نیتروژن

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی

نیتروژن:

یکی از عنصرهای جدول تناوبی عنصرها، مهم ترین عنصر تشکیل دهنده هوای کره زمین

با مازت اشتباه نشود.

نیتروژن یا ازت (به انگلیسی: Nitrogen) یکی از عنصرهای شیمیایی در جدول تناوبی است که نشان شیمیایی آن N و عدد اتمی آن ۷ است. نیتروژن معمولاً به صورت یک گاز، نافلز، دو اتمی بی اثر، بی‌رنگ، بی‌مزه و بی‌بو است که ۷۸٪ جو زمین را دربر گرفته و عنصر اصلی در بافت‌های زنده است. نیتروژن ترکیبات مهمی مانند آمونیاک، اسید نیتریک و سیانیدها را شکل می‌دهد.

ویژگی‌های کلی
ظاهر	colorless gas, liquid or جامد
جرم اتمی نسبی (Ar، استاندارد)	(۱۴٫۰۰۶۴۳، ۱۴٫۰۰۷۲۸) conventional: ۱۴٫۰۰۷
نیتروژن در جدول تناوبی
– ↑ N ↓ P کربن ← نیتروژن → اکسیژن
عدد اتمی (Z)	7
گروه	گروه ۱۵ (گروه نیتروژن)
دوره	دوره 2
بلوک	بلوک-p
آرایش الکترونی	[He] 2s2 2p3
لایه الکترونی	2, 5
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	گاز
نقطه ذوب	63.153 (-210.00 °C, ​-346.00 °F)
نقطه جوش	77.36 K ​(-195.79 °C, ​-320.3342 °F)
چگالی (در STP)	1.251 g/L
در حالت مایع (در نقطه جوش)	0.808 g/cm3
نقطه سه‌گانه	63.1526 K, ​12.53 kPa
نقطه بحرانی	126.19 K, 3.3978 MPa
حرارت همجوشی	(N2) 0.72 kJ/mol
آنتالپی تبخیر	(N2) 5.56 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	(N2) 29.124 J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) 37 41 46 53 62 77
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	−3, −2, −1, +1, +2, +3, +4, +5 (یک اکسید اسیدی قوی)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: 3.04
انرژی یونش	1st: 1402.3 kJ/mol 2nd: 2856 kJ/mol 3rd: 4578.1 kJ/mol (بیشتر)
شعاع کووالانسی	pm 71±1
شعاع واندروالسی	155 pm
خط طیف نوری نیتروژن
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​دستگاه بلوری شش‌گوشه
سرعت صوت	(gas, 27 °C) 353 m/s
رسانندگی گرمایی	25.83 × 10−3 W/(m·K)
رسانش مغناطیسی	diamagnetic
شماره ثبت سی‌ای‌اس	7727-37-9
ایزوتوپ‌های نیتروژن
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول 13N syn 9.965 min ε 2.220 13C 14N 99.634% 14N ایزوتوپ پایدار است که 7 نوترون دارد 15N 0.366% 15N ایزوتوپ پایدار است که 8 نوترون دارد

نیتروژن درخشان با درجه خلوص بالا در شیشه کوچک

The effects of nitrogen on chlorophyll

ویژگیهای درخور نگرش

چرخه نیتروژن

نوشتار اصلی: چرخه نیتروژن

نیتروژن از گروه غیرفلزات بوده و دارای بار الکترون منفی ۳٫۰ می‌باشد. نیتروژن پنج الکترون در پوسته خود داشته و در نتیجه در اکثر ترکیبات سه‌ظرفیتی است. نیتروژن خالص یک گاز بی‌اثر و بی‌رنگ است و ۷۸٪ جو زمین را به خود اختصاص داده‌است. در ۶۳K منجمد شده و در ۷۷K به صورت مایع، به ماده سرمایشی معروف سرمازا (Cryogen) تبدیل می‌شود.

~به طور کلی چرخه نیتروژن به زبان ساده عبارت است از: نیتروژنِ هوا به هنگام رعد و برق به اکسید نیتروژن تبدیل شده و در باران حل شده و جذب خاک می شود؛ در خاک این ترکیبات، توسط باکتری ها به موادی تبدیل می شوند که بوسیله گیاهان جذب می شوند. حیوانات با خوردن گیاهان، نیتروژن را وارد بدن خود می کنند، با مردن و تجزیه اندام حیوانات، دوباره نیتروژن وارد هوا می شود.

کاربردها

مهم‌ترین کاربرد اقتصادی نیتروژن برای ساخت آمونیاک از طریق فرایند هابر (Haber) است. آمونیاک معمولاً برای تولید کود و مواد تقویتی و اسید نیتریک استفاده می‌شود. نیتروژن همچنین به‌عنوان پرکننده بی اثر، در مخزن‌های بزرگ برای نگهداری مایعات قابل انفجار، در هنگام ساخت قطعات الکترونیک مانند ترانزیستور، دیود و مدار یکپارچه و همچنین برای ساخت فلزات ضدزنگ استفاده می‌شود. نیتروژن همچنین به صورت ماده خنک‌کننده، برای هم منجمد کردن غذا و هم ترابری آن، نگهداری اجساد و یاخته‌های تناسلی (اسپرم و تخمک) و غده های جنسی (بیضه و تخمدان)، و در زیست‌شناسی برای نگهداری پایدار از نمونه‌های زیستی کاربرد دارد. نمک اسید نیتریک شامل ترکیبات مهمی مانند نیترات پتاسیوم و سدیم و نیترات آمونیوم است؛ که اولی برای تولید باروت و دومی برای تولید کود به کار می‌رود. ترکیبات نیترات شده مانند نیتروگلیسرین و تری نیترو تولوئن (تی‌ان‌تی) معمولاً منفجر شونده هستند.

اسید نیتریک به عنوان ماده اکسیدکننده در مایع سوخت موشک‌ها استفاده می‌شود. هیدرازین و مشتقات آن نیز در سوخت موشک‌ها بکار می‌روند. نیتروژن اغلب در سرمازاها (Cryogens)، به صورت مایع (معمولاً LN₂) استفاده می‌شود. نیتروژن مایع با عمل تقطیر هوا به دست می‌آید. در فشار جو، نیتروژن در دمای -۱۹۵٫۸ درجه سانتیگراد (-۳۲۰٫۴ درجه فارنهایت) مایع می‌شود.

فراوانی

نیتروژن بیشترین عنصر جو کره زمین از نظر حجم است. (۷۸ درصد ) و برای اهداف صنعتی با عمل تقطیر هوای مایع بدست می‌آید. ترکیباتی که حاوی این عنصر هستند در فضای بیرونی نیز مشاهده شده‌اند. نیتروژن -۱۴ در اثر عمل همجوشی هسته‌ای در ستارگان، تولید می‌گردد. نیتروژن از ترکیبات عمده ضایعات حیوانی (مانند چلغوز یا کود) بوده و معمولاً به صورت اوره، اسید اوریک و ترکیباتی از محصولات نیتروژنی یافت می‌شود.

ترکیبات

اصلی‌ترین هیدرید نیتروژن، آمونیاک است (NH3)، البته هیدرازین (N₂H₄) نیز مشهور است. ترکیب آمونیاک ساده‌تر از آب بوده و در محلول،یون‌های آمونیوم (NH₄⁺) را تشکیل می‌دهد. آمونیاک مایع در حقیقت کمی آمفیروتیک بوده و آمونیاک و یون‌های آمینه (NH₂^–) را به‌وجود می‌آورد؛ که البته هر دو نمک آمیدها و نیترید شناخته شده‌اند، ولی در آب تجزیه می‌شوند. ترکیبات جانشین آمونیاک به تنهایی یا باهم، آمینها نامیده می‌شوند. زنجیره‌ها، حلقه‌ها و ساختارهای بزرگ‌تر هیدریدهای نیتروژنی نیز شناخته شده‌اند، ولی در واقع ناپایدار هستند.

گروه‌های دیگر آنیونهای نیتروژن، آزیدین‌ها (N₃^–) هستند، که خطی بوده و نسبت به دی‌اکسید کربن ایزو الکتریک هستند. مولکول دیگر با ساختار مشابه، مونوکسید دی نیتروژنNO یا گاز خنده است، و یکی از اکسیدهای گوناگون بوده و برجسته تر از مونوکسید نیتروژن (NO) و دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) است، که هر دوی آن‌ها الکترون غیر زوج دارند؛ که دومی تمایلی را به دوپارشدن نشان داده و از اجزای تشکیل دهنده هوای آلوده‌است.

اکسیدهای استاندارد بیشتری مانند تری‌اکسید دی نیتروژن (N₂O₃) و پنتاکسید دی نیتروژن (N₂O₅) معمولاً تا حدی نا پایدار و قابل انفجار هستند. اسیدهای متناظر آن‌ها نیتروس (HNO₂) و اسید نیتریک (HNO₃) بوده با نمک‌های متناظر که نیتریتها و نیتراتها نامیده می‌شوند. اسید نیتریک یکی از چند اسیدی است که از هیدرونیوم قوی تر است.

نقش زیست‌شناختی

نیتروژن عنصر اصلی اسیدهای آمینه و اسیدهای هسته‌ای که نیتروژن را ماده‌ای حیاتی برای ادامه زندگی می‌کنند، است. لوبیا مانند اکثر گیاهانی که دانه‌های سبوسی دارند می‌تواند عمل بازیافت نیتروژن را به‌طور مستقیم از هوا انجام دهد، چراکه ریشه‌های آن‌ها دارای برآمدگی‌هایی، برای نگهداری میکروبهایی است که عمل تبدیل به آمونیاک را فرایندی به نام تثبیت نیتروژن انجام می‌دهد، می‌باشد. این گیاهان آمونیاک را به اکسیدهای نیتروژن و آمینو اسید تبدیل کرده و پروتئین می‌سازند.

ایزوتوپ‌ها

نیتروژن دو ایزوتوپ پایدار دارد: (N-14 , N-15). که مهم‌ترین آن دو N-14 (99.634%) است که در چرخه CNO در ستارگان تولید می‌شود. مابقی، ایزوتوپ N-15 است. یکی از ده ایزوتوپی که به صورت مصنوعی تولید می‌شوند دارای نیمه عمر نه دقیقه‌ای داشته و ایزوتوپ‌های دیگر نیمه عمر چند ثانیه یا کمتر دارند.

واکنش‌های زیست‌شناختی-واسطهای (مانند همانند سازی، جذب و ترکیب نیترات سازی) و … پویایی نیتروژن در خاک را به شدت کنترل می‌کنند. این ترکیبات معمولاً باعث عمل غنی سازی N-15 لایه زیرین و تخلیه محصول می‌شود. البته این فرایند سریع اغلب مقادیری از آمونیام و نیترات نیز دربردارد، زیرا آمونیوم به صورت ترجیحی به‌وسیله سایبان جو نیترات، نگهداری می‌شود. خاک نیتراتی نسبت به خاک آمونیومی، توسط ریشه درختان بهتر جذب و ترکیب می‌شود.