النتروجين واستخداماته

كل الكائنات الحية تحتاج إلى النيتروجين لكي تعيش، إذ يكوِّن النيتروجين أهم جزء من جزيء البروتين، الذي يوجد في البروتوبلازم، وهي مادّة حيّة موجودة في كلّ من خلايا النّباتات والحيوانات. يحصل الإنسان والحيوان على البروتين من الطعام من النباتات والحيوانات الأخرى. تنتج النباتات من البروتينات المركبات النيتروجينية اليسيرة المذابة في التربة. بعض النيتروجين المذاب في التربة يأتي من الغلاف الجوي على شكل حمض النتريك، إذْ يتفاعل النيتروجين مع الأكسجين عند وقوع الصواعق مكوّنا مركّبات عديدة تعرف بأكاسيد النيتروجين، والتي بدورها تتفاعل مع الماء مكوِّنة حمض النيتريك الذي تحمله الأمطار إلى التربة. تنتج النباتات من عائلة البقول البروتين من نيتروجين الهواء بمساعدة نوع معين من البكتيريا. وتشمل البقول نباتات عديدة مثل: البرسيم والبازلاء، وفول الصويا. تحتوي جذور البقول على انتفاخات صغيرة تسمى العقيدات. وتحتوي هذه العقيدات على نوع من البكتيريا المثبتة للنيتروجين، إذ لها القدرة على أخذ النيتروجين من الهواء وتحويله إلى مركبات النيتروجين. ويستخدم النبات المركبات النيتروجينية المتكونة ويحولها إلى بروتين، وبعد موت النبات تتحلل المركبات النيتروجينية وتصبح جزءا من التربة. ولأن النيتروجين يُستخدم ويُعاد استخدامه بوساطة الكائنات الحية، فإنه يمر خلال دورة مستمرة من التغيير الكيميائي. وتسمى هذه الدورة بدورة النيتروجين.


خصائصة :
النيتروجين من اللا فلزات ، وبسالبية كهربائية مقدارها 3.0 ، لديه خمسة إلكترونات في الغلاف الإلكتروني الخارجي ، وهو ثلاثي التكافؤ في معظم مركباته. النيتروجين النقي غير نشط كيميائيا ، عديم اللون ، جزيئه ثنائي الذرات في درجة حرارة الغرفة ، يتكثف بدرجة حرارة 77 كالفن ويتجمد بدجة 63 كالفن. والنيتروجين السائل شائع لدراسة تأثير درجات الحرارة المنخفضة على الكائنات الحية.

استخداماته :
يُسْتَخْرج النيتروجين النَّقي في الصِّناعة بوساطة تقطير الهواء السائل ويتكون الهواء من النيتروجين والأكسجين تقريبا. ولأن درجة غليان النيتروجين أقل من درجة غليان الأكسجين، فإنه يغلي أولا في عملية التقطير، وعندما يتبخر يجمع ويحفظ تحت ضغط معين في أسطوانات من الفولاذ.

إنتاج النَّشَادر:
يعتبر إنتاج النشادر NH3 من غاز النيتروجين الاستخدام الأساسي المهم له. ويتكون غاز النشادر من النيتروجين والهيدروجين. وينتج غاز النشادر في الصناعة بوساطة عملية هابر. وفي هذه العملية يتفاعل النيتروجين والهيدروجين عند درجة حرارة 550°م، وضغط يعادل حوالي 200 إلى 250 مرة ضغط جوي. ويتم التفاعل أيضا في وجود عامل حفاز، والعامل الحفاز هو مادة تساعد على زيادة سرعة التفاعل الكيميائي. يستخدم النشادر سمادًا مخصبًا، وفي إنتاج المتفجرات، وحمض النيتريك، ومواد كيميائية أخرى. ومن المنظفات المنزلية المعروفة ذلك المحلول المخفف المكون من النشادر المذاب في الماء.

النيتروجين في الزراعة :
مُعْظمُ السِّماد المُخَصِّب للأرض المستخدم بوساطة المزارعين والمشرفين على الحدائق يحتوي على النيتروجين الذي يساعد على ازدياد النّمو الصّحي للنبات. والنشادر أكثر المخصبات النيتروجينية شيوعا. يحقن المزارعون غاز النشادر في التربة مباشرة حيث يذوب ويساعد النباتات على النمو. كما يستخدم النشادر السائل، وكبريتات الأمونيوم، ونترات الأمونيوم، سمادًا نيتروجينيًا، ومن المصادر الأخرى للنيتروجين السماد الطبيعي، والجوانو، وهو من مخلفات الطيور البحرية. ويمكن للمزارعين إمداد حقولهم بالنيتروجين عن طريق زراعة محاصيل مختلفة في دورة زراعية؛ أي تدويرها. ففي الدورة الزراعية يمكن للمزارع زراعةُ الحقل بالذرة الشامية، أو القمح تارة، أو أي نبات آخر آخذ للنيتروجين من التربة ؛ يعقبها زراعة الحقل نفسه بنباتات قرنية كالبرسيم، أو فول الصويا، مما يؤدي إلى تغذية التربة بالنيتروجين.

