نیتروژن

نیتروژن

نیتروژن یکی از عنصرهای شیمیایی در جدول تناوبی است که نشان شیمیایی آن N و عدد اتمی آن ۷ است. نیتروژن معمولاً به صورت یک گاز، نافلز، دو اتمی بی اثر، بی‌رنگ، بی‌مزه و بی‌بو است که ۷۸٪ جو زمین را دربر گرفته و عنصر اصلی در بافت‌های زنده است. نیتروژن ترکیبات مهمی مانند آمونیاک، اسید نیتریک و سیانیدها را شکل می‌دهد. بدن انسان حاوی حدود 3 درصد نیتروژن جرمی است که چهارمین عنصر فراوان در بدن پس از اکسیژن، کربن و هیدروژن است.

بسیاری از ترکیبات مهم صنعتی مانند آمونیاک، اسید نیتریک، نیترات های آلی (مواد پیشران و مواد منفجره) و سیانیدها حاوی نیتروژن هستند. پیوند سه گانه بسیار قوی در نیتروژن عنصری (N≡N)، دومین پیوند قوی در هر مولکول دو اتمی پس از مونوکسید کربن (CO)، [5] بر شیمی نیتروژن غالب است.

اولین بار توسط پزشک اسکاتلندی دانیل رادرفورد در سال 1772 کشف و جدا شد. اگرچه کارل ویلهلم شیله و هنری کاوندیش به طور مستقل تقریباً در همان زمان این کار را انجام داده بودند، اما عموماً به رادرفورد اعتبار داده می شود زیرا کار او برای اولین بار منتشر شد. نام نیتروژن توسط شیمیدان فرانسوی Jean-Antoine-Claude Chaptal در سال 1790 پیشنهاد شد، زمانی که مشخص شد نیتروژن در اسید نیتریک و نیترات ها وجود دارد. Antoine Lavoisier به جای آن نام آزوت را از یونان باستان پیشنهاد کرد: "بدون زندگی"، زیرا گاز خفگی است.

چرخه نیتروژن

نیتروژن از گروه غیرفلزات بوده و دارای بار الکترون منفی ۳٫۰ می‌باشد. نیتروژن پنج الکترون در پوسته خود داشته و در نتیجه در اکثر ترکیبات سه‌ظرفیتی است. نیتروژن خالص یک گاز بی‌اثر و بی‌رنگ است و ۷۸٪ جو زمین را به خود اختصاص داده‌است. در ۶۳K منجمد شده و در ۷۷K به صورت مایع، به ماده سرمایشی معروف سرمازا (Cryogen) تبدیل می‌شود.

به طور کلی چرخه نیتروژن به زبان ساده عبارت است از: نیتروژنِ هوا به هنگام رعد و برق به اکسید نیتروژن تبدیل شده و در باران حل شده و جذب خاک می‌شود؛ در خاک این ترکیبات، توسط باکتری‌ها به موادی تبدیل می‌شوند که بوسیله گیاهان جذب می‌شوند. حیوانات با خوردن گیاهان، نیتروژن را وارد بدن خود می‌کنند، با مردن و تجزیه اندام حیوانات، دوباره نیتروژن وارد هوا می‌شود.

گیاهان با انجام عمل فتوسنتز باعث تولید اکسیژن، انرژی و گلوکز(قند ساده) می‌شوند؛ حال برای آنکه گیاه بتواند با کمک قند ساخته شده ، پروتئین سازی کند ، نیاز به نیتروژن دارد؛اما نمی‌تواند این نیتروژن را بطور مستقیم از هوا دریافت کند، بلکه می بایست آن را بصورت یک ماده محلول درآب به نام نیترات توسط ریشه های خود جذب نماید.

تاریخچه

ترکیبات نیتروژن تاریخچه بسیار طولانی دارند، کلرید آمونیوم برای هرودوت شناخته شده است. آنها در قرون وسطی به خوبی شناخته شده بودند. کیمیاگران اسید نیتریک را به عنوان آکوا فورتیس (آب قوی) و همچنین سایر ترکیبات نیتروژن مانند نمک های آمونیوم و نمک های نیترات می شناختند. مخلوط اسیدهای نیتریک و هیدروکلریک به عنوان aqua regia (آب سلطنتی) شناخته می شد که به دلیل توانایی آن در حل کردن طلا، پادشاه فلزات، مشهور بود.

