نیتروژن چیست؟ — به زبان ساده

نیتروژن، عنصری با نماد N و عدد اتمی ۷ در جدول تناوبی عناصر است و از اجزای اصلی اتمسفر زمین و عنصری حیاتی در بین تمام موجودات به شمار می‌آید. در دما و فشار معمول، نیتروژن آزاد، گازی بی‌رنگ،‌ بی‌بو و بدون مزه است. به عنوان یک گاز بی‌اثر، این عنصر، مقدار اکسیژن موجود را برای اکسیداسیون مواد طبیعی کاهش می‌دهد و در نتیجه از سوختن خود به خودی مواد قابل اشتعال و خوردگی فلزات جلوگیری می‌کند. همچنین موجب محافظت موجودات زنده در اثر استنشاق اکسیژن خالص می‌شود. نیتروژن موجود در زمین، به طور پیوسته در یک چرخه‌ای شامل اتمسفر، زیست‌کره (بیوسفر) و سنگ‌کره (لیتوسفر) حرکت می‌کند که نتیجه فعالیت باکتری‌ها، فرآیندهای متابولیکی موجودات زنده و تجزیه مواد آلی مدفون است.

در بدن موجودات زنده، اتم‌های نیتروژن، بخشی از ساختار مولکولی مواد مهمی همچون آمینواسیدها، پروتئین‌ها و نوکلئیک‌اسیدها هستند. در صنعت، از گاز نیتروژن به عنوان جایگزین هوا در بسته‌بندی مواد غذایی، تولید فولاد و قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود. نیتروژن مایع،‌ نوعی ماده «فوق سرد» (Cryogen) است که در منجمد کردن مواد غذایی و حمل و نقل آن‌ها بکار می‌رود. علاوه بر این، آمونیاک، از ترکیبات نیتروژن به شمار می‌آید که در کودهای شیمیایی، سنتز نیتریک اسید و دیگر ترکیبات با ارزش کاربرد دارد. نیتریک اسید، عامل اکسنده در موشک‌های سوخت مایع است. همچنین، این ماده به عنوان باروت و ماده اولیه بمب‌های TNT هم استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که از نیتروژن در ساخت داروها نیز بهره می‌گیرند.

حضور در طبیعت

نیتروژن، 78/084 درصد از حجم و 75/5 درصد از جرم هوا را تشکیل می‌دهد. معمول‌ترین ایزوتوپ آن که به نیتروژن 14 موسوم است، از فرآیندهای همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها شکل می‌گیرد.

فیلم آموزش شیمی ۳ – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

ترکیبات شامل این عنصر توسط ستاره‌شناسان مشاهده و همچنین، نیتروژن مولکولی نیز در فضای بین‌ستاره‌ای به کمک «کاوشگر طیف‌سنج فرابنفش دور» (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer)  شناسایی شده است. نیتروژن مولکولی، با مقدار بسیار کم،‌ در اتمسفر سیارات مختلف یافت می‌شود، اما این ماده در تیتان، بزرگترین قمر زحل، از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده آن به شمار می‌آید. نیتروژن در بدن موجودات زنده به عنوان بخشی از ساختار مولکولی پروتئین‌ها، نوکلئیک‌اسیدها و سایر مواد با ارزش، وجود دارد. در فضولات حیوانی به شکل‌های اوره و اسید اوره و مشتقات آن، به فراوانی یافت می‌شود.

کشف نیتروژن

نیتروژن در سال 1772 توسط شیمیدانی به نام «دنیل رادرفورد» (Daniel Rutherford) کشف شد. او مطمئن بود که در هوا، بخشی وجود دارد که مانع از احتراق است و برای آن نام «هوای مسموم» (Noxious Air) را انتخاب کرد. البته در همان زمان، این عنصر، مورد مطالعه دانشمندان دیگری هم بود که نام «هوای سوخته» (Burnt Air) به آن نسبت داده بودند.

