در این مقاله سعی شده که تمام اطلاعات جامع و مفید درمورد نیتروژن توضیح بدیم، قبل از اینکه شروع کنیم نیتروژن چیست، و چه کاربردهایی دارد، به پیشنه تاریخی و نحوه کشف آن می پردازیم .
تاریخچه نیتروژن
تقریباً چهار پنجم جو زمین از نیتروژن تشکیل شده است که در تحقیقات اولیه درباره هوا، به عنوان یک ماده خاص شناخته و از آن جدا شد. کارل ویلهلم شیله، یک شیمیدان سوئدی، در سال ۱۷۷۲ نشان داد که هوا ترکیبی از دو گاز است، یکی از آنها را “هوای آتش” نامید، زیرا احتراق را رو افزایش می داد ، و دیگری را “هوای نجس” نامید، زیرا باقی مانده از هوای آتش بود. بعد ها این عناصر نام گزاری بهتر از هوای آتش و نجس پیدا کرد در سال ۱۷۹۰، شیمیدان فرانسوی ژان-آنتوان-کلود چاپتال آن را نیتروژن نامید. نحوه نام گزاری نیتروژن به خاطر حمایت از زندگی که در یونایی زوئی می شود ولی معادل فرانسوی آن نیتروژن می شود. به همین نام می شناسیم
نیتروژن چیست؟
نیتروژن یک عنصر شیمیایی با نماد N و عدد اتمی 7 است. این یک مولکول دیاتومیک است، به این معنا که حالت طبیعی آن شامل دو اتم نیتروژن می‌باشد (N2). نیتروژن بخش حیاتی از جو زمین است و حدود 78٪ از هوایی که تنفس می‌کنیم را تشکیل می‌دهد. با وجود فراوانی در جو، نیتروژن به صورت مولکولی نسبتاً بی‌فعال است که به این معناست که به راحتی در شرایط عادی با سایر مواد واکنش نمی‌دهد.
حضور نیتروژن در طبیعت:
در میان عناصر، نیتروژن در ششمین جایگاه از نظر فراوانی در کیهان قرار دارد. این منبع اصلی نیتروژن برای تجارت و صنعت است. نیتروژن آزاد در بسیاری از شهاب‌سنگ‌ها؛ در گازهای آتشفشان‌ها، معادن و برخی از چشمه‌های معدنی؛ در خورشید؛ و در برخی از ستاره‌ها و مهتاب‌ها یافت می‌شود.
نیتروژن همچنین در توده‌های معدنی از نیتر یا نمک نیترات (نیترات پتاسیم، KNO3) و نمک نیترات شیلی (نیترات سدیم، NaNO3) وجود دارد، اما این توده‌ها به میزانی که برای نیازهای انسانی لازم است، وجود ندارند. مواد دیگری که حاوی نیتروژن هستند، گوانو نام دارند که در غارهای خفاش‌ها و در لانه های آنها، یافت می‌شود. نیتروژن در خاک به عنوان آمونیاک و نمک‌های آمونیوم و در آب دریا به عنوان یون‌های آمونیوم (NH4+)، نیتریت (NO2-) و نیترات (NO3-) یافت می‌شود. نیتروژن در میان مرکبات آلی پیچیده که به نام پروتئین‌ها شناخته می‌شوند وجود دارند، فراوانی طبیعی نیتروژن در پوسته زمین حدود ۰.۳ قسمت در هر هزار است. فراوانی کیهانی – فراوانی تقریبی کل در کیهان – بین سه تا هفت اتم بر اساس اتم سیلیکون، که به عنوان استاندارد گرفته می‌شود، قرار دارد.
