترابط ومضادة الترابط تقريبًا، وهي تعادل أزواج الإلكترون الوحيدة. نظرًا لوجود رابطة ثلاثية N≡N في جزيء N2، فإن جزيء N2 يتمتع بثبات كبير، ويستغرق 941.69 كيلو جول/مول من الطاقة لتحليله إلى ذرات. جزيء N2 هو الأكثر استقرارا بين الجزيئات ثنائية الذرة المعروفة، والكتلة الجزيئية النسبية للنيتروجين هي 28. علاوة على ذلك، ليس من السهل حرق النيتروجين ولا يدعم الاحتراق.
وقت النشر: 23 يوليو 2024