بی‌اثر بودن گاز نیتروژن سبب شد تا «آنتوان لاوازیه» (Antoine Lavoisier) برای آن، نام «ازت» (Azote) را انتخاب کند که در زبان یونانی به معنای «بی‌جان» است. این گاز، همان ماده‌ای بود که حیوانات بر اثر استنشاق آن خفه می‌شدند و همچنین موجب خاموش شدن آتش بود. واژه ازت به کلمه فرانسوی نیتروژن تبدیل شد و همچنان در بسیاری از زبان‌های دنیا به جای نیتروژن استفاده می‌شود.

شیمی‌دان‌های قرون وسطی، آزمایشات متعددی را با ترکیبات نیتروژن انجام دادند. به طور مثال، آن‌ها با ترکیب نیتریک اسید و هیدروکلریک اسید به «آکوا رژیا» (Aqua Regia) یا همان «تیزاب سلطانی» (Royal Water) می‌رسیدند که می‌توانست طلا را در خود حل کند. همچنین، در کاربردهای اولیه صنعتی و کشاورزی ترکیبات کربن، از سدیم نیترات یا پتاسیم نیترات به عنوان کود و چاشنی انفجاری استفاده می‌کردند.

شاخصه‌های قابل توجه نیتروژن

نیتروژن در گروه 15 جدول تناوبی به عنوان سرگروه و بالاتر از فسفر قرار دارد و همچنین در تناوب دوم، میان عناصر کربن و اکسیژن جای گرفته است. نیتروژن در دسته نافلزات قرار می‌گیرد و الکترونگاتیوی برابر با ۳ دارد. هر اتم این عنصر در لایه آخر خود دارای ۵ الکترون است که در بیشتر ترکیبات، ۳ پیوند کووالانسی می‌دهد. به همین دلیل، نیتروژن، عنصری به شدت پایدار و بی‌اثر (با واکنش‌پذیری پایین) است.

گاز نیتروژن در دمای $$-196.15$$ درجه سانتی‌گراد و فشار اتمسفری به مایع تبدیل و در دمای $$-210.15$$ منجمد می‌شود. نیتروژن مایع، نوعی مایع فوق سرد به شمار می‌آید که پوست و بافت‌های زنده در تماس با آن، دچار یخ‌زدگی خواهند شد.

ایزوتوپ‌های نیتروژن

نیتروژن، دو ایزوتوپ پایدار با نمادهای $$^{14}N$$ و $$^{15}N$$ دارد که ایزوتوپ اول، بیشترین فراوانی را دارد و عقیده بر این است که این ایزوتوپ از طریق واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای موسوم به چرخه کربن-نیتروژن-اکسیژن یا همان چرخه CNO تشکیل می‌شود. در بین ۱۰ ایزوتوپی که از طریق سنتز تولید می‌شوند، $$^{13}N$$، نیمه‌عمری برابر با ۹ دقیقه دارد و نیمه‌عمر سایر ایزوتوپ‌ها کمتر از یک ثانیه است. در اتمسفر زمین، 0/73 درصد از نیتروژن مولکولی به صورت $$^{14}N^{15}N$$ و مابقی به شکل $$^{14}N_2$$ حضور دارد.

فیلم آموزش شیمی ۲ – پایه یازدهم | رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

نقش بیولوژیکی نیتروژن

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، نیتروژن از جمله عناصر ضروری در مولکول‌ آمینو‌اسیدها، پروتئین‌ها و نوکلئیک‌اسیدها به شمار می‌آید. باکتری‌های ویژه‌ای با استفاده از آنزیمی خاص، در فرآیند «تثبیت نیتروژن» (Nitrogen Fixation)، آن را به یون آمونیوم تبدیل می‌کنند که برای سایر موجودات مفید است. این فرآیند در غیاب اکسیژن انجام می‌شود و به انرژی زیادی نیاز دارد.

برخی از گیاهان، نیتروژن را به طور مستقیم و به شکل نیترات از خاک، کود شیمیایی و حیوانی و بقایای گیاهان جذب می‌کنند. نیترات‌هایی که از این طریق جذب می‌شوند، به کمک آنزیمی به نام «ردوکتاز نیترات» (Nitrate Reductasw) به نیتریت تبدیل و به کمک آنزیم ردوکتاز نیتریت، به آمونیاک تبدیل می‌شوند.