ایزوتوپ‌های نیتروژن
نیتروژن به صورت دو ایزوتوپ پایدار وجود دارد: 14N (با فراوانی 99.63 درصد) و 15N (با فراوانی 0.37 درصد). اینها می‌توانند توسط تبادل شیمیایی یا از طریق گسیل حرارتی از یکدیگر جدا شوند. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو مصنوعی جرم‌های 10 تا 13 و 16 تا 24 دارند. پایدارترین آنها دارای نیمه‌عمری حدوداً 10 دقیقه است. اولین تبدیل هسته‌ای مصنوعی گزارش شد (۱۹۱۹) توسط فیزیکدان بریتانیایی، ارنست رادرفورد، که نیتروژن-۱۴ را با ذرات آلفا بمباران کرد تا هسته‌های اکسیژن-۱۷ و پروتون تشکیل دهد.
نیتروژن در چه موادی وجود دارد
- فراوانی در جو: نیتروژن بیشترین گاز حاضر در جو زمین است و حضور آن برای حمایت از زندگی بسیار حیاتی است.
- اهمیت زیست‌شناختی: نیتروژن جزء حیاتی اسیدهای آمینه است که سازنده پروتئین‌ها هستند. همچنین عنصر ضروری در اسیدهای نوکلئیک DNA) و( RNA، مولکول‌های حامل اطلاعات ژنتیک، است.
- چرخه نیتروژن: چرخه نیتروژن فرآیند شیمیایی و زیستی پیچیده‌ای است که تبدیل نیتروژن بین اشکال مختلف در محیط را شامل می‌شود. این چرخه نقش حیاتی در حفظ توازن نیتروژن در اکوسیستم‌ها دارد.
- کاربردهای صنعتی: نیتروژن به طور گسترده در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، برای تولید آمونیاک که یک جزء کلیدی در کودها استفاده می‌شود. همچنین در صنعت غذا برای بسته‌بندی به‌منظور افزایش مدت زمان نگهداری محصولات فاسد از نیتروژن استفاده می‌شود.
- نیتروژن مایع: نیتروژن در دماهای بسیار پایین می‌تواند به شکل مایع وجود داشته باشد. نیتروژن مایع به طور معمول در آزمایشگاه‌ها و صنایع برای اهداف مختلفی نظیر نگهداری در دمای پایین و خنک‌کاری در برخی فرآیندها استفاده می‌شود.
- انعقاد نیتروژن: انعقاد نیتروژن فرآیندی است که باکتری‌های خاصی نیتروژن جو را به یک فرم تبدیل می‌کنند که گیاهان می‌توانند از آن استفاده کنند. این یک مرحله حیاتی در چرخه نیتروژن است و برای دسترسی به نیتروژن در اکوسیستم‌ها ضروری است.
درک نقش نیتروژن در فرآیندهای مختلف طبیعی و صنعتی اهمیت زیادی برای زمینه‌های متنوعی از زیست‌شناسی و شیمی تا کشاورزی و علوم محیطی دارد.
نقش بیولوژیکی نیتروژن
همانطور که انتظار می‌رود، با توجه به اهمیت حضور نیتروژن در مواد زنده، ترکیبات آلی حاوی نیتروژن، فعالیت‌های فیزیولوژیکی دارند. بیشتر ارگانیسم‌های زنده نمی‌توانند نیتروژن را به صورت مستقیم مصرف کنند و باید به ترکیبات آن دسترسی داشته باشند. بنابراین، تثبیت نیتروژن بسیار اهمیت‌زا است. در طبیعت، دو فرایند اصلی برای تثبیت نیتروژن شناخته شده‌اند. یکی از این فرآیندها عمل انرژی الکتریکی بر جو است، که مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن را جدا کرده و اجازه می‌دهد که اتم‌های آزاد نیتروژن اکسید (NO) و دی‌اکسید نیتروژن (NO2) را تشکیل دهند. سپس دی‌اکسید نیتروژن با آب واکنش می‌کند به شرح زیر:
نیتریک اسید (HNO3) به عنوان یک محلول با باران به زمین می‌آید. با گذر زمان، جزء از نیتروژن ترکیبی خاک می‌شود و در آنجا نیتریت‌ها و نیترات‌ها تشکیل می‌دهد. محتوای نیتروژن خاک‌های کشاورزی به طور عمومی با استفاده از کودهای حاوی نیترات و نمک‌های آمونیوم به صورت مصنوعی غنی‌تر و تازه‌تر می‌شود. ترکیبات نیتروژن از طریق تجزیه و تحلیل حیوانات و گیاهان به خاک و هوا باز می‌گردد، و برخی از باکتری‌ها در خاک ترکیبات نیتروژنی را تجزیه و تحلیل کرده و عنصر را به هوا باز می‌گردانند. با این وجود نیتروژن نقش حیاتی در طبیعت دارد.
