لماذا نيتروجين الغلاف الجوي خامل إلى هذا الحد؟
الهواء نيتروجين في نحو أربعة أخماسه، ومع ذلك فالنيتروجين هو العنصر المغذّي الأشد تقييدًا لنمو النبات في معظم الكوكب. ويُفسَّر التناقض برقم واحد.
يرتبط الجزيء N₂ برابطة ثلاثية طاقة تفككها 945 كيلوجول/مول. وللمقارنة: تكلّف الرابطة الثنائية في الأكسجين 498 كيلوجول/مول، والرابطة الأحادية في الهيدروجين 436. فالرابطة الثلاثية نيتروجين-نيتروجين هي أقوى اتحاد بين ذرتين متماثلتين في الكيمياء الاعتيادية.
وتأتي القوة من التوزيع 2p³. فبثلاثة إلكترونات في ثلاثة مدارات p، كل منها منفرد وفق قاعدة هوند، تستطيع ذرتا نيتروجين مزاوجة الأزواج الثلاثة دفعة واحدة. فتتكوّن رابطة سيغما ورابطتا باي، وتبلغ كل ذرة الثمانية دون شحنة صورية.
والنتيجة جزيء بلا ثنائي قطب، وبلا إلكترونات متاحة، وبلا مدارات منخفضة الطاقة تقبل كثافة إلكترونية. فهو كيميائيًّا يكاد يكون خاملًا كغاز نبيل عند حرارة الغرفة.
ولهذا يُستعمل جوًّا واقيًا في اللحام، وفي تعبئة الأغذية، وفي نفخ إطارات الطائرات: يزيح الأكسجين دون أن يتفاعل مع شيء.
كيف نجحت الصناعة في كسر تلك الرابطة؟
بالضغط والحرارة وحفّاز، بعد سنوات من المحاولات الفاشلة.
أثبت فريتز هابر عام 1909، على نطاق مخبري، أن النيتروجين والهيدروجين يتحدان في نشادر إن أُكرها:
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃والتفاعل باعث للحرارة، فيحابيه الترموديناميك عند الحرارة المنخفضة. لكنه عند الحرارة المنخفضة لا يجري بسرعة تُذكر. ولمّا كان ينتج جزيئات أقل مما يستهلك، فإن الضغط العالي يزيح التوازن نحو الناتج.
والحل الوسط الصناعي، الذي أوصله كارل بوش إلى النطاق الكبير في BASF نحو 1913، يعمل قرب 450 °م وبين 150 و250 جوًّا فوق حفّاز من الحديد. والمردود لكل مرور متواضع، نحو 15 %، ويُعاد تدوير الغاز غير المتفاعل.
ونال كلاهما جائزة نوبل، هابر عام 1918 وبوش عام 1931. وتستهلك الطريقة اليوم نحو 1 إلى 2 % من طاقة العالم وتسند غذاء مليارات البشر.
⚠️ والطريقة نفسها زودت ألمانيا بالنترات للمتفجرات خلال الحرب العالمية الأولى، حين قطع الحصار البحري إمداد نترات تشيلي. كما قاد هابر برنامج الحرب الكيميائية الألماني.
كيف تفعلها البكتيريا بلا ضغط ولا حرارة؟
بإنزيم لم تفلح الكيمياء الصناعية في محاكاته بعد.
يحوي النيتروجيناز عاملًا مساعدًا من حديد وموليبدنوم يكسر الرابطة الثلاثية عند حرارة وضغط الغرفة. وتدفع الخلية الثمن طاقةً كيميائية: إذ يستهلك التفاعل ست عشرة جزيئة ATP لكل N₂ مثبَّت.
والبكتيريا التي تملكه تعيش حرة في التربة أو في تكافل مع جذور البقوليات، حيث تكوّن عُقدًا مرئية. فيمنحها النبات سكريات ويتلقى أمونيوم.
ومن هنا تناوب المحاصيل: فتبديل البرسيم أو الفصّة بالحبوب يعيد نيتروجين التربة دون سماد. والممارسة موغلة في القدم ولم يأتِ تفسيرها إلا في أواخر القرن التاسع عشر.
ويُبطَل النيتروجيناز بالأكسجين، ما يُلزم البكتيريا بحمايته. فتنتج البقوليات الليغهيموغلوبين، وهو بروتين قريب من الهيموغلوبين يلتقط الأكسجين ويكسب داخل العُقد لونًا ورديًّا.
ماذا يُفعل بالنيتروجين السائل؟
التبريد أساسًا. فهو يغلي عند 77.36 كلفن تحت الضغط الجوي، ورخيص الإنتاج بتقطير الهواء، وغير قابل للاشتعال ولا سامّ.
وفي الطب يُستعمل في الجراحة بالتبريد لإتلاف نسيج بالتجميد، وفي حفظ العينات الحيوية والسائل المنوي والأجنّة. وفي الطهو يفيد في التجميد شبه الفوري، وهو ما ينتج بلورات ثلج صغيرة جدًّا وقوامًا لا تبلغه المجمّدة العادية.
وفي الصناعة يُستعمل لتهشيش المواد قبل طحنها: فمطاط الإطار، وهو مرن عند حرارة الغرفة، ينكسر كالزجاج عند 77 كلفن.
⚠️ والخطر الأساسي ليس الحرق بل الاختناق. فلتر واحد من النيتروجين السائل ينتج نحو 700 لتر غاز عند تبخره. وفي حيّز مغلق يزيح الأكسجين دون أن يُلاحَظ: فالنيتروجين لا رائحة له ولا يهيّج ولا يحدث إحساس الاختناق، الذي يتوقف على ثاني أكسيد الكربون المتراكم لا على نقص الأكسجين. وقد وقعت وفيات لهذا السبب في مختبرات.
ما فائض النيتروجين في البيئة؟
الوجه الآخر لهابر-بوش. فصنع نيتروجين تفاعلي على نطاق صناعي ضاعف تدفق دورة النيتروجين الطبيعي وزاد.
فجزء كبير من السماد المضاف لا يبلغ النبات. بل يجرفه المطر ويصل إلى الأنهار والمصبّات، حيث يغذّي نموًّا انفجاريًّا للطحالب. وحين تموت تلك الطحالب يستهلك تحللها الأكسجين المذاب ويترك مناطق لا تعيش فيها الحيوانات. وتبلغ منطقة خليج المكسيك، التي يغذّيها حوض المسيسيبي، في بعض الصيفيات آلاف الكيلومترات المربعة.
ويُطلق جزء آخر أكسيد نيتروز، N₂O، وهو غاز دفيئة أقوى نحو ثلاثمئة مرة من CO₂ لكل جزيء ويدمّر أيضًا الأوزون الستراتوسفيري.
ولا تقبل المشكلة الحل البسيط بالكفّ عن التسميد، لأن إنتاج الغذاء يتوقف عليه. والمقاربات الحالية تدور حول ضبط الجرعات بحسب الوقت والمكان، وتحسين كفاءة امتصاص المحاصيل.