ترکیبات نیتروژن به عنوان سنگ بنای اصلی در بیولوژی حیوانات به شمار می‌آیند. حیوانات از آمینواسیدهای حاوی نیتروژن در گیاهان به عنوان ماده اولیه در تمامی ترکیبات نیتروژن‌دار استفاده می‌کنند که از میان آن‌ها می‌توان به تولید پروتئین‌ها و نوکلئیک‌اسیدها اشاره کرد. بسیاری از ماهی‌های آب شور، مقادیر زیادی «اکسید تری‌متیل آمین» (Trimethylamine Oxide) تولید می‌کنند تا در مقابل اثرات شدید اسمزی محیط پیرامون خود در امان باشند. در حیوانات، «نیتریک اکسید» (NO) از آمینواسیدها مشتق می‌شود که در گردش خون موثر هستند.

تولید گاز نیتروژن

گاز نیتروژن، نوعی گاز صنعتی است که از طریق تقطیر جزء به جزء هوای مایع به تولید می‌رسد. فناوری‌هایی که نیتروژن را از هوا جدا می‌کنند شامل روش‌هایی به نام «فرآیند جذبی تحت فشار»‌ (Pressure Swing Adsorption) و «جدایش غشایی» (Membrane Separation) هستند. علاوه بر این، نیتروژن تجاری معمولا «محصول فرعی» (by-Product) تغلیظ اکسیژن است که به هنگام فرآوری هوا جهت تهیه فولاد تولید می‌شود.

کاربردهای نیتروژن مولکولی

گاز نیتروژن، کاربردهای بسیاری دارد و در مواردی که بخواهیم از اکسیداسیون جلوگیری کنیم، جایگزین مناسبی است. برخی از کاربردهای نیتروژن در زیر آورده شده است:

• حفظ تازگی غذاها و تاخیر در ترش شدن آن‌ها
• تولید قطعات الکترونیکی همچون ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع
• استفاده از گاز خشک نیتروژن به عنوان دی‌الکتریک گازی در تجهیزات ولتاژ بالا
• تولید فولاد ضدزنگ
• استفاده در سوخت خودروهای مسابقه‌ای و باد لاستیک‌ها

اگر نیتروژن مایع را به خوبی نسبت به حرارت محیط عایق کنیم، می‌توان از آن به عنوان منبعی قابل حمل و فشرده استفاده کرد بدون اینکه نیاز باشد آن‌ را تحت فشار قرار دهیم. علاوه بر این، قابلیت حفظ دما در دمایی بسیار پایین‌تر از نقطه انجماد آب، آن را به ماده‌ای بسیار کاربردی تبدیل میکند که در یخچال‌های «چرخه باز» (Open Cycle) از آن‌ استفاده می‌شود. در ادامه به برخی از کاربردهای نیتروژن مایع اشاره می‌کنیم:

• «انجماد غوطه‌وری» (Immersion Freezing) و حمل و نقل محصولات غذایی
• سرماداری یا «حفاظت انجمادی» (Cryopreservation) خون و سایر مواد و نمونه‌های بیولوژیکی
• «سرمازیستی» (Cryonic) حیوانات برای مطالعه بیشتر
• خنک‌کننده در حسگرهای قوی و آمپلی‌فایرهای با نویز کم
• درمان امراض پوستی

ترکیبات نیتروژن

ترکیبات این عنصر را می‌توان در دو دسته ترکیبات آلی و ترکیبات معدنی جستجو کرد.