بیشتر بخوانید : مقاله نیتروژن مایع
روش های تولید نیتروژن
چندین روش برای تولید نیتروژن وجود دارد و انتخاب هر روش بیشتر به نیازها و کاربردهای صنعتی خاص متکی است. در ادامه، چندین روش متداول معرفی کردیم:
تقطیر کرایوژنیک نیتروژن
– در این روش، هوا ابتدا از طریق فرآیندی به نام تقطیر کرایوژنیک مایع می‌شود.
– به دمای هوا را بسیار پایین می آوریم تا خنک می‌شود و این انجماد باعث می شود هوا به حالت مایع تبدیل شود.
– سپس اجازه داده می‌شود که هوای مایع به آرامی گرم شود و اجزاء مختلف هوا، از جمله نیتروژن، در دماهای مختلف از دیگر اجزاء جدا می‌شود و جمع‌آوری می‌شود.
جذب نیروی جریان فشاری (PSA) نیتروژن
– هوا از طریق یک لایه از مواد، معمولاً یک غربال مولکولی یا کربن فعال، عبور می‌کند که اکسیژن و گازهای دیگری را گزینشی جذب می‌کند و این اجازه را می‌دهد که نیتروژن عبور کند.
– این لایه به صورت متناوب فشار داده می‌شود و سپس فشار آن کاهش داده می‌شود تا گازهای جذب شده آزاد شوند.
– این فرآیند چرخه‌ای است و امکان تولید مداوم نیتروژن را فراهم می‌کند.
جداشدن غشایی نیتروژن
– این روش از غشاء‌های نیمه نفوذپذیر استفاده می‌کند که به مولکول‌های نیتروژن اجازه می‌دهد که از آن عبور کنند در حالی که از سایر اجزاء هوا جلوگیری می‌کند.
– غشاء‌ها می‌توانند در ماژول‌ها ترتیب داده شوند و این فرآیند معمولاً به عنوان جداشدن غشایی یا فیلتراسیون غشایی نامیده می‌شود.
تجزیه آمونیاک و تولید نیتروژن
– آمونیاک (NH3) می‌تواند به گازهای نیتروژن و هیدروژن تجزیه شود.
– این فرآیند به طراحی دمای بالا و استفاده از یک کاتالیست نیاز دارد.
– واکنش شیمیایی به صورت زیر است: 2NH3 → N2 + 3H2.
تولید الکتروشیمیایی نیتروژن
– الکترولیز آب می‌تواند گاز هیدروژن تولید کند و واکنش هیدروژن با نیتروژن هوا می‌تواند آمونیاک را تشکیل دهد.
– آمونیاک سپس می‌تواند به نیتروژن و هیدروژن تجزیه شود.
– این روش معمولاً در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تثبیت نیتروژن باکتریایی
– برخی از باکتری‌ها، که در ریشه‌های گیاهان لگومینوز حضور دارند، می‌توانند نیتروژن جو را از طریق فرآیندی به نام تثبیت نیتروژن به آمونیاک تبدیل کنند.
– این فرآیند طبیعی برای حفظ حاصلخیزی خاک بسیار حیاتی است.
این روش‌ها در صنایع مختلف از جمله تولید شیمیایی، الکترونیک، بسته‌بندی مواد غذایی و فرآوری فلزات استفاده می‌شود