أوسع استخدام تجاري للنيتروجين هو كجزء في عملية تصنيع النشادر (الأمونيا) باستخدام طريقة هابر. وتستخدم الأمونيا بعدها لإنتاج الأسمدة وحمض النيتريك. ويستخدم النيتروجين كمادة غير نشطة في أجواء خزانات السوائل القابلة للانفجار، وأثناء تصنيع الأجزاء الإلكترونية كالصمامات الإلكترونية (ترانزيستورات) والدايود والدوائر المتكاملة، كما يستخدم في صناعة الفولاذ الذي لا يصدأ (Stainless Steel).

ويستخدم النيتروجين السائل كمبرد للمنتوجات الغذائية، إما بالغمر أو لأغراض النقل لحفظ الأجسام والخلايا التكاثرية كالحيوانات المنوية والبويضات الإنثوية، وللتخزين الآمن للعينات الحيوية. كما أنه يستخدم في دراسات حفظ الأجسام الحية. ويتم الحصول على النيتروجين السائل بعملية التقطير للهواء السائل.

أملاح حمض النيتريك تشمل بعض المركبات المهمة، على سبيل المثال نترات البوتاسيوم الذي يدخل في تركيب البارود و نترات الأمونيوم الذي يدخل في تركيب الأسمدة ومخصبات التربة. المركبات العضوية التي يدخل فيها النيتروجين ، كالنيتروجليسرين والترينيترولولين تكون قابلة للانفجار عادة.

يستخدم حمض النيتريك كعامل أكسدة في الصورايخ التي تعمل بالوقود السائل، فالهايدرازين ومشتقاته تستخدم في وقود الصواريخ. كما يستخدم النيتروجين السائل لعلاج لعلاج الأورام الجلدية خاصة الحميدة منها (الثآليل).

استخدام النيتروجين السائل :
يستخدم النيتروجين السائل في صناعة الأغذية لتجميد الأطعمة بسرعة كبيرة. ويستخدم النيتروجين السائل مبردًا لحفظ الأغذية أثناء نقلها. كما يستخدم النيتروجين السائل بوساطة العلماء في إنتاج درجات حرارة منخفضة ضرورية لاستخدامها في تجارب معينة.

تاريخ :
النيتروجين من اللاتينية nitrumواليوناينة Nitron لفظة تعني الصودا الأصيلة، أصل أو يشكل ،ويعتبر وعلى نطاق واسع ان مكتشفها هو إرنست رذرفورد عام 1772، الذي أسماها الهواء الضار (؟) noxious air، أو الهواء المحروق (؟)'phlogisticated air .وكان من المعروف لدى الكيميائيين وجود جزء من الهواء لا يحترق منذ نهايات القرن الثامن عشر. وكان العالم كارل ويلهلم شيل والعالم هنري كاڤنديش وجوزيف بريستلي الذي أسماه بالهواء المحروق ، يدرسون غاز النيتروجين في ذات الفترة تقريبا ، وكان يعتبر غير نشط لدرجة أن أنطون لافوزييه أطلق عليه تسمية الآزوت والتي تعني "بلا حياة".

كانت مركبات النيتروجين معروفة في العصور الوسطى ، وعرف الخيميائيون حمض النيتريك بإسم الماء الشديد aqua fortis، وخليط حمض النيتريك وحمض الهيدروكلوريك عرف بإسم "الماء الملكي"، المعروف بقدرته على إذابة الذهب.

كما يستخدم النيتروجين في ملء الإطارات ، وذلك يعود إلى الثبات النسبي لحجمه لدى تغير درجات الحرارة.
النيتروجين والتلوث

يؤثرّ الإنسان في دورة النيتروجين؛ وذلك لأن استخدام الأسمدة النيتروجينية يزيد من نيتروجين التربة. ثم تحمل مياه الأمطار الأسمدة غير المستخدمة ومركبات النيتروجين الأخرى إلى الأنهار والبحيرات مما يؤدي إلى تكاثر النباتات المائية والطحالب. وعندما تموت تلك النباتات والطحالب وتتحلل، فإنها تستخدم الأكسجين المذاب في الماء مما يهدد حياة الحيوانات الموجودة داخل المياه. تُعْتَبر أكاسيدُ النيتروجين من ملوثات الهواء الجوي، وتُطْلَقُ هذه المُلوِّثات في الجو عن طريق حرق الوقود المتحجّر كالفحم الحجري والنفط. كما أن ضوء الشمس يساعد على تفاعل أكاسيد النيتروجين في الغلاف الجوي مع الأكسجين مكونة الأوزون. وهو مادة مهيجة في الضباب الدخاني. كما أن أكاسيد النيتروجين تعود للأرض في شكل حمض النيتريك أحيانا، وهو من المكونات الأساسية للأمطار الحمضية. وتنتج المحركات النفاثة أكاسيد النيتروجين في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى إتلاف البيئة بطرق مختلفة. ومن أمثلة ذلك أن أكاسيد النيتروجين تزيد من تفكك الأوزون في الطبقات العليا،حيث يعمل الأوزون على حماية الإنسان والنبات وذلك بمنعه وصول الأشعة فوق البنفسجية الضارّة.