إعطاء الملح الصخري - هكذا تُترجم كلمة النيتروجين من اللاتينية. هذا هو اسم النيتروجين - عنصر كيميائي برقم ذري 7 ، يرأس المجموعة الخامسة عشر في النسخة الطويلة من الجدول الدوري. في شكل مادة بسيطة ، يتم توزيعها في الغلاف الجوي للأرض - الغلاف الجوي. توجد مجموعة متنوعة من مركبات النيتروجين في قشرة الأرض والكائنات الحية ، وتستخدم على نطاق واسع في الصناعات والشؤون العسكرية والزراعة والطب.
لماذا سمي النيتروجين بأنه "خانق" و "هامد"
كما يشير مؤرخو الكيمياء ، كان هنري كافنديش (1777) أول من حصل على هذه المادة البسيطة. قام العالم بتمرير الهواء فوق الفحم الساخن ، مستخدمًا القلويات لامتصاص نواتج التفاعل. نتيجة التجربة ، اكتشف الباحث غازًا عديم اللون والرائحة لا يتفاعل مع الفحم. وصفه كافنديش بأنه "هواء خانق" لعدم قدرته على تحمل التنفس بالإضافة إلى الحرق.
يشرح الكيميائي الحديث أن الأكسجين يتفاعل مع الكربون ليشكل ثاني أكسيد الكربون.الجزء "الخانق" المتبقي من الهواء يتكون في الغالب من جزيئات N2. لم يعرف كافنديش وعلماء آخرون في ذلك الوقت عن هذه المادة ، على الرغم من استخدام مركبات النيتروجين والملح الصخري على نطاق واسع في الاقتصاد. أبلغ العالم زميله الذي أجرى تجارب مماثلة ، جوزيف بريستلي ، بالغاز غير المعتاد.
في الوقت نفسه ، لفت كارل شيل الانتباه إلى مكون غير معروف للهواء ، لكنه فشل في شرح مصدره بشكل صحيح. فقط دانيال رذرفورد أدرك عام 1772 أن الغاز "الخانق" "الفاسد" الموجود في التجارب هو النيتروجين. أي عالم يجب اعتباره مكتشفه - لا يزال مؤرخو العلوم يجادلون حول هذا الأمر.
15 عامًا بعد تجارب رذرفورد ، اقترح الكيميائي الشهير أنطوان لافوازييه تغيير مصطلح الهواء "الفاسد" ، في إشارة إلى النيتروجين ، إلى مصطلح آخر - النيتروجين. بحلول ذلك الوقت ، ثبت أن هذه المادة لا تحترق ولا تدعم التنفس. في الوقت نفسه ، ظهر الاسم الروسي "نيتروجين" ، والذي يتم تفسيره بطرق مختلفة. غالبًا ما يقال أن المصطلح يعني "هامدة". دحض العمل اللاحق الرأي السائد حول خصائص المادة. مركبات النيتروجين - البروتينات - هي أهم الجزيئات الكبيرة في تكوين الكائنات الحية. لبنائها ، تمتص النباتات العناصر الضرورية للتغذية المعدنية من التربة - أيونات NO32-و NH4 +.
النيتروجين عنصر كيميائي
يساعد النظام الدوري (PS) على فهم بنية الذرة وخصائصها. من خلال موضع عنصر كيميائي في الجدول الدوري ، يمكن تحديد ذلكالشحنة النووية وعدد البروتونات والنيوترونات (عدد الكتلة). من الضروري الانتباه إلى قيمة الكتلة الذرية - فهذه إحدى الخصائص الرئيسية للعنصر. رقم الفترة يتوافق مع عدد مستويات الطاقة. في الإصدار المختصر من الجدول الدوري ، يتوافق رقم المجموعة مع عدد الإلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي. دعونا نلخص جميع البيانات في الخصائص العامة للنيتروجين من خلال موقعه في النظام الدوري:
- هذا عنصر غير معدني ، يقع في الزاوية اليمنى العليا من PS.