ترکیبات معدنی

برخی از ترکیبات غیرآلی نیتروژن در زیر آورده شده‌اند:

آمونیاک: اصلی‌ترین هیدرید نیتروژن، آمونیاک با فرمول $$NH_3$$ است. هیدرازین با فرمول $$N_2H_4$$ نیز از دیگر ترکیبات معدنی نیتروژن به شمار می‌آید. آمونیاک خاصیتی بازی دارد. در حالت محلول، آمونیاک با پروتون‌ها (یون‌های $$H^+$$) ترکیب می‌شود تا کاتیون آمونیوم $$NH_4$$ را تشکیل دهد. آمونیاک مایع، خاصیت آمفوتری دارد به این معنی که رفتاری همچون اسید و باز از خود نشان می‌دهد. به عنوان یک اسید،‌ آمونیاک مایع با دادن پروتون به مولکول دیگر، یون آمید $$(N H _ 2 - )$$ تشکیل می‌دهد و به عنوان باز، با جذب پروتون از مولکول دیگر، به کاتیون آمونیوم تبدیل می‌شود.

آمیدها: یک آمید معدنی، ترکیبی است که در آن، کاتیون فلز با یون آمید $$(N H _ 2 - )$$ ترکیب شده است که از نمونه‌های آن می‌توان به سدیم آمید $$(NaNH_2)$$ اشاره کرد. آمید معدنی، یک باز بسیار قوی است و در آب تجزیه می‌شود.

نیتریدها: در یک مولکول از ترکیب نیترید، اتم نیتروژن به اتمی با اکتروپوزیتیوی بیشتر متصل می‌شود. بعضی از نیتریدها همچون لیتیوم نیترید $$(Li_3N)$$ ترکیبی همچون نمک تشکیل می‌دهند چراکه در آن، نیتروژن به صورت یونی با بار $$3-$$ حضور دارد. نیتریدهای نمک‌مانند، بازهایی هستند که به سادگی در آب تفکیک می‌شوند. سایر نیتریدها همچون «بور نیترید» $$(BN)$$ واکنش‌پذیر نیستند.

آزیدها: آزید معدنی، یک نمک است که در آن، یک کاتیون فلزی با یک یا چند آنیون آزید $$N_3^-$$ ترکیب می‌شود. هر آنیون آزید، ساختاری خطی به شکل $$\mathrm{N}^{-}=\mathrm{N}^{+}=\mathrm{N}^{-}$$ با بار خالص $$-1$$ دارد. از سدیم آزید به طور معمول در کیسه‌ هوای ایمنی خودروها استفاده می‌کنند اما یون آزید، خاصیتی سمی دارد.

اکسیدها و اکسی‌اسیدها: نیتروژن، اکسیدهای مختلفی را تشکیل می‌دهد. مهم‌ترین این ترکیبات، مونواکسید و دی‌اکسید نیتروژن است. این ترکیبات هر کدام دارای یک جفت‌الکترون ناپیوندی هستند. دی‌اکسید نیتروژن، تمایل به دیمرشدن دارد و از اجزای اصلی دوده و گرد‌ و غبار به شمار می‌آید. علاوه بر این، نیتروژن، ترکیبی موسوم به دی‌نیتروژن مونواکسید (نیتروس اکسید) با فرمول $$N_2O$$ تشکیل می‌دهد که به گاز خنده معروف است. دیگر اکسیدهای نیتروژن همچون $$N_2O_3$$ و $$N_2O_5$$ به طور نسبی ناپایدار هستند و خاصیتی انفجاری دارند. اسیدهای متناظر با اکسیدها به نام «نیتروس اسید» $$(HNO_2)$$ و نیتریک اسید $$(HNO_3)$$ و نمک‌های متناظر با آن‌ها موسوم به نیتریت و نیترات هستند.

ترکیبات آلی

این عنصر،‌ در ترکیبات آلی نیز اهمیت بسیاری دارد چراکه می‌تواند به طور مستقیم با بیش از یک اتم کربن پیوند تشکیل دهد. برخی از این ترکیبات آلی در زیر آورده شد‌ه‌اند.

