الجدول الدوري

نيتروجين (N)

Howard Birdsong جُمع من مصادر أولية: IUPAC وNIST وPubChem

النيتروجين هو العنصر رقم 7، رمزه N، توزيعه الإلكتروني [He] 2s² 2p³، وكتلته الذرية المعيارية محصورة بين 14.00643 و14.00728 وحدة. يكوّن الجزيء الثنائي N₂، ورابطته الثلاثية البالغة 945 كيلوجول/مول من أقوى ما يُعرف.

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 NH₃

والتفاعل 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.

حقائق أساسية

Z
7
Atomic weight
14.007 u
Category
لافلز نشط
State at 298 K
Gas
Occurrence
primordial
Discovered
1772
CAS
17778-88-0

الخصائص المقيسة

PropertyValueSource
Electronegativity 3.04 National Center for Biotechnology Information (NIH)
Melting point 63.15 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Boiling point 77.36 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Density stp 0.001 g/cm³ National Center for Biotechnology Information (NIH)
Atomic radius empirical 155 pm National Center for Biotechnology Information (NIH)
Ionization energy 1st 1,402.3 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)

التوزيع الإلكتروني

2 5 N
Noble gas notation
[He] 2s² 2p³
Full notation
1s² 2s² 2p³
Electrons per shell
2, 5

النظائر

أسئلة شائعة

لماذا لا تستطيع النباتات استعمال نيتروجين الهواء؟

لأن للرابطة الثلاثية N≡N طاقة تفكك تبلغ 945 كيلوجول/مول، وهي الأكبر بين الجزيئات الثنائية الشائعة. وكسرها يقتضي ظروفًا لا يبلغها كائن حي بالطرق العادية. ولا ينجح في تثبيته إلا بكتيريا بعينها عبر إنزيم النيتروجيناز، والصناعة عبر طريقة هابر-بوش. أما النباتات فتمتص النترات أو الأمونيوم من التربة، لا N₂ من الهواء.

ماذا غيّرت طريقة هابر-بوش؟

توافر الأسمدة. فقبل 1913 كان النيتروجين الزراعي يأتي من السماد الحيواني ومن ذرق الطير ونترات تشيلي، وهي موارد محدودة. وتتيح الطريقة صنع النشادر من نيتروجين الهواء، وبها إطعام سكان ما كان ليمكن إعالتهم بغيرها. ويُقدَّر أن نحو نصف نيتروجين جسم الإنسان اليوم مرّ بمصنع نشادر.

لماذا لا يجمّد النيتروجين السائل الجلد فورًا؟

بسبب أثر لايدنفروست. فالنيتروجين السائل يغلي عند 77 كلفن، وهي أدنى بكثير من حرارة الجسم، وعند ملامسته الجلد يتبخر مكوّنًا طبقة غاز تعزل لحظيًّا. فترتد رشة قصيرة دون أذى. أما التعرض الطويل، أو السائل المحبوس في الثياب أو في قفاز، فيحدث حروق تجمّد بالغة.

ما تخدير النيتروجين؟

حالة تبدّل في الوعي يصاب بها الغواصون دون نحو ثلاثين مترًا. فعند ذلك الضغط يغيّر النيتروجين المذاب في الأنسجة العصبية نقل الإشارات، بآثار تشبه السُّكر. ويُصحَّح بالصعود. وللغطسات العميقة يُستبدل جزء من النيتروجين بالهيليوم، الذي لا يحدث ذلك الأثر.

المصادر