کشف نیتروژن به پزشک اسکاتلندی دانیل رادرفورد در سال 1772 نسبت داده می شود که آن را هوای مضر نامید.

اولین کاربردهای نظامی، صنعتی و کشاورزی ترکیبات نیتروژن از نمک نمک (نیترات سدیم یا نیترات پتاسیم)، به ویژه در باروت و بعداً به عنوان کود استفاده می‌کرد.

کاربردها

کاربردهای ترکیبات نیتروژن طبیعتاً به دلیل اندازه عظیم این کلاس بسیار متنوع است: از این رو، در اینجا فقط کاربردهای نیتروژن خالص در نظر گرفته می شود. دو سوم (2/3) نیتروژن تولید شده توسط صنعت به عنوان گاز و یک سوم باقی مانده (1/3) به عنوان مایع فروخته می شود.

هر زمان که اکسیژن موجود در هوا خطر آتش سوزی، انفجار یا اکسید شدن را به همراه داشته باشد، از این گاز بیشتر به عنوان یک جو بی اثر استفاده می شود. برخی از نمونه ها عبارتند از:

• به عنوان یک اتمسفر اصلاح شده، خالص یا مخلوط با دی اکسید کربن، برای نیتروژنه کردن و حفظ تازگی غذاهای بسته بندی شده یا حجیم (با به تاخیر انداختن ترشیدگی و سایر اشکال آسیب اکسیداتیو).
• در لامپ های رشته‌ای به عنوان جایگزین ارزان قیمت برای آرگون.
• در سیستم های اطفاء حریق برای تجهیزات فناوری اطلاعات
• در ساخت فولاد ضد زنگ
• در مورد سخت شدن فولاد با نیتریدینگ
• در برخی از سیستم های سوخت هواپیما برای کاهش خطر آتش سوزی (به سیستم اینرسی مراجعه کنید).
• برای باد کردن لاستیک‌های اتومبیل‌های مسابقه‌ای و هواپیما، کاهش مشکلات انبساط و انقباض ناسازگار ناشی از رطوبت و اکسیژن در هوای طبیعی.

فراوانی

نیتروژن بیشترین عنصر جو کره زمین از نظر حجم است. (۷۸ درصد ) و برای اهداف صنعتی با عمل تقطیر هوای مایع بدست می‌آید. نیتروژن -۱۴ در اثر عمل همجوشی هسته‌ای در ستارگان، تولید می‌گردد. نیتروژن از ترکیبات عمده ضایعات حیوانی (مانند چلغوز یا کود) بوده و معمولاً به صورت اوره، اسید اوریک و ترکیباتی از محصولات نیتروژنی یافت می‌شود.

ایزوتوپ‌ها

نیتروژن دو ایزوتوپ پایدار دارد: (N-14 , N-15). که مهم‌ترین آن دو(N-14 99.634%) است که در چرخه CNO در ستارگان تولید می‌شود. مابقی، ایزوتوپ N-15 است. یکی از ده ایزوتوپی که به صورت مصنوعی تولید می‌شوند دارای نیمه عمر نه دقیقه‌ای داشته و ایزوتوپ‌های دیگر نیمه عمر چند ثانیه یا کمتر دارند.

واکنش‌های زیست‌شناختی-واسطه‌ای (مانند همانند سازی، جذب و ترکیب نیترات سازی) و … پویایی نیتروژن در خاک را به شدت کنترل می‌کنند. این ترکیبات معمولاً باعث عمل غنی سازی N-15 لایه زیرین و تخلیه محصول می‌شود. البته این فرایند سریع اغلب مقادیری از آمونیام و نیترات نیز دربردارد، زیرا آمونیوم به صورت ترجیحی به‌وسیله سایبان جو نیترات، نگهداری می‌شود. خاک نیتراتی نسبت به خاک آمونیومی، توسط ریشه درختان بهتر جذب و ترکیب می‌شود.

