دادن نمک نمک - اینگونه کلمه نیتروژنیوم از لاتین ترجمه شده است. این نام نیتروژن است - یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 7، که در نسخه طولانی جدول تناوبی در رتبه پانزدهم قرار دارد. به شکل یک ماده ساده، در پوسته هوای زمین - جو پخش می شود. انواع ترکیبات نیتروژن در پوسته زمین و موجودات زنده یافت می شود و به طور گسترده در صنایع، امور نظامی، کشاورزی و پزشکی استفاده می شود.
چرا نیتروژن "خفه کننده" و "بی جان" نامیده شد
همانطور که مورخان شیمی پیشنهاد می کنند، هنری کاوندیش (1777) اولین کسی بود که این ماده ساده را دریافت کرد. این دانشمند با استفاده از قلیایی برای جذب محصولات واکنش، هوا را از روی زغال‌های داغ عبور داد. در نتیجه این آزمایش، محقق گازی بی رنگ و بی بو را کشف کرد که با زغال سنگ واکنش نشان نمی داد. کاوندیش آن را «هوای خفه‌کننده» نامید، زیرا نمی‌تواند تنفس و همچنین سوزش را حفظ کند.
یک شیمیدان مدرن توضیح می دهد که اکسیژن با کربن واکنش داده و دی اکسید کربن تشکیل می دهد.بخش "خفه کننده" باقی مانده از هوا عمدتاً از مولکول های N2 تشکیل شده بود. کاوندیش و سایر دانشمندان در آن زمان هنوز از این ماده اطلاعی نداشتند، اگرچه ترکیبات نیتروژن و نمک در آن زمان به طور گسترده در اقتصاد استفاده می شد. دانشمند گاز غیرمعمول را به همکار خود، جوزف پریستلی، که آزمایش‌های مشابهی انجام داد، گزارش کرد.
در همان زمان، کارل شیل توجه را به یک عنصر ناشناخته از هوا جلب کرد، اما نتوانست به درستی منشأ آن را توضیح دهد. فقط دانیل رادرفورد در سال 1772 متوجه شد که گاز "فاسد" "خفه کننده" موجود در آزمایشات نیتروژن است. کدام دانشمند را باید کاشف او دانست - مورخان علم هنوز در این مورد بحث می کنند.
15 سال پس از آزمایش های رادرفورد، شیمیدان مشهور Antoine Lavoisier پیشنهاد کرد که اصطلاح "هوای خراب" را که به نیتروژن اشاره دارد، به دیگری - Nitrogenium تغییر دهید. تا آن زمان، ثابت شد که این ماده نمی سوزد، تنفس را پشتیبانی نمی کند. در همان زمان، نام روسی "نیتروژن" ظاهر شد که به روش های مختلف تفسیر می شود. این اصطلاح اغلب به معنای "بی جان" گفته می شود. کارهای بعدی عقیده رایج در مورد خواص ماده را رد کرد. ترکیبات نیتروژن - پروتئین ها - مهم ترین درشت مولکول ها در ترکیب موجودات زنده هستند. برای ساختن آنها، گیاهان عناصر ضروری تغذیه معدنی را از خاک جذب می کنند - یون های NO32- و NH4+.
نیتروژن یک عنصر شیمیایی است
سیستم تناوبی (PS) به درک ساختار اتم و خواص آن کمک می کند. با موقعیت یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی می توان تعیین کردبار هسته ای، تعداد پروتون ها و نوترون ها (عدد جرمی). توجه به مقدار جرم اتمی ضروری است - این یکی از ویژگی های اصلی عنصر است. عدد دوره با تعداد سطوح انرژی مطابقت دارد. در نسخه کوتاه جدول تناوبی، شماره گروه مربوط به تعداد الکترون‌های موجود در سطح انرژی بیرونی است. بیایید تمام داده های خصوصیات کلی نیتروژن را با موقعیت آن در سیستم تناوبی خلاصه کنیم:
- این یک عنصر غیر فلزی است که در گوشه سمت راست بالای PS قرار دارد.
- علامت شیمیایی: N.
- شماره سفارش: 7.
- جرم اتمی نسبی: 14.0067.
- فرمول ترکیب هیدروژن فرار: NH3 (آمونیاک).
- بالاترین اکسید N2O5 را تولید می کند، که در آن ظرفیت نیتروژن V.
است.
ساختار اتم نیتروژن:
- شارژ اصلی: +7.
- تعداد پروتون:7; تعداد نوترون ها: 7.
- تعداد سطوح انرژی: 2.
- تعداد کل الکترونها: 7; فرمول الکترونیکی: 1s22s22p3.
ایزوتوپ های پایدار عنصر شماره 7 به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته اند، اعداد جرمی آنها 14 و 15 است. محتوای اتم های سبک تر آنها 99.64 درصد است. همچنین 7 پروتون در هسته ایزوتوپ های رادیواکتیو کوتاه مدت وجود دارد و تعداد نوترون ها بسیار متفاوت است: 4، 5، 6، 9، 10.
نیتروژن در طبیعت
پوسته هوای زمین حاوی مولکول های یک ماده ساده است که فرمول آن N2 است. محتوای نیتروژن گازی در جو بر حسب حجم استحدود 78.1٪. ترکیبات غیر آلی این عنصر شیمیایی در پوسته زمین نمک های آمونیوم و نیترات های مختلف (نیترات) می باشد. فرمول ترکیبات و نام برخی از مهمترین مواد:
- NH3، آمونیاک.
- NO2، دی اکسید نیتروژن.
- NaNO3، نیترات سدیم.
- (NH4)2SO4، سولفات آمونیوم.
قدرت نیتروژن در دو ترکیب آخر - IV. زغال سنگ، خاک، موجودات زنده نیز حاوی اتم N محدود هستند. نیتروژن بخشی جدایی ناپذیر از ماکرومولکول های اسید آمینه، نوکلئوتیدهای DNA و RNA، هورمون ها و هموگلوبین است. محتوای کل یک عنصر شیمیایی در بدن انسان به 2.5٪ می رسد.
مواد ساده
نیتروژن به شکل مولکول های دو اتمی بزرگترین بخش هوای جو از نظر حجم و جرم است. ماده ای که فرمول آن N2 است، بو، رنگ و مزه ندارد. این گاز بیش از 2/3 از پوشش هوای زمین را تشکیل می دهد. در حالت مایع، نیتروژن یک ماده بی رنگ شبیه آب است. در -195.8 درجه سانتی گراد می جوشد. M (N2)=28 گرم در مول. ماده ساده نیتروژن کمی سبکتر از اکسیژن است، چگالی آن در هوا نزدیک به 1 است.
اتم های یک مولکول به طور محکم 3 جفت الکترون مشترک را به هم متصل می کنند. این ترکیب پایداری شیمیایی بالایی دارد که آن را از اکسیژن و تعدادی دیگر از مواد گازی متمایز می کند. برای اینکه یک مولکول نیتروژن به اتم های تشکیل دهنده خود متلاشی شود، باید انرژی 942.9 کیلوژول در مول صرف شود. پیوند سه جفت الکترون بسیار قوی است.وقتی در دمای بالای 2000 درجه سانتیگراد گرم شود، تجزیه می شود.
در شرایط عادی، تجزیه مولکول ها به اتم عملاً اتفاق نمی افتد. بی اثر بودن شیمیایی نیتروژن نیز به دلیل عدم وجود قطبیت کامل در مولکول های آن است. آنها برهمکنش بسیار ضعیفی با یکدیگر دارند که دلیل آن حالت گازی ماده در فشار معمولی و دمای نزدیک به دمای اتاق است. واکنش پذیری کم نیتروژن مولکولی در فرآیندها و دستگاه های مختلفی که برای ایجاد یک محیط بی اثر ضروری است کاربرد پیدا می کند.
