logo

logo

logo

logo

logo

الآزوت

ازوت

Nitrogen - Azote

 الآزوت

الآزوت

 

مركّبات الآزوت وجوده في الطبيعة
حموض الآزوت خواصه الفيزيائية وتحضيره
مركبات الآزوت العضوية خواصه الكيميائية

 

 

الآزوت (النتروجين) nitrogen عنصر كيميائي رمزه N، هو العنصر الأول في المجموعة 5A (العمود 15)، ويقع في الدور الثاني من الجدول الدوري، ينتمي إلى اللامعادن، ويوجد في الحالة الحرة على شكل غاز ثنائي الذرة N2. اكتشف الآزوت، وتم فصله من الهواء عام 1772 من قبل الطبيب الإنكليزي رذرفورد Daniel Rutherford، وقام الكيميائي الفرنسي لاڤوازييه Lavoisier بالتعرف إليه عنصراً، وهو الذي أطلق عليه اسم آزوت، وهي كلمة يونانية تعني «لا حياة فيه»، وبقيت هذه التسمية في اللغة الفرنسية، وانتقلت منها إلى العديد من اللغات الأخرى، في حين تستعمل في الإنكليزية تسمية نتروجين وهي كلمة لاتينية تعني «مولد ملح البارود».

الوصف: الوصف: الوصف: 3-1.psd

وجوده في الطبيعة

يشكل غاز الآزوت نسبة 78.084 % بالحجم من الغلاف الجوي للأرض، وهو موجود بنسب متفاوتة في عدة كواكب أخرى. أما في القشرة الأرضية فيوجد على شكل مركّبات، أهمها النترات. يوجد الآزوت في جميع الكائنات الحية، وهو من العناصر الأساسية للحياة؛ إذ يدخل في تكوين مركّبات كثيرة، أهمها الحموض الأمينية والبروتينات والحموض النووية. تقوم بعض الجراثيم الموجودة في التربة الزراعية والمتعايشة على عقد جذور بعض النباتات كالبقوليات إضافة إلى بعض الطحالب وحيدة الخلية بتثبيت الآزوت nitrogen fixation الجوي وتحويله إلى نترات أو نشادر، وهي أشكال قابلة للاستخدام من قبل الكائنات الحية العليا.

خواصه الفيزيائية وتحضيره

العدد الذري للآزوت 7، وبنيته الإلكترونية (1s2 2s2 2p3) تبين وجود خمسة إلكترونات في غلاف الطبقة الخارجية. الكتلة الذرية الوسطية للآزوت 14.0067، وله نظيران مستقران (غير مشعّين) هما 14N و 15N، وتبلغ نسبة الأول 99.634 % من الآزوت الجوي، وللآزوت عدة نظائر مشعة تصطنع، أعداد كتلها 12، 13، 16، 17، عمر نصفها قصير (عمر النصف الأطول 10 دقائق).

الآزوت غاز عديم اللون والرائحة والطعم، كما أنه قليل الذوبان في الماء، ويغلي بدرجة حرارة (-196 ْس) ، ويتجمد بدرجة حرارة (-210 ْس)  ، تبلغ كتلته الحجمية 1.251 غرام/لتر بدرجة صفر مئوية وتحت ضغط 1 جو، كهرسلبيته electronegativity 3.04 على مقياس باولينغ Pauling. طاقات تأين ionization energies الآزوت هي: الأولى 1402.3 كيلوجول/مول، الثانية 2856 كيلوجول/مول، الثالثة 4578.1 كيلوجول/مول.

يستحصل الآزوت من الهواء بكميات تجارية بطريقة التقطير التجزيئي fractional distillation للهواء السائل. يضغط الهواء النظيف، ويبرّد فيتحول إلى سائل، ثم يرشَّح للتخلص من ثنائي أكسيد الكربون CO2 الموجود في الحالة الصلبة، ويقطَّر السائل، فيكون الآزوت أول المكونات الناتجة في أعلى برج التقطير، ويخرج الأرغون من منتصف البرج، ويتكاثف الأكسجين في الأسفل، يحصل على النتروجين أيضاً منتجاً ثانوياً في كثير من الصناعات. وهنالك تفاعلات كثيرة يمكن أن ينطلق بنتيجتها الآزوت في المختبر:

الوصف: الوصف: الوصف: 2146.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 2137.jpg

خواصه الكيميائية

درجات الأكسدة الرئيسية للآزوت (3-)، و+3، و+5 وهو غاز خامل في درجات الحرارة العادية، والسبب في ذلك أن الرابطة المشتركة (التساهمية) الثلاثية بين ذرتي الآزوت في الجزيء N≡N قوية جداً يحتاج كسرها إلى طاقة كبيرة قدرها 945.4 كيلوجول/ مول.