آلوتروپ نیتروژن

دی نیتروژن (N2)

نیتروژن اتمی، همچنین به عنوان نیتروژن فعال شناخته می شود، بسیار واکنش پذیر است، و یک سه رادیکال با سه الکترون جفت نشده است. با توجه به واکنش پذیری زیاد نیتروژن اتمی، نیتروژن عنصری معمولاً به صورت N2 مولکولی، دی نیتروژن ظاهر می شود. این مولکول یک گاز دیامغناطیسی بی رنگ، بی بو و بی مزه در شرایط استاندارد است: در دمای -210 درجه سانتیگراد ذوب می شود و در -196 درجه سانتیگراد می جوشد. دی نیتروژن عمدتاً در دمای اتاق غیر فعال است، اما با این وجود با فلز لیتیوم و برخی کمپلکس های فلزات واسطه واکنش نشان می دهد. این به دلیل پیوند آن است که در بین عناصر دو اتمی در شرایط استاندارد منحصر به فرد است زیرا دارای پیوند سه گانه N≡N است. پیوندهای سه گانه دارای طول پیوند کوتاه (در این مورد، 109.76 بعد از ظهر) و انرژی تفکیک بالا (در این مورد، 945.41 کیلوژول بر مول)، و بنابراین بسیار قوی هستند، که بی اثری شیمیایی دی نیتروژن را توضیح می دهد.

منابع نیتروژن

نیتروژن از منابع مختلفی مانند تثبیت صنعتی، تثبیت اتمسفری آن، تثبیت بیولوژیکی و منابع آلی قابل دسترس است؛ که نیتروژن قابل دسترس صنعتی مهم‌ترین منبع نیتروژن در جهان است.تثبیت صنعی نیتروژن برای اولین بار در جهان توسط Caro در سال ۱۹۰۱ با استفاده از N2 و Ca (CN2) از کلسیم کاربید انجام شد. بعد از آن Harber و Bosh آمونیاک را از گاز نیتروژن و گاز هیدروژن در درجه حرارت بالا ۴۰۰–۶۰۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار حدود ۲۰۰–۱۰۰۰ اتمسفر تولید کردند.

تثبیت نیتروژن اتمسفری

تثبیت نیتروژن اتمسفری زمانی اتفاق می‌افتد که گاز نیتروژن (N2) توسط انرژِی نور شکسته می‌شود و تبدیل به نیتریک اکسید (NO2) می‌شود و سپس با اکسیژن ترکیب می‌شود و نیترات را تولید می‌کند؛ که توسط باران به زمین منتقل می‌شود. مقدار نیتروژنی که توسط این روش تثبیت می‌شود کم می‌باشد.

تثبیت بیولوژیکی نیتروژن

این روش تثبیت نیتروژن توسط میکروارگانیسم‌ها صورت می‌پذیرد. این میکروارگانیسم‌ها نیتروژن اتمسفری را توسط فرایند آمونیفیکاسیون (توسط باکتری) تبدیل به آمونیم می‌کنند؛ و سپس توسط باکتری‌هایی مانند nitrosomonas, nitrosospira و nitrosococcus آمونیوم تبدیل به نیتریک اکسید و سپس توسط باکتری‌هایی مانند نیتروباکتر، نیتروسپیرا، نیتروسپینا و نیتروکوکوس نیتریک اکسید تبدیل به نیترات می‌شود که بهترین فرم قابل جذب برای رشد و نمو گیاه شناخته می‌شود (۸).

تثبیت آلی نیتروژن

انواع مختلفی از کودهای آلی وجود دارد که حاوی نیتروزن می‌باشد. کودهای متراکمی مانند کودهای مورد استفاده در حیاط خانه (0.5% N)، کود مرغی (3.03 % N)، کمپوست مزرعه (0.5 % N) و کود سبز (G.M).

روش‌های تولید نیتروژن

روش‌های اصلی تولید نیتروژن در صنعت عبارتند از :

روش کرایوژنیک( COLD BOX)

در این روش در حالت معمول نیتروژن با خلوص ۹۹.۹۹% و اکسیژن با خلوص ۹۹.۶% تولید می‎شود و امکان تولید نیتروژن و اکسیژن با خلوص بسیار بالا جهت مصارف خاص نیز وجود دارد. نیتروژن مایع نیز فقط از این روش تولید می‎شود. در این روش هوای فشرده توسط چیلر آبی کاهش دما یافته و وارد درایر می‎شود که داخل آن رطوبت و روغن و ناخالصی‎های آن گرفته شده کاملا خشک می‎شود و پس از ورود به COLD BOX دمای آن تا ۱۹۶درجه سانتیگراد کاهش می‎یابد و به هوای مایع تبدیل می‌شود. این هوای مایع با ورود به قسمت پایین برج با توجه به اختلاف نقطه شبنم نیتروژن و اکسیژن فشارآن کاسته می‎شود و ابتدا نیتروژن با رسیدن به دمای جوش بصورت گاز و با خلوص بالا از قسمت بالای برج خارج می‎شود و قسمتی از آن نیز پس از عبور از کندانسور به نیتروژن مایع تبدیل می‎شود و جهت ذخیره سازی وارد مخازن مخصوص نگهداری نیتروژن مایع می‎شود.