تفکیک مولکول‌های N2 می‌تواند تحت تأثیر تابش خورشید در اتمسفر بالایی رخ دهد. نیتروژن اتمی تشکیل می شود که در شرایط عادی با برخی فلزات و غیرفلزات (فسفر، گوگرد، آرسنیک) واکنش می دهد. در نتیجه، سنتز موادی وجود دارد که به طور غیرمستقیم در شرایط زمینی به دست می آیند.
ظرفیت نیتروژن
لایه الکترونی بیرونی یک اتم توسط الکترون های ۲ ثانیه و ۳ p تشکیل شده است. این ذرات منفی نیتروژن می توانند هنگام تعامل با عناصر دیگر تسلیم شوند که با خواص کاهشی آن مطابقت دارد. با اتصال 3 الکترون از دست رفته به اکتت، اتم توانایی اکسیداسیونی را از خود نشان می دهد. الکترونگاتیوی نیتروژن کمتر است، خواص غیرفلزی آن کمتر از فلوئور، اکسیژن و کلر است. هنگام تعامل با این عناصر شیمیایی، نیتروژن الکترون می دهد (اکسید می شود). کاهش به یون های منفی با واکنش با سایر نافلزات و فلزات همراه است.
ظرفیت معمولی نیتروژن III است. در این موردپیوندهای شیمیایی به دلیل جذب الکترون‌های p خارجی و ایجاد جفت‌های مشترک (پیوند) ایجاد می‌شوند. نیتروژن به دلیل جفت الکترون های خود قادر به تشکیل پیوند دهنده-گیرنده است، همانطور که در یون آمونیوم NH4+ رخ می دهد.
تولیدات آزمایشگاهی و صنعتی
یکی از روش های آزمایشگاهی بر اساس خواص اکسید کننده اکسید مس است. یک ترکیب نیتروژن-هیدروژن استفاده می شود - آمونیاک NH3. این گاز بدبو با اکسید مس سیاه پودر شده واکنش می دهد. در نتیجه واکنش نیتروژن آزاد می شود و مس فلزی (پودر قرمز) ظاهر می شود. قطرات آب، یکی دیگر از محصولات واکنش، روی دیواره‌های لوله می‌نشیند.
روش آزمایشگاهی دیگری که از ترکیب نیتروژن با فلزات استفاده می کند، آزید است، مانند NaN3. گازی معلوم می شود که نیازی به تصفیه از ناخالصی ها ندارد.
نیتریت آمونیوم در آزمایشگاه به نیتروژن و آب تجزیه می شود. برای شروع واکنش، حرارت لازم است، سپس فرآیند با انتشار گرما (گرماداز) ادامه می یابد. نیتروژن به ناخالصی آلوده است، بنابراین خالص و خشک می شود.
تولید نیتروژن در صنعت:
- تقطیر کسری هوای مایع - روشی که از خواص فیزیکی نیتروژن و اکسیژن (نقاط جوش مختلف) استفاده می کند؛
- واکنش شیمیایی هوا با زغال سنگ داغ؛
- جداسازی گاز جذبی.
برهم کنش با فلزات و هیدروژن - خواص اکسید کننده
بی اثری مولکول های قویبه دست آوردن برخی از ترکیبات نیتروژن با سنتز مستقیم اجازه نمی دهد. برای فعال کردن اتم ها، حرارت دادن یا تابش قوی ماده ضروری است. نیتروژن می تواند با لیتیوم در دمای اتاق واکنش دهد، با منیزیم، کلسیم و سدیم واکنش تنها زمانی رخ می دهد که حرارت داده شود. نیتریدهای فلزی مربوطه تشکیل می شوند.