• آمین‌ها: در آمین‌ها، بین یک تا چهار گروه کربنی آلکیلی یا آریلی، با یک اتم نیتروژن پیوند دارند که ترکیبات متناظر آن‌ها به ترتیب موسوم به آمین نوع اول، دوم، سوم و چهارم هستند.
• آمیدها: در یک آمید، گروه کربونیل $$C=O$$، به طور مستقیم به اتم نیتروژن متصل شده و پیوند آن با نام «پیوند آمیدی» (Amide Bond) شناخته می‌شود. فرمول عمومی آمید به صورت $$R _ 1 (C O ) N R _ 2 R _3$$ است که به جای $$R_1$$ و $$R_2$$، اتم هیدروژن می‌تواند جایگزین شود. یک پپتید یا پروتئین،‌ شامل زنجیره‌ای از آمینواسیدها است که هرکدام با یک پیوند آمیدی به دیگری متصل شده‌اند.
• ترکیبات نیترو: ترکیبات نیترو، ترکیباتی هستند که دارای یک یا بیشتر گروه عاملی نیترو $$(-NO_2)$$ هستند که به طور مستقیم به اتم کربن متصل شده‌اند. بسیاری از این ترکیبات، به شدت انفجاری هستند. از نمونه‌های این ترکیبات می‌توان به «تری‌نیترو تولوئن» (TNT) و «تری‌نیترو فنول»‌ $$((O _ 2 N)_ 3 C_6H _ 2 O H )$$ اشاره کرد.
• آزیدها: آزید آلی، ترکیبی است که گروه عاملی $$N_3$$ به طور مستقیم به اتم کربن متصل است.
• ایمین‌ها: ایمین، به ترکیبی می‌گویند که دارای پیوند دوگانه کربن-نیتروژن باشد و فرمول عمومی آن‌را می‌توان به شکل $$R_ 1 R_2 C= NR_3$$ نشان داد. زمانی که ایمین با هیدروژن واکنش دهد،‌ به آمین تبدیل خواهد شد.

کاربردهای ترکیبات نیتروژن

توانایی ترکیب یا تثبیت نیتروژن مولکولی، از ویژگی‌های اصلی در شیمی صنعتی است که از نمونه‌های آن می‌توان به ترکیب این عنصر با هیدروژن برای تولید آمونیاک در فرآیند هابر اشاره کرد. همچنین، آمونیاک را می‌توان در کودهای شیمیایی و در سنتز کودهای نیتراته بکار برد یا اینکه از آن به عنوان پریکرسر (پیش‌ماده) بسیاری از مواد مهم استفاده کرد.

نمک‌های نیتریک اسید، شامل ترکیبات مهمی همچون نیتریک اسید، و آمونیوم نیترات هستند که خاصیتی انفجاری دارند و می‌توان از آن‌ها به عنوان کود بهره گرفت. ترکیبات نیتروژن‌دار دیگر همچون نیتروگلیسیرین، تری‌نیتروتولوئن و نیتروسلولز به عنوان مواد منفجره و چاشنی بمب‌ها بکار می‌روند.

علاوه بر این، از نیتریک اسید به عنوان عامل اکسنده در سوخت مایع موشک‌ها استفاده می‌شود. هیدرازین و مشتقات آن را هم به عنوان سوخت موشک بکار می‌برند. در تمامی این ترکیبات، دلیل اصلی ناپایداری و تمایل به انفجار، از این عامل مشتق می‌شود که در بیشتر موارد، نیتروژن به صورت اکسید یافت می‌شود و حالت پایدار مولکولی آن یعنی $$N_2$$ را کمتر می‌بینیم. به هنگام سوختن یا انفجار نیترات‌ها، تشکیل پیوند سه‌گانه در مولکول $$N_2$$ حاصل، منبع اصلی این انرژی زیاد است.

در پزشکی،‌ نیتروژن از اجزای تشکیل‌دهنده بسیاری از داروها به شمار می‌آید. نیتروس اکسید $$N_2O$$، در اوایل قرن نوزدهم کشف که بعدها از آن به عنوان داروی بیهوشی در عمل‌های جراحی استفاده شد. البته این ماده به گاز خنده هم معروف است و استفاده از آن سبب بروز مهارگسیختگی عقلی همچون حالات مستی می‌شود. ازجمله دیگر ترکیبات نیتروژن‌دار می‌توان به مورفین اشاره کرد که از «آلکالوئیدها» (Alkaloids) مشتق شده است. بیشتر آلکالوئیدها تاثیرات دارویی دارند و برخی از آن‌ها نیز نقش دفاع طبیعی گیاهان را در برابر شکار ایفا می‌کنند. داروهای نیتروژن‌دار مانند نیتروگلیسیرین و نیتروپروساید،‌ با افزایش حجم رگ‌های خونی، موجب کاهش فشار خون می‌شوند.

اقدامات ایمنی در خصوص نیتروژن

آزاد شدن ناگهانی گاز نیتروژن در فضای بسته،‌ موجب جابجایی کامل هیدروژن و ایجاد خطر خفگی خواهد شد. قبل از پرتاب اولین شاتل فضایی در سال 1981، ۲ تکنسین فضایی در سکوی پرتاب این شاتل کشته شدند. دلیل مرگ این افراد،‌ وجود نیتروژن فشرده برای جلوگیری از آتش‌سوزی سکو ذکر شده بود.

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

اگر این ماده با فشار جزئی بیش از ۳ اتمسفر استنشاق شود،‌ در این حالت نیتروژن همچون یک داروی بیهوشی عمل می‌کند. چنین شرایطی به هنگام غواصی در عمق بیش از ۳۰ متر بوجود می‌آید. در چنین شرایطی، شخص دچار نیتروژن نارکوسیس یا خفتگی نیتروژنی می‌شود. خفتگی نیتروژنی، شرایط بیهوشی را همانند نیتروس اکسید بوجود می‌آورد.

این عنصر همچنین در خون انحلال‌پذیر است. به هنگام شیرجه سریع به آب یا کاهش سریع فشار در دلیل انتقال فضانوردان از فشار کابین به فشار لباس (لباس فضانوردی)، شرایطی موسوم به «بیماری کاهش ناگهانی فشار» (Decompression Sickness) ایجاد خواهد شد که در این شرایط، حباب‌هایی از نیتروژن در خون تشکیل می‌شوند. علاوه بر این،‌ تماس مستقیم پوست با نیتروژن مایع، سوختگی‌های ناشی از سرمازدگی را به همراه دارد.

راه‌های شناسایی گاز نیتروژن

از دو راه می‌توان به وجود گاز نیتروژن پی برد:

• استفاده از «کاتارومتر» (Katharometer): کاتارومتر یا «آشکارساز هدایت حرارتی» (TCD) با استفاده از اندازه‌گیری هدایت حرارتی گاز، نوع گاز را مشخص می‌کند.
• لیتموس: کافی است تا کاغذ لیتموس قرمز را مرطوب کنید و آن‌را داخل لوله آزمایش قرار دهید. در ادامه،‌ لوله آزمایش را با گاز مورد نظر پر کنید. اگر کاغذ به رنگ آبی تغییر کرد،‌ در نتیجه،‌ لوله آزمایش حاوی گاز با خاصیت بازی است. اگر از کاغذ لیتموس آبی استفاده کردید و کاغذ،‌ قرمز‌رنگ شد،‌ به این معنی است که گازی اسیدی در لوله آزمایش وجود دارد. اگر هیچ تغییر رنگی در طول این دو آزمایش رخ نداد، یعنی گازی عنصری همچون نیتروژن در داخل لوله آزمایش وجود دارد. مرحله بعد، ایجاد شعله است. با ایجاد شعله‌ای کوچک و قرار دادن شعله در معرض گاز، تحت شرایط ایمن، اگر شعله افزایش پیدا کرد، به احتمال زیاد گاز مورد نظر، اکسیژن است. اما اگر شعله خاموش شد،‌ گاز مورد نظر، گازی بی‌اثر همچون نیتروژن است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی شیمی
• آموزش مقدمه‌ای بر مهندسی شیمی
• گاز نجیب — به زبان ساده
• اصطلاحات کروماتوگرافی گازی — به زبان ساده

^^