يتفاعل الآزوت مع الأكسجين عند إحداث شرارة كهربائية بوساطة قوس كهربائية في مزيج منهما بحسب المعادلة (3):

الوصف: الوصف: الوصف: 2128.jpg

(g) تعني غاز

يتفاعل الآزوت مع الهدروجين في درجة حرارة مرتفعة (500 ْس) وتحت ضغط مرتفع (600 ضغط جوي) بوجود حفّاز (وسيط) من أكسيد الحديد، فينتج غاز النشادر (الأمونيا)، وهذه الطريقة الصناعية تسمى طريقة هابر- بوش Haber-Bosch process كما في المعادلة (4):

الوصف: الوصف: الوصف: 2120.jpg

ويتحد الآزوت مع بعض المعادن ليعطي مركّبات تسمّى نتريدات nitrides يكون عدد أكسدته فيها (3-)، ويتم التفاعل مع الليثيوم في درجة حرارة الغرفة في حين يحتاج التفاعل مع المعادن الأخرى مثل الألمنيوم إلى درجات حرارة مرتفعة بحسب المعادلة (5):

الوصف: الوصف: الوصف: 2111.jpg

(s) تعني صلب

مركّبات الآزوت

لبعض مركّبات الآزوت أهمية صناعية كبرى مثل النشادر وأملاح الأمونيوم وحمض الآزوت والنترات والأمينات ومركبات النترو، وبعضها ضروري للحياة. ومن المواد الآزوتية المهمة ما يلي:

1 - المركبات الهدروجينية

- الأمونيا ammonia (NH3): أو النشادر هو أهمها، والهدْرازين H2N-NH2 والحمض الهدرازوئي HN3، وتصنف معها منتجات تفاعل حمض الهدرازوئي مع النشادر (أزيد الأمونيوم NH 4N3) ومع الهدرازين (أزيد الهدرازين N2 H5 N3).

يحضر الأمونيا صناعياً بطريقة هابر- بوش. والأمونيا غاز عديم اللون؛ لكن رائحته واخزة ومهيجة للأنسجة المخاطية. وهو شديد الذوبان ومحلوله المائي ذو خواص قلوية ضعيفة.

الوصف: الوصف: الوصف: 2102.jpg

يستخدم غاز الأمونيا في إنتاج حمض الآزوت وفي صناعة الأسمدة الزراعية الآزوتية مثل نترات الأمونيوم.

- الهدرازين hydrazine (NH2NH2): سائل له رائحة تشبه رائحة الأمونيا. يُطلق تفاعله مع الأكسجين كمية كبيرة من الطاقة، لذا يستخدم الهدرازين وميتيل الهدرازين في خلايا الوقود fuel cells ووقوداً دافعاً لإطلاق الصواريخ كما في المعادلة (7):

الوصف: الوصف: الوصف: 2093.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 2082.jpgتساوي (-622.2) كيلو جول

- الهدروكسيلامين (NH2.OH): مركّب قليل الثبات ينصهر في الدرجة 38 0س، وهو مرجع، ويعطي أملاح هدروكسيل الأمونيوم (NH3OHCl).

- حمض الهدرازوئي hydrazoic acid (HN3) :مركب مرجع قليل الثبات، وكذلك أملاحه. وهو سائل لا لون له يتجمد في الدرجة (-8 ْس) ويغلي في الدرجة 37 ْس، بخاره مخرش، وهو سام جداً ويتفجر بشدة؛ لذا يجب الحذر عند استعماله.

2- المركبات الأكسجينية

يكوِّن الآزوت مع الأكسجين خمسة أكاسيد مختلفة، هي أكسيد الآزوتي N2O، وأكسيد الآزوت NO، وثنائي أكسيد الآزوت NO2، وثلاثي أكسيد ثنائي الآزوت N2O3، وخماسي أكسيد ثنائي الآزوت N2O5. يُرمز لأكاسيد الآزوت بـ NOx ، وهي عموماً ملوثات للبيئة، ولكن لكل منها خصائص وتطبيقات خاصة:

- أكسيد الآزوتي nitrous oxide (N2O): وهو غاز عديم اللون له طعم حلو، يغلي بالدرجة (-90 ْس) ، قليل الانحلال في الماء، يستعمل مخدراً كما يستعمل مادة مضافة إلى الغذاء، حيث يرمز له بـ E942. يحضر أكسيد الآزوتي بتسخين نترات الأمونيوم كما في المعادلة (8):

الوصف: الوصف: الوصف: 2071.jpg

(aq) تعني محلول، (g) تعني غاز. (l) تعني سائل.

أكسيد الآزوت NO nitric oxide غاز عديم اللون يتفاعل بدرجة حرارة الغرفة مع الأكسجين؛ ليعطي ثنائي أكسيد الآزوت NO2 كما في المعادلة (9):

الوصف: الوصف: الوصف: 2060.jpg

ويتفاعل مع الأكسجين والماء؛ لينتج حمض الآزوتي كما في المعادلة (10):

الوصف: الوصف: الوصف: 2051.jpg

يقوم أكسيد الآزوت بدور فيزيولوجي رئيس في عمليات كثيرة مثل تنظيم ضغط الدم وتخثره، والنظام المناعي والهضم وفي حاستي النظر والسمع. وهو أكثر أكاسيد الآزوت فائدة في الصناعة مع أنه لا يعزل أبداً بالحالة الصرفة بسبب تأكسده. ويحصل عليه بأكسدة النشادر بالهواء. ويتحد تلقائياً مع الأكسجين بالدرجة العادية من الحرارة؛ فيعطي ثنائي الأكسيد NO2. يحوي جزيء NO عدداً فردياً من الإلكترونات :الوصف: الوصف: الوصف: 2040.jpg: فهو جذر حقيقي يدعى النتروزيل وهو يحقق تفاعلات ضمٍّ عديدة، ويعطي مع الهالوجينات هاليدات النتروزيل مثل كلور النتروزيل NOCl.

- ثلاثي أكسيد ثنائي الآزوت dinitrogen trioxide (N2O3) : سائل أخضر قابل للانحلال في الماء، يغلي في الدرجة 5.3 ْس . ويسمى بلا ماء حمض الآزوتي، وهو قليل الثبات، ويعطي مع الماء محلولاً حمضياً؛ هو حمض الآزوتي HNO2 الذي لا يمكن فصله لقلة ثباته، فهو يتفكك للحال، وتدعى أملاحه النتريتات nitrites.

تذوب أملاح نتريت المعادن القلوية في الماء، وهي أكثر ثباتاً من النترات الموافقة، ويمكن أن تشتق منها بالتفكك الحراري.

- ثنائي أكسيد الآزوت nitrogen dioxide (NO2): غاز لونه نارنجي (بني محمر) يستخدم لتحضير حمض الآزوت.

- رباعي أكسيد ثنائي الآزوت(N2O4) سائل في الدرجة صفر مئوية، ويثار تفكك جزيئاته في درجة غليانه 21,1 ْس، ويصبح التفكك كلياً في الدرجة 150 ْس وفق التفاعل:

الوصف: الوصف: الوصف: 2032.jpg

يحوي الجزيء NO2 عدداً فردياً من الإلكترونات؛ لذا يشبه في بعض تفاعلاته الجذور الحرة مثل ميله إلى التماثر وقدرته على إزاحة الهدروجين من الفحوم الهدروجينية المشبعة.

يستعمل N2O4 مُحِلاً لا مائياً. والناقلية الكهربائية للمُحِلّ السائل ضعيفة.

- خماسي أكسيد ثنائي الآزوت dinitrogen pentoxide N2O5: بلورات عديمة اللون تنحل في الماء لتعطي حمض الآزوت، وتسمى لهذا السبب بلا ماء حمض الآزوت.

يستحصل بإضافة أكسيد الفسفور (v) P2O5  إلى حمض الآزوت HNO3 المدخَّن في درجة من الحرارة أخفض من الصفر مئوية ثم التقطير ببطء في تيار من الأكسجين كما في المعادلة (11):

الوصف: الوصف: الوصف: 2023.jpg

وهو يتفكك بدرجة حرارة الغرفة، وينصهر في الدرجة 29 0س بانطلاق أكسجين. يتمتع بخاصة مؤكسدة قوية، فهو يحول اليود I2 إلى أكسيده I2O5.

حموض الآزوت

٭ حمض الآزوت nitric acid (HNO3): وهو من أكثر المركّبات الآزوتية الأكسجينية أهمية، عُرِف قديماً، واستعمل باسم «الماء القوي»، كما اشتهر بـ «ماء الفضة» لأنه كان يستعمل لفصل الفضة عن الذهب.

اكتشفه أول مرة العالم العربي جابر بن حيان الكوفي في القرن الثامن للميلاد. وكان يستحصله بتقطير ملح البارود بعد مزجه بالشب والزنجار (كربونات النحاس الأساسية) تقطيراً جافاً.

٭ حمض الآزوت النقي سائل عديم اللون يغلي في الدرجة 83 ْس ، ويتجمد في الدرجة (-41.06 ْس). عندما يكون تركيز حمض الآزوت أكبر من 86 % يسمى حمض الآزوت المدخن. يحضر حمض الآزوت صناعياً من غاز الأمونيا بطريقة أوستوالد (نسبة إلى العالم الألماني فيلهليم أوستوالد Wilhelm Ostwald  (1854- 1932). وتتم هذه الطريقة في ثلاث مراحل: أكسدة غاز الأمونيا إلى أكسيد الآزوت NO ثم إلى ثنائي أكسيد الآزوت NO2 الذي ينحل في الماء معطياً حمض الآزوت.

(المعادلات 12 و 13 و 14):

الوصف: الوصف: الوصف: 2015.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 2006.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 1997.jpg

٭ يتأين حمض الآزوت في الماء معطياً إيون النترات كما في المعادلة (15):

الوصف: الوصف: الوصف: 1989.jpg

ويتفكك حمض الآزوت بالضوء، وبالحرارة، ويعدّ مؤكسداً إذ يحرر غاز أكسجين وليد بحسب المعادلة (16):

الوصف: الوصف: الوصف: 1980.jpg

ولتجنب تفكك حمض الآزوت يجب تخزينه في زجاجات عاتمة بدرجة حرارة أخفض من صفر مئوية.

يتفاعل حمض الآزوت مع الأسس والأكاسيد القلوية والكربونات ليعطي أملاحاً. أما تفاعله مع المعادن؛ فينجم عنه نترات المعدن والماء وأحد أكاسيد الآزوت، وينتج الهدروجين في تفاعل حمض الآزوت الممدد مع الكلسيوم والمغنزيوم كما في المعادلة (17):

الوصف: الوصف: الوصف: 1970.jpg

يتفاعل حمض الآزوت مع اللامعادن، فيؤكسدها، فمع الكربون يعطي ثنائي أكسيد الكربون، ومع الكبريت يعطي حمض الكبريت بحسب المعادلتين (18 و19):

الوصف: الوصف: الوصف: 1961.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 1951.jpg

يستخدم حمض الآزوت في صناعة الأسمدة والمتفجرات وفي التعدين.

وتسوَّق محاليله المائية بتراكيز مختلفة. ويمكن لخليط من حمض الآزوت وحمض كلور الماء HCl بنسبة 3 مول من حمض كلور الماء ومول واحد من حمض الآزوت - ويعرف هذا الخليط بالماء الملكي - أن يحل الذهب والبلاتين. وبإمكان حمض الآزوت شديد التركيز تمنيع passivation بعض المعادن، فالحديد المعالَج بحمض الآزوت الوسطي التمديد لا يتأثر عملياً بحمض الآزوت الشديد التركيز، بل يغدو ممنَّعاً؛ أي إن قطعة الحديد التي غدت ممنَّعة لم تعد تتأثر بحمض الآزوت المركّز.

ويعطي حمض الآزوت إسترات مع الأغوال، ومنتجات تبادل مع المواد العطرية العضوية كالحصول على النتروبنزن بتأثير حمض الآزوت في البنزن C6H6 كما في المعادلة (20):

الوصف: الوصف: الوصف: 1943.jpg

ويفيد حمض الآزوت في تحضير الأسمدة الآزوتية، كما أن لمشتقاته العطرية المنترجة بالحمض (مركّبات النترو) وإستراته مع متعددات أغوال شتى مثل النيتروغليسرين والنتروسلّولوز استعمالات عديدة.

أملاح النترات (الآزوتات)

- نترات الأمونيوم NH4NO3: من أهم الأسمدة الزراعية وأغناها بالآزوت، تحضر من تفاعل حمض الآزوت المركز مع غاز الأمونيا، وهو تفاعل حمض- أساس يتطلب الحذر كما في المعادلة (21):

الوصف: الوصف: الوصف: 1934.jpg

تعدّ نترات الأمونيوم مؤكسداً قوياً، وهذا سبب استخدامها في المتفجرات. القدرة الانفجارية الكبيرة لنترات الأمونيوم عند تماسها مع مركّبات عضوية تسببت بكوارث صناعية كبرى ذهب ضحية بعضها مئات الأشخاص.

- نترات البوتاسيوم KNO3: يوجد هذا الملح في الطبيعة، وسمّاه العرب ملح البارود، وهو يستخدم سماداً ومادة حافظة للأغذية.

- نترات الصوديوم NaNO3: يوجد هذا الملح في الطبيعة، وعرف باسم ملح تشيلي، يستخدم سماداً كما أن له العديد من الاستخدامات الأخرى في صناعة المتفجرات والطلاء بالمينا، ومادةً حافظة للأغذية.

- نترات الفضةAgNO3: يستعمل هذا الملح في صناعة أفلام التصوير والمتفجرات كما أن له استخدامات مخبرية وطبية.

مركبات الآزوت العضوية

يوجد الآزوت في عدة أنواع من المركبات العضوية منها:

- الأمينات amines هي مركّبات عضوية تشتق صيغتها من صيغة غاز الأمونيا NH3 باستعاضة ذرة هدروجين أو أكثر بعدد مماثل من الجذور الألكيلية. فإذا استبدلت ذرة هدروجين أو ذرتان أو ثلاث ذرات، نتجت الأمينات الأولية أو الثانوية أو الثالثية:

الوصف: الوصف: الوصف: 3-2.psd

- الأميدات amides هي مركّبات تشتق بإبدال ذرة هدروجين أو أكثر عدداً مماثلاً من جذورالأستيل R-CO- أي جذور الحموض العضوية:

الوصف: الوصف: الوصف: 3-3.psd

وهي تضم ثلاثة أصناف من الأميدات:

- الأزيدات azides هي مركّبات يرتبط فيها الجذر (-N3) بذرة كربون وصيغتها العامة R-CO-N3.

- الإمينات imines وهي مركّبات عضوية تحتوي على الزمرة NH =، وفيها رابطة مضاعفة بين ذرة كربون وذرة الآزوت R-CH = NH.

- مركبات النترو nitro compounds يرتبط فيها الجذر (-NO2) بذرة كربون مباشرة. فصيغتها العامة R-NO2، وهي تتميز تميزاً واضحاً من إسترات حمض الآزوتي RONO كما تتميز من إسترات حمض الآزوت RONO2؛ إذ إن ذرة الآزوت في كل من هذين الصنفين ترتبط فقط بالأكسجين، وليس بالكربون والأكسجين كما هي الحال في مركّبات النترو.

تمام درويش

 

 

مراجع للاستزادة:

- F. A. Cotton et al., Advanced Inorganic Chemistry, Interscience Publishers, New York, 1999.

- J. Hill, R. Petrucci, T. McCreary and S.Perry, General Chemistry, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2005.

- D.R. Lide, (ed.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version, 87th Edition, <http:‘’www.hbcpnetbase.com>, Taylor and Francis, Boca, 2007.


 

 

 

 


التصنيف : الكيمياء اللاعضوية
النوع : الكيمياء اللاعضوية
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 578
الكل : 27490897
اليوم : 25035