برهمکنش نیتروژن با هیدروژن در دماها و فشارهای بالا رخ می دهد. این فرآیند همچنین به یک کاتالیزور نیاز دارد. به نظر می رسد آمونیاک - یکی از مهمترین محصولات سنتز شیمیایی. نیتروژن، به عنوان یک عامل اکسید کننده، سه حالت اکسیداسیون منفی را در ترکیبات خود نشان می دهد:
- -3 (آمونیاک و سایر ترکیبات هیدروژنی نیتروژن نیترید هستند)؛
- -2 (هیدرازین N2H4);
- -1 (هیدروکسیلامین NH2OH).
مهمترین نیترید - آمونیاک - به مقدار زیاد در صنعت تولید می شود. بی اثری شیمیایی نیتروژن برای مدت طولانی یک مشکل بزرگ باقی ماند. نمک منبع مواد خام آن بود، اما با افزایش تولید، ذخایر معدنی به سرعت شروع به کاهش کرد.
یک دستاورد بزرگ علم و عمل شیمی ایجاد روش آمونیاکی تثبیت نیتروژن در مقیاس صنعتی بود. سنتز مستقیم در ستون های ویژه انجام می شود - یک فرآیند برگشت پذیر بین نیتروژن به دست آمده از هوا و هیدروژن. هنگام ایجاد شرایط بهینه که تعادل این واکنش را به سمت محصول تغییر می دهد، با استفاده از یک کاتالیزور، بازده آمونیاک به 97% می رسد.
برهم کنش با اکسیژن - خواص کاهنده
برای شروع واکنش نیتروژن و اکسیژن، حرارت دادن قوی لازم است. قوس الکتریکی و تخلیه رعد و برق در جو انرژی کافی دارند. مهمترین ترکیبات معدنی که نیتروژن در آن حالت اکسیداسیون مثبت دارد:
- +1 (نیتریک اکسید (I) N2O);
- +2 (نیتروژن مونوکسید NO);
- +3 (نیتریک اکسید (III) N2O3؛ اسید نیتروژن HNO2 ، نمک های آن نیتریت هستند؛
- +4 (نیتروژن (IV) دی اکسید NO2);
- +5 (پنتوکسید نیتروژن (V) N2O5، اسید نیتریک HNO3 ، نیترات).
معنا در طبیعت
گیاهان یون‌های آمونیوم و آنیون‌های نیترات را از خاک جذب می‌کنند، برای واکنش‌های شیمیایی از سنتز مولکول‌های آلی استفاده می‌کنند که دائماً در سلول‌ها جریان دارند. نیتروژن اتمسفر می تواند توسط باکتری های ندول جذب شود - موجودات میکروسکوپی که روی ریشه حبوبات رشد می کنند. در نتیجه این گروه از گیاهان با دریافت عنصر مغذی لازم، خاک را با آن غنی می کنند.
در طول بارندگی های استوایی، واکنش های اکسیداسیون نیتروژن اتمسفر رخ می دهد. اکسیدها حل می شوند و اسید تشکیل می دهند، این ترکیبات نیتروژن در آب وارد خاک می شوند. به دلیل گردش عنصر در طبیعت، ذخایر آن در پوسته زمین و هوا دائماً پر می شود. مولکول های آلی پیچیده حاوی نیتروژن توسط باکتری ها به اجزای معدنی تجزیه می شوند.
استفاده عملی
مهمترین اتصالاتنیتروژن برای کشاورزی نمک های بسیار محلول هستند. اوره، نمک (سدیم، پتاسیم، کلسیم)، ترکیبات آمونیوم (محلول آبی آمونیاک، کلرید، سولفات، نیترات آمونیوم) توسط گیاهان جذب می شوند. بخش هایی از ارگانیسم گیاهی قادر به ذخیره درشت مغذی ها "برای آینده" هستند که کیفیت محصولات را بدتر می کند. بیش از حد نیترات در سبزیجات و میوه ها می تواند باعث مسمومیت در افراد، رشد نئوپلاسم های بدخیم شود. علاوه بر کشاورزی، از ترکیبات نیتروژن در سایر صنایع نیز استفاده می شود:
- برای دریافت دارو؛
- برای سنتز شیمیایی ترکیبات ماکرومولکولی؛
- در تولید مواد منفجره از تری نیتروتولوئن (TNT)؛
- برای تولید رنگ.
اکسید NO در جراحی استفاده می شود، این ماده دارای اثر ضد درد است. از دست دادن احساسات هنگام استنشاق این گاز حتی توسط اولین محققین خواص شیمیایی نیتروژن نیز مورد توجه قرار گرفت. اینگونه نام بی اهمیت «گاز خنده» ظاهر شد.
مشکل نیترات در محصولات کشاورزی
نمک های اسید نیتریک - نیترات ها - حاوی یک آنیون تک باردار NO3- است. تاکنون از نام قدیمی این گروه از مواد استفاده می شود - نمکدان. از نیترات ها برای کود دهی مزارع، گلخانه ها، باغ ها استفاده می شود. آنها در اوایل بهار قبل از کاشت، در تابستان - به شکل پانسمان مایع اعمال می شوند. خود مواد خطر بزرگی برای انسان ندارند، امادر بدن به نیتریت ها و سپس به نیتروزامین ها تبدیل می شوند. یون های نیتریت NO2- ذرات سمی هستند، آنها باعث اکسیداسیون آهن آهن در مولکول های هموگلوبین به یون های سه ظرفیتی می شوند. در این حالت ماده اصلی خون انسان و حیوان قادر به حمل اکسیژن و حذف دی اکسید کربن از بافت ها نیست.
خطر آلودگی مواد غذایی به نیترات برای سلامت انسان چیست:
- تومورهای بدخیم که هنگام تبدیل نیترات ها به نیتروزامین ها (مواد سرطان زا) ایجاد می شوند؛
- توسعه کولیت اولسراتیو،
- فشار خون یا فشار خون بالا؛
- نارسایی قلبی؛
- اختلال لخته شدن خون
- کبد، پانکراس، توسعه دیابت؛
- توسعه نارسایی کلیه؛
- کم خونی، اختلال حافظه، توجه، هوش.
مصرف همزمان غذاهای مختلف با دوزهای بالای نیترات منجر به مسمومیت حاد می شود. منابع می تواند گیاهان، آب آشامیدنی، غذاهای گوشتی آماده باشد. خیساندن در آب تمیز و پختن می تواند محتوای نیترات غذاها را کاهش دهد. محققان دریافتند که دوزهای بالاتری از ترکیبات خطرناک در محصولات گیاهی نابالغ و گلخانه ای یافت شد.
فسفر عنصری از زیر گروه نیتروژن است
اتم های عناصر شیمیایی که در ستون عمودی یکسانی از سیستم تناوبی قرار دارند، خواص مشترکی از خود نشان می دهند. فسفر در دوره سوم قرار دارد و مانند نیتروژن در گروه پانزدهم قرار دارد. ساختار اتم هاعناصر مشابه هستند، اما تفاوت هایی در ویژگی ها وجود دارد. نیتروژن و فسفر در ترکیبات خود با فلزات و هیدروژن حالت اکسیداسیون منفی و ظرفیت III دارند.
بسیاری از واکنش های فسفر در دماهای معمولی انجام می شود، این عنصر از نظر شیمیایی فعال است. با اکسیژن برهمکنش می کند تا اکسید بالاتری را تشکیل دهد P2O5. محلول آبی این ماده دارای خاصیت اسید (متافسفریک) است. هنگامی که آن را گرم می کند، اسید اورتوفسفریک به دست می آید. چندین نوع نمک را تشکیل می دهد که بسیاری از آنها به عنوان کودهای معدنی مانند سوپر فسفات ها عمل می کنند. ترکیبات نیتروژن و فسفر بخش مهمی از چرخه مواد و انرژی در سیاره ما هستند، آنها در صنعت، کشاورزی و سایر زمینه های فعالیت استفاده می شوند.
