شارح الدرس: خواص النيتروجين الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف ونوضِّح خواص وتفاعلات عنصر النيتروجين.

يمكن القول إن النيتروجين أشهر عناصر المجموعة 15. وهو قابل للذوبان قليلًا في الماء، لكن ذوبانيته تعتمد على درجة الحرارة والضغط المحيطين. وهو الغاز الأكثر وفرةً في الغلاف الجوي للأرض، ويتسم بكونه عديم اللون والرائحة وغير تفاعلي. وغاز النيتروجين غير تفاعلي كيميائيًّا بسبب وجود رابطة ثلاثية قوية في كل جزيء ثنائي الذرة من جزيئات غاز ، كما هو موضَّح في الآتي.

نظرًا لأن النيتروجين غاز متعادل، فليس له أي تأثير على محاليل اختبار ورقة عبَّاد الشمس. وللتغلُّب على الطبيعة غير التفاعلية للنيتروجين، تتطلَّب عادةً التفاعلات التي تتضمَّن هذا الغاز في صورته العنصرية وجود شرارة كهربية أو حرارة قوية لتبدأ؛ وذلك لكسر الرابطة التساهمية الثلاثية التي يبلغ إنثالبي الرابطة الخاص بها 942 kJ/mol.

يوضِّح الجدول الآتي خواص فيزيائية ومعلومات أخرى مهمة عن النيتروجين:

الهواء خليط، ويمكن عزل النيتروجين منه في المختبر، بشرط أن نتمكَّن من إزالة ثاني أكسيد الكربون، والماء، والأكسجين الذي يوجد في خليط الهواء العادي.

يُعَد الجهاز كما هو موضَّح في الشكل، وفي البداية يُستخدَم الماء لإغلاق الوعاء الأول.

تُمَرَّر فقاعات الهواء في محلول هيدروكسيد الصوديوم الكاوي الموجود في الوعاء الثاني؛ حيث يحدث تفاعل بين هيدروكسيد الصوديوم وثاني أكسيد الكربون، ما يؤدي إلى إزالته من خليط الهواء:

تمر، بعد ذلك، المواد الكيميائية المتبقية عبر حمض الكبريتيك المُركَّز الموجود في الوعاء الثالث، ما يؤدي إلى نزع الماء من خليط الهواء وإزالة بخار الماء.

بعد ذلك، ينتقل ما يتبقى من خليط الهواء إلى أنبوب زجاجي أفقي مفتوح النهاية؛ حيث تمر الغازات على كومة صغيرة من خراطة نحاس مسخنة بشدة. ويُزال الأكسجين من خليط الغازات أثناء تفاعله مع خراطة النحاس المسخَّنة:

ويُجمَّع الغاز المتبقي، وهو نيتروجين نقي تقريبًا، فوق الزئبق في مخبار غاز.

ثمة طريقة أخرى لتحضير النيتروجين في المختبر تتضمَّن تسخين خليط من محاليل كلوريد الأمونيوم ونيتريت الصوديوم.

يُعَد الجهاز كما هو موضَّح في الشكل، ويُضاف كلوريد الأمونيوم قطرةً قطرةً إلى محلول ساخن من نيتريت الصوديوم.

وهذا يؤدي إلى تكوين نيتريت الأمونيوم في خليط المحلول، وهو ما يمكن أن يتفكَّك بعد ذلك إلى ماء وغاز النيتروجين. ويُجرَى التفاعل بهذه الطريقة؛ لأن نيتريت الأمونيوم غير مستقر إلى حد كبير، ولا يمكن تحضيره مسبقًا. المعادلة الكلية لهذا التفاعل هي:

لكن التفكُّك الذي يعنينا هنا يتضمَّن نيتريت الأمونيوم فقط:

بعد عزل عنصر النيتروجين من الهواء أو من خلال التفاعلات الكيميائية، يصبح بإمكانه الدخول في بعض التفاعلات الجديرة بالملاحظة. أول هذه التفاعلات، التي يجب إحداثها باستخدام شرارة كهربية، هو التفاعل مع الهيدروجين لتكوين غاز الأمونيا:

على نحو مماثل، يمكن استخدام قوس كهربي لإحداث التفاعل بين غازَي النيتروجين والأكسجين لتكوين أكسيد النيتريك من خلال عملية مكوَّنة من خطوتين؛ حيث يتكوَّن في البداية أول أكسيد النيتروجين: الذي يتفاعل مع المزيد من الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد النيتروجين:

على الرغم من أن النيتروجين غير تفاعلي عند درجات الحرارة العالية، فإنه يتفاعل مع الفلزات المُختزِلة القوية، مثل المغنيسيوم، لتكوين نيتريد المغنيسيوم في تفاعل الاتحاد المباشر الآتي:

يتفكك هذا المسحوق ذو اللون الأصفر المخْضَر عند خلطه بالماء، وينتج عن هذا التفاعل غاز الأمونيا وهيدروكسيد المغنيسيوم:

ثمة تفاعل مهم صناعيًّا للنيتروجين يتضمَّن التفاعل مع كربيد الكالسيوم، باستخدام القوس الكهربي أيضًا، لتكوين مادة كيميائية تُعرَف باسم سيناميد الكالسيوم التي تُستخدَم في الأسمدة:

على الرغم من أنه قد لا يكون واضحًا للوهلة الأولى سبب كون سيناميد الكالسيوم الناتج سمادًا فعالًا، يمكننا إنتاج مادتين كيميائيتين مألوفتين أكثر عند إضافة الماء:

هذا الإنتاج للأمونيا، عند معالجة سيناميد الكالسيوم بالماء، يؤدي إلى تزويد التربة بالأمونيا، ما يوفِّر مصدرًا للنيتروجين ضروريًّا لنمو النباتات والمحاصيل بشكل فعَّال.

إن أحد أهم مركبات النيتروجين هي الأمونيا التي تُحضَّر على النطاق الصناعي باستخدام عملية هابر-بوش. يتفاعل غازا النيتروجين والهيدروجين عند درجة حرارة تقريبًا باستخدام عامل حفَّاز من الفلزات الانتقالية. ويُجرَى هذا التفاعل عادةً في وعاءٍ ضغطُه مضبوطٌ على 200 atm تقريبًا، مع استخدام جزء كبير من الأمونيا الناتجة في إنتاج الأسمدة.

لكن يمكن إنتاج غاز الأمونيا في المختبر باستخدام خليط من كلوريد الأمونيوم وهيدروكسيد الكالسيوم:

إذا حاولتَ إجراء هذه التجربة في المختبر وأردتَ اختبار إذا ما كنتَ قد أنتجتَ غاز الأمونيا بطريقة صحيحة أو لا، فإن أحد أسهل الاختبارات التي يمكنك اتباعها هو استخدام بخار كلوريد الهيدروجين. فيمكن إنتاج من حمض الهيدروكلوريك المركَّز ليتفاعل مع الأمونيا ويكوِّن كلوريد الأمونيوم:

كلوريد الأمونيوم مادة صلبة بلورية بيضاء تتكوَّن في البداية في صورة بخار، وهو ما يمكن رؤيته في الصورة الآتية.