 روش جذب سطحی( PSA (Pressure Swing Absorption) )

دراین روش که یکی از متداول‎ترین روش‎های تولید نیتروژن می‎باشد.  ابتدا هوای فشرده پس از عبور از درایر و تله آبگیر درصد بالایی از رطوبت و روغن معلق موجود در هوا را جذب نموده و سپس با عبور از دو میکرو فیلتر سری شده ۱ میکرون و ۰.۰۱ میکرون رطوبت و روغن باقیمانده آن از هوای فشرده کاملا جذب شده و سپس هوای کاملا خشک و فشرده وارد فیلتر مولد نیتروژن حاوی کربن‎های مخصوصی بنام کربن مولکولار سیو با سطوح متخلخل کاملا منظم با قطر حفرات ۴ انگسترومی شده که با توجه به اینکه قطر مولکولی اکسیژن ۳.۸انگستروم و قطر مولکولی نیتروژن ۴.۲ انگستروم می‎باشد فقط مولکول‌های ریزتر اکسیژن توان نفوذ به داخل حفرات ریز ۴ انگسترومی کربنی را یافته و در آن به دام می‌افتند و بنابراین مولکول‎های نیتروژن از لابه‎لای مواد کربنی با خلوص معینی از بالای فیلتر خارج می‎شوند و پس از طی مدت معینی بسته به اندازه بالن فیلتر و دبی خروجی CMS ها از اکسیژن اشباع می‌شوند و باید با خالی شدن هوای فشرده داخل از منافذ کربنی بیرون امده و از خروجی پایین بالن فیلتر خارج شوند و چون فرایند احیا زمان تلف شده در فرایند تولید نیتروژن ایجاد می‎کند. از دو بالن فیلتر استفاده می‎شود که در زمانی که یک بالن فیلتر در حال احیا شدن است فیلتر دوم عمل تولید نیتروژن را انجام دهد و این عمل بطور اتوماتیک توسط مدار کنترل و شیرهای برقی ادامه پیدا می‎کند. در این روش فراوری و خشک بودن هوای فشرده ورودی بسیار مهم بوده و چنانچه از میکروفیلترهای مناسب که قیمت بالایی نیز دارند استفاده نشود رطوبت و بخصوص روغن معلق هوای فشرده خروجی از کمپرسور به سرعت منافذ کربن را می‎پوشانند و از جذب اکسیژن جلوگیری کرده و در واقع مواد CMS مولد را تخریب کرده و بشدت خلوص نیتروژن خروجی را کاهش می‎دهد. در حال حاضر اکثر دستگاه‎های مولد نیتروژن تایر با این سیستم کار می‎کنند.

منابع:

"Gases - Density". The Engineering Toolbox. Retrieved 27 January 2019.

Rutherford, Daniel (1772) "Dissertatio Inauguralis de aere fixo, aut mephitico Archived 2020-08-06 at the Wayback Machine" (Inaugural dissertation on the air [called] fixed or mephitic), M.D. dissertation, University of Edinburgh, Scotland. English translation: Dobbin, Leonard (1935). "Daniel Rutherford's inaugural dissertation". Journal of Chemical Education. 12 (8): 370–75.

"Improvements in the Manufacture of Nitric Acid and Nitrogen Oxides", published .

Priestley, Joseph (1772). "Observations on different kinds of air". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 62: 147–256.

Bowden, F. P. (1958). "Initiation of Explosion by Neutrons, α-Particles, and Fission Products". Proceedings of the Royal Society of London A.

Reich, Murray; Kapenekas, Harry (1957). "Nitrogen Purfication. Pilot Plant Removal of Oxygen". Industrial & Engineering Chemistry. 49 (5): 869–73.

Kennett, Andrew J. (2008). Design of a pneumatically assisted shifting system for Formula SAE® racing applications (Thesis). Dept. of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology.