تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: خواص النيتروجين الكيمياء

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 NN ثلاثية قوية في كل جزيء ثنائي الذرة من جزيئات غاز N2، كما هو موضَّح في الآتي. NN

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:

درجة انصهار النيتروجين210C
درجة غليان النيتروجين196C
الكثافة1.25 g/L
حالات التأكسد الشائعة3، 2، 1، +1، +2، +3، +4، +5

مثال ١: تحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية لغاز النيتروجين

أيٌّ من الآتي ليس من خواص غاز النيتروجين؟

  1. تتكوَّن بنيته من ذرتَي نيتروجين تربطهما رابطة تساهمية ثلاثية.
  2. عديم اللون والرائحة والمذاق.
  3. له تأثير متعادل على ورقة عباد الشمس.
  4. أثقل من الهواء.
  5. قابل للذوبان قليلًا في الماء.

الحل

في هذا السؤال، مطلوبٌ منا تحديد أيُّ خاصية من قائمة الخواص المُعطاة لا تَصِف بدقة غاز النيتروجين.

يُشير الخيار أ إلى أن بنية النيتروجين تتكوَّن من ذرتَي نيتروجين تربطهما رابطة تساهمية ثلاثية، وبما أن كل الإلكترونات الثلاثة في الغلاف الفرعي p لذرتَي النيتروجين تشارك في تكوين الروابط التساهمية في جزيئات النيتروجين الثنائية الذرة، إذن نعلم أن الخيار أ من خواص غاز النيتروجين؛ ومن ثَمَّ، فهو ليس الإجابة الصحيحة.

يُستخدَم النيتروجين في أكياس رقائق البطاطس لتوفير وسط خامل ومنع أكسدة الطعام قبل تناوله؛ وذلك لأنه عديم اللون والرائحة والمذاق. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار ب خطأ أيضًا.

نظرًا لأن النيتروجين غاز خامل ليست له خواص حمضية أو قاعدية، نتوقَّع أن يكون له تأثير متعادل على ورقة عباد الشمس، ما يعني أن الخيار ج غير صحيح.

يتكوَّن الهواء في الأساس من جزيئات نيتروجين (N2) وجزيئات أكسجين (O2). والكتلة الجزيئية لمعظم جزيئات الأكسجين 32، والكتلة الجزيئية لمعظم جزيئات النيتروجين 28. ومن ثَمَّ، لا بد أن يتراوح متوسط الكتلة الجزيئية لجزيء الهواء ما بين 28 و32، وهذا أثقل من متوسط كتلة جزيء النيتروجين. يوضِّح هذا الاستنتاج المنطقي أن النيتروجين أخف من الهواء، ويُشير أيضًا إلى أن الخيار د هو الإجابة الصحيحة.

النيتروجين قابل للذوبان قليلًا في الماء، وإن كانت الكمية التي تذوب منه تختلف حسب ظروف أخرى؛ ومن ثَمَّ، فإن الخيار د هو الإجابة الصحيحة.

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: 2NaOH()+CO()NaCO()+HO()aqgaql2232

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: 2Cu()+O()2CuO()sgs2

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

مثال ٢: استخدام النحاس في عملية تحضير النيتروجين من الهواء الجوي

في عملية تحضير النيتروجين من الهواء الجوي، ما دور خراطة النحاس المُسخَّنة إلى درجة الاحمرار؟

الحل

للحصول على النيتروجين من الهواء الجوي، من الضروري إزالة الغازات غير المرغوبة الأخرى الموجودة في الهواء، وهي الأكسجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء.

يمكن معادلة ثاني أكسيