خصائص غاز النيتروجين واهميته

نبذة عن غاز النيتروجين 

النيتروجين هو الغاز الأكثر استخداما في الصناعة ويمثل النيتروجين النقي الأكثر شيوعا على الأرض، حيث يتكون النيتروجين من ذرتين ترتبط ببعضهما البعض بواسطة رابطة ثلاثية قوية جدا ومستقرة، ويشكل النيتروجين مكونا أساسيا للهواء حيث يشكل 78٪ من الغلاف الجوي، بينما يشكل الأكسجين ثاني أكبر مكون للهواء حيث يشكل 21٪. وتتم عملية فصل النيتروجين عن باقي الغازات في الهواء من خلال عملية فصل الهواء. وعلى الرغم من أن النيتروجين يتفاعل مع العناصر الأخرى في ظروف الضغط الشديد ودرجة الحرارة، فإن خموله الكيميائي يجعله سائلا مثاليا للاستخدام في العمليات الصناعية، ويتميز النيتروجين بعدم احتفاظه بجزيئات الماء على شكل بخار، مما يجعله غازا جافا، ويبلغ نقطة تكثفه الجوية -94 درجة فهرنهايت، ولا يتميز النيتروجين بأي لون أو رائحة

الخصائص الفيزيائية للنيتروجين 

• غاز عديم اللون والرائحة والمذاق.
• لا يمكن اشتعاله ولن يدعم الاحتراق
• النيتروجين أخف من الهواء لأن الهواء يحتوي على غاز الأكسجين (32 جم / مول)، بينما يكون غاز النيتروجين (28 جم / مول).
• ذوبان قليل في الماء [23 مل (N2) / لتر (H2O) في درجة حرارة وضغط الغرفة].
• له تأثير محايد على ورق عباد الشمس.
• كثافته عند STP هي 1.25 جم / لتر.
• درجة غليانه تبلغ (-159.79 درجة مئوية)، ويمكن تسييله عند درجة الحرارة والضغط الجوي العادي.

الخصائص الكيميائية للنيتروجين 

تحدث تفاعلات غاز النيتروجين مع عناصر أخرى عند وجود شرارة كهربائية (550 درجة مئوية) أو قوس كهربائي (3000 درجة مئوية)، أو عن طريق التسخين الشديد، وذلك يعود إلى صعوبة تكسير الرابطة الثلاثية بين ذرتي النيتروجين في جزيء واحد.

-تفاعل النيتروجين مع العناصر الأخرى

• تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين (H 2 ): عند 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 : بوجود قوس كهربائي (3000 درجة مئوية)، يتكون غاز أكسيد النيتريك (NO) والذي يتحول على الفور إلى ثاني أكسيد النيتروجين (مؤكسد) (NO2).
• N 2 (g) + O 2 (g) → 2 NO (g) أكسيد النيتريك
• 2NO (g) + O 2 (g) → 2 NO 2 (g) ثاني أكسيد النيتروجين
• تفاعل النيتروجين مع المعادن : عند درجة حرارة مرتفعة، يتفاعل النيتروجين مع المعادن مثل المغنيسيوم، مما ينتج نيتريد المعدن الذي يتحلل بسهولة في الماء ويتطلق غاز الأمونيا
• 3Mg (s) + N 2 (g) → Mg 3 N 2 (s)، نيتريد المغنيسيوم
• ملج 3 N 2 (ص) + 6H 2 O (س) → 3Mg (OH) 2 (م) + 2NH 3 (غ)
• تفاعل النيتروجين مع كربيد الكالسيوم (CaC 2 ): عند وجود القوس الكهربائي (درجة حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية) يتشكل سياناميد الكالسيوم (CaCN2) 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) يعد أحد العناصر الأساسية للحياة؛ إذ يعد ضروريا لبقاء جميع النباتات والحيوانات على قيد الحياة. يشكل النيتروجين (N2) ما يقارب 80٪ من الغلاف الجوي، لكنه يكون في شكل غير تفاعلي لا يمكننا الوصول إليه. وعلى الرغم من ذلك، يحتاج البشر ومعظم الأنواع الأخرى على الأرض إلى النيتروجين بشكل تفاعلي `ثابت`، وهذا يوضح أهمية الغازات في حياتنا
• تستخدم النباتات النترات كمصدر رئيسي للنيتروجين في التربة، حيث يتم امتصاص النترات من خلال جذور النباتات واستخدامها في المركبات العضوية التي تساعد النبات على البقاء على قيد الحياة.
• يعتبر النيتروجين ضروريًا للحياة نظرًا لكونه مكونًا أساسيًا للبروتينات والأحماض النووية 
• يتم تحويل النيتروجين في الغلاف الجوي إلى شكل مهم بيولوجيًا وهو النترات، عن طريق البرق الذي يتفاعل خلاله غاز الأكسجين مع غاز النيتروجين ليتكون أكسيد النيتروجين، ويصل هذا المركب إلى التربة عند هطول الأمطار.
• يتم إطلاق مركبات النيتروجين العضوية المتطايرة في الغلاف الجوي أثناء تحلل النباتات، ويسهم غاز النيتروجين في تشكيل جميع الأنسجة الحية للكائنات الحية، ويستخدم كمصدر حيوي للنيتروجين من قبل بعض البكتيريا.

مصادر غاز النيتروجين الطبيعية 

• يتواجد النيتروجين في البقوليات التي تحتوي على البروتين مثل البرسيم والبازلاء وفول الصويا. فجذورها تحتوي على بكتيريا عقدية تقوم بامتصاص النيتروجين الجوي وتحويله إلى بروتين
• تعمل النباتات على تحويل النيتروجين، وبالتالي يتم إعادة غاز النيتروجين إلى التربة، وبهذه الطريقة يحصل الحيوان عليه، حيث تتناول الحيوانات العاشبة النباتات، ويتحول العديد من الأحماض الأمينية إلى بروتينات جديدة.
• تستطيع الحيوانات النهمة الحصول على غاز النيتروجين عن طريق تناولها للنباتات والحيوانات، ويتم إرجاع ذرات النيتروجين إلى التربة من خلال الكائنات الميتة، وبالتالي يمكن إعادة العملية من جديد.
• يعد النيتروجين أساسيا للكائنات الحية، حيث يشكل المواد البروتينية التي تبني جسم جميع الكائنات الحية، ويتواجد هذا الغاز في جميع المواد البروتينية كمكون رئيسي
• يتم نقل النيتروجين الجوي إلى البحر والأرض عن طريق المركبات المذابة في الأمطار (الترسيب الرطب) والمركبات الممتصة 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 عندما لا يكون هناك أكسجين متوفرا، ويتم استبعاد الأكسجين بواسطة طرق مختلفة. تعيش بعض البكتيريا تحت طبقات من الأكسجين، باستثناء الوحل الذي يعيش على جذور بعض النباتات. ومن بين البكتيريا المعروفة التي تعيش في التربة، هناك Rhizobium التي تعيش في مناطق خالية من الأكسجين على جذور البقوليات وبعض النباتات الخشبية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تتكون البكتيريا الزرقاء الخيطية المائية من خلايا تستبعد الأكسجين، ويشار إلى هذه العملية بأنها تكويس غير متجانس.

• 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 يعني خفض نسبة NO3- إلى غاز N2 بواسطة البكتيريا اللاهوائية، وتحدث هذه العملية فقط في حالة وجود القليل من الأكسجين أو عدم وجوده، مثل عمق التربة بالقرب من منسوب المياه الجوفية، ولذلك توفر مناطق مثل الأراضي الرطبة مكانا قيما لتقليل مستويات النيتروجين الزائدة عن طريق عمليات نزع النتروجين