- علامة كيميائية: N.
- رقم الطلب: 7.
- الكتلة الذرية النسبية: 14.0067.
- صيغة مركب الهيدروجين المتطاير: NH3(الأمونيا).
- ينتج أعلى أكسيد N2O5، حيث يكون تكافؤ النيتروجين هو V.
هيكل ذرة النيتروجين:
- الأساسية تهمة: + 7.
- عدد البروتونات: 7 ؛ عدد النيوترونات: 7.
- عدد مستويات الطاقة: 2.
- إجمالي عدد الإلكترونات: 7 ؛ الصيغة الإلكترونية: 1s22s22p3.
تمت دراسة النظائر المستقرة للعنصر رقم 7 بالتفصيل ، وعدد كتلتها 14 و 15. محتوى ذرات أخف منها 99.64٪. هناك أيضًا 7 بروتونات في نوى النظائر المشعة قصيرة العمر ، ويختلف عدد النيوترونات بشكل كبير: 4 ، 5 ، 6 ، 9 ، 10.
نيتروجين في الطبيعة
يحتوي الغلاف الجوي للأرض على جزيئات من مادة بسيطة ، صيغتها N2. محتوى النيتروجين الغازي في الغلاف الجوي من حيث الحجمحوالي 78.1٪. المركبات غير العضوية لهذا العنصر الكيميائي في قشرة الأرض هي أملاح الأمونيوم والنترات (النترات). صيغ المركبات وأسماء بعض أهم المواد:
- NH3 ،الأمونيا.
- لا2 ،ثاني أكسيد النيتروجين.
- NaNO3،نترات الصوديوم.
- (NH4)2SO4 ،كبريتات الأمونيوم.
تكافؤ النيتروجين في آخر مركبين - IV. الفحم والتربة والكائنات الحية تحتوي أيضًا على ذرات N مرتبطة. النيتروجين هو جزء لا يتجزأ من الجزيئات الكبيرة من الأحماض الأمينية والحمض النووي والنيوكليوتيدات والهرمونات والهيموجلوبين. يصل المحتوى الإجمالي لعنصر كيميائي في جسم الإنسان إلى 2.5٪.
مادة بسيطة
النيتروجين في شكل جزيئات ثنائية الذرة هو الجزء الأكبر من الهواء الجوي من حيث الحجم والكتلة. مادة تركيبتها N2ليس لها رائحة أو لون أو طعم. يشكل هذا الغاز أكثر من ثلثي الغلاف الجوي للأرض. في شكل سائل ، النيتروجين مادة عديمة اللون تشبه الماء. يغلي عند -195.8 درجة مئوية. M (N2)=28 جم / مول. مادة النيتروجين البسيطة أخف قليلاً من الأكسجين ، كثافتها في الهواء قريبة من 1.
ترتبط الذرات في الجزيء بثبات بثلاثة أزواج إلكترونية مشتركة. يُظهر المركب ثباتًا كيميائيًا عاليًا ، مما يميزه عن الأكسجين وعدد من المواد الغازية الأخرى. لكي يتفكك جزيء النيتروجين في الذرات المكونة له ، من الضروري إنفاق طاقة قدرها 942.9 كيلو جول / مول. الرابطة المكونة من ثلاثة أزواج من الإلكترونات قوية جدًا.تتكسر عند تسخينها فوق 2000 درجة مئوية
في ظل الظروف العادية ، لا يحدث عملياً تفكك الجزيئات إلى ذرات. يرجع الخمول الكيميائي للنيتروجين أيضًا إلى الغياب التام للقطبية في جزيئاته. يتفاعلون بشكل ضعيف للغاية مع بعضهم البعض ، وهذا هو سبب الحالة الغازية للمادة عند الضغط العادي ودرجة الحرارة القريبة من درجة حرارة الغرفة. التفاعل المنخفض للنيتروجين الجزيئي يجد تطبيقًا في عمليات وأجهزة مختلفة حيث يكون من الضروري إنشاء بيئة خاملة.
يمكن أن يحدث تفكك الجزيئات N2تحت تأثير الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي العلوي. يتكون النيتروجين الذري ، والذي يتفاعل في الظروف العادية مع بعض المعادن وغير المعدنية (الفوسفور ، الكبريت ، الزرنيخ). نتيجة لذلك ، هناك توليفة من المواد التي يتم الحصول عليها بشكل غير مباشر في ظل الظروف الأرضية.
تكافؤ النيتروجين
تتكون الطبقة الإلكترونية الخارجية للذرة من إلكترونات 2 ثانية و 3 ف. يمكن أن تستسلم هذه الجزيئات السلبية من النيتروجين عند التفاعل مع العناصر الأخرى ، وهو ما يتوافق مع خصائص الاختزال. من خلال ربط الإلكترونات الثلاثة المفقودة بالثمانية ، تُظهر الذرة قدرات مؤكسدة. الكهرسلبية للنيتروجين أقل ، وخصائصه غير المعدنية أقل وضوحًا من تلك الخاصة بالفلور والأكسجين والكلور. عند التفاعل مع هذه العناصر الكيميائية ، يتخلى النيتروجين عن الإلكترونات (يتأكسد). ويصاحب الاختزال إلى الأيونات السالبة تفاعلات مع اللافلزات والمعادن الأخرى.
التكافؤ النموذجي للنيتروجين هو III. في هذه الحالةتتشكل الروابط الكيميائية بسبب جاذبية الإلكترونات الخارجية وإنشاء أزواج (الترابط) المشتركة. النيتروجين قادر على تكوين رابطة متلقية مانحة بسبب زوجها الوحيد من الإلكترونات ، كما يحدث في أيون الأمونيوم NH4 +.
المختبر و الإنتاج الصناعي
تعتمد إحدى الطرق المعملية على الخصائص المؤكسدة لأكسيد النحاس. يتم استخدام مركب النيتروجين والهيدروجين - الأمونيا NH3. يتفاعل هذا الغاز كريه الرائحة مع مسحوق أكسيد النحاس الأسود. نتيجة التفاعل ، يتم إطلاق النيتروجين ويظهر النحاس المعدني (مسحوق أحمر). قطرات من الماء ، منتج آخر من التفاعل ، تستقر على جدران الأنبوب.
طريقة معملية أخرى تستخدم مزيجًا من النيتروجين مع المعادن هي أزيد ، مثل NaN3. اتضح غاز لا يحتاج الى تنقية من الشوائب
يتحلل نتريت الأمونيوم إلى نيتروجين وماء في المختبر. من أجل بدء التفاعل ، يلزم التسخين ، ثم تستمر العملية بإطلاق الحرارة (الطاردة للحرارة). النيتروجين ملوث بالشوائب فيتم تنقيته وتجفيفه.
إنتاج النيتروجين في الصناعة:
- التقطير التجزيئي للهواء السائل - طريقة تستخدم الخصائص الفيزيائية للنيتروجين والأكسجين (نقاط غليان مختلفة) ؛
- تفاعل كيميائي للهواء مع الفحم الحار
- فصل غاز الامتزاز.
التفاعل مع المعادن وخصائص الهيدروجين المؤكسدة
خمول الجزيئات القويةلا يسمح بالحصول على بعض مركبات النيتروجين بالتوليف المباشر. لتنشيط الذرات ، من الضروري تسخين قوي أو تشعيع للمادة. يمكن أن يتفاعل النيتروجين مع الليثيوم في درجة حرارة الغرفة ، مع المغنيسيوم والكالسيوم والصوديوم لا يحدث التفاعل إلا عند تسخينه. تتشكل النتريدات المعدنية المقابلة.
تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين يحدث في درجات حرارة وضغوط عالية. تتطلب هذه العملية أيضًا محفزًا. اتضح أن الأمونيا - أحد أهم منتجات التخليق الكيميائي. النيتروجين ، كعامل مؤكسد ، يعرض ثلاث حالات أكسدة سلبية في مركباته:
- −3 (الأمونيا ومركبات الهيدروجين الأخرى من النيتروجين هي نيتريد) ؛
- −2 (الهيدرازين N2H4) ؛
- −1 (هيدروكسيلامين NH2OH).
أهم نيتريد - الأمونيا - يتم إنتاجه بكميات كبيرة في الصناعة. ظل الخمول الكيميائي للنيتروجين يمثل مشكلة كبيرة لفترة طويلة. كان الملح الصخري مصدر المواد الخام ، لكن الاحتياطيات المعدنية بدأت في الانخفاض بسرعة مع زيادة الإنتاج.
كان الإنجاز العظيم للعلوم والممارسات الكيميائية هو إنشاء طريقة الأمونيا لتثبيت النيتروجين على نطاق صناعي. يتم إجراء التوليف المباشر في أعمدة خاصة - عملية عكسية بين النيتروجين الذي يتم الحصول عليه من الهواء والهيدروجين. عند خلق الظروف المثلى التي تحول توازن هذا التفاعل تجاه المنتج ، باستخدام محفز ، يصل إنتاج الأمونيا إلى 97٪.
التفاعل مع الأكسجين - تقليل الخصائص
لبدء تفاعل النيتروجين والأكسجين ، من الضروري تسخين قوي. يمتلك القوس الكهربائي وتفريغ البرق في الغلاف الجوي طاقة كافية. أهم المركبات غير العضوية التي يكون فيها النيتروجين في حالات الأكسدة الإيجابية:
- + 1 (أكسيد النيتريك (I) N2O) ؛
- + 2 (أول أكسيد النيتروجين NO) ؛
- + 3 (أكسيد النيتريك (III) N2O3؛ حمض النيتروز HNO2 أملاحه نيتريت) ؛
- + 4 (نيتروجين (IV) ثاني أكسيد NO2) ؛
- + 5 (خامس أكسيد النيتروجين (V) N2O5، حمض النيتريك HNO3، النترات).
معنى في الطبيعة
تمتص النباتات أيونات الأمونيوم وأنيونات النترات من التربة ، وتستخدم في التفاعلات الكيميائية تخليق الجزيئات العضوية ، التي تحدث باستمرار في الخلايا. يمكن أن تمتص بكتيريا العقيدات النيتروجين في الغلاف الجوي - وهي كائنات مجهرية تشكل نموًا على جذور البقوليات. ونتيجة لذلك تحصل هذه المجموعة من النباتات على العناصر الغذائية الضرورية وتثري التربة بها.
أثناء هطول الأمطار الاستوائية ، تحدث تفاعلات أكسدة النيتروجين في الغلاف الجوي. تتحلل الأكاسيد لتكوين الأحماض ، وتدخل مركبات النيتروجين في الماء إلى التربة. بسبب دوران العنصر في الطبيعة ، يتم تجديد احتياطياته في قشرة الأرض والهواء باستمرار. تتحلل الجزيئات العضوية المعقدة التي تحتوي على النيتروجين بواسطة البكتيريا إلى مكونات غير عضوية.
استخدام عملي
اهم الروابطالنيتروجين للزراعة أملاح عالية الذوبان. يتم استيعاب اليوريا ، الملح الصخري (الصوديوم ، البوتاسيوم ، الكالسيوم) ، مركبات الأمونيوم (محلول مائي من الأمونيا ، الكلوريد ، الكبريتات ، نترات الأمونيوم) بواسطة النباتات ، النترات. تستطيع أجزاء من الكائن النباتي تخزين المغذيات الكبيرة "للمستقبل" ، مما يؤدي إلى تدهور جودة المنتجات. زيادة النترات في الخضار والفواكه يمكن أن تسبب التسمم لدى الناس ، ونمو الأورام الخبيثة. بالإضافة إلى الزراعة ، تُستخدم مركبات النيتروجين في صناعات أخرى:
- لتلقي الأدوية ؛
- للتخليق الكيميائي للمركبات الجزيئية ؛
- في إنتاج المتفجرات من ثلاثي نيتروتولوين (TNT) ؛
- لانتاج الاصباغ
لا يستخدم أكسيد في الجراحة ، المادة لها تأثير مسكن. لوحظ فقدان الأحاسيس عند استنشاق هذا الغاز حتى من قبل الباحثين الأوائل للخصائص الكيميائية للنيتروجين. هكذا ظهر الاسم التافه "غاز الضحك".
مشكلة النترات في المنتجات الزراعية
أملاح حمض النيتريك - نترات - تحتوي على أنيون مشحون بشكل فردي NO3-. حتى الآن ، يتم استخدام الاسم القديم لهذه المجموعة من المواد - الملح الصخري. تستخدم النترات لتخصيب الحقول ، في الصوبات الزراعية والبساتين. يتم تطبيقها في أوائل الربيع قبل البذر ، في الصيف - في شكل ضمادات سائلة. المواد نفسها لا تشكل خطرا كبيرا على الإنسان ، ولكنفي الجسم ، تتحول إلى نيتريت ، ثم إلى نيتروسامينين. أيونات النتريت NO2-هي جزيئات سامة ، فهي تسبب أكسدة الحديدوز في جزيئات الهيموجلوبين إلى أيونات ثلاثية التكافؤ. في هذه الحالة المادة الرئيسية في دم الإنسان والحيوان غير قادرة على حمل الأكسجين وإزالة ثاني أكسيد الكربون من الأنسجة.
ما هو خطر تلوث الغذاء بالنترات على صحة الإنسان:
- أورام خبيثة تحدث عندما تتحول النترات إلى نيتروسامين (مواد مسرطنة) ؛
- تطور التهاب القولون التقرحي ،
- ارتفاع ضغط الدم أو ارتفاع ضغط الدم ؛
- قصور القلب
- اضطراب تخثر الدم
- تطور الكبد والبنكرياس والسكري ؛
- تطور الفشل الكلوي ؛
- فقر دم ، ضعف في الذاكرة ، انتباه ، ذكاء
الاستهلاك المتزامن لأطعمة مختلفة بجرعات عالية من النترات يؤدي إلى تسمم حاد. يمكن أن تكون المصادر نباتات ومياه شرب وأطباق لحوم جاهزة. يمكن أن يقلل النقع في الماء النظيف والطهي من محتوى النترات في الأطعمة. وجد الباحثون أنه تم العثور على جرعات أعلى من المركبات الخطرة في المنتجات النباتية غير الناضجة والمسببة للاحتباس الحراري.
الفوسفور عنصر من مجموعة النيتروجين الفرعية
ذرات العناصر الكيميائية الموجودة في نفس العمود الرأسي للنظام الدوري تظهر خصائص مشتركة. يقع الفوسفور في الفترة الثالثة ، وينتمي إلى المجموعة الخامسة عشر مثل النيتروجين. هيكل الذراتالعناصر متشابهة ، ولكن هناك اختلافات في الخصائص. النيتروجين والفوسفور يظهران حالة أكسدة سلبية والتكافؤ III في مركباتهما مع المعادن والهيدروجين.
تحدث العديد من تفاعلات الفوسفور في درجات حرارة عادية ، فهو عنصر نشط كيميائيًا. يتفاعل مع الأكسجين لتشكيل أكسيد أعلى P2O5. يحتوي المحلول المائي لهذه المادة على خصائص حمض (ميتافوسفوريك). عندما يتم تسخينه ، يتم الحصول على حمض الفوسفوريك. يشكل عدة أنواع من الأملاح ، يعمل العديد منها كأسمدة معدنية ، مثل السوبر فوسفات. تعتبر مركبات النيتروجين والفوسفور جزءًا مهمًا من دورة المواد والطاقة على كوكبنا ، فهي تستخدم في المجالات الصناعية والزراعية وغيرها من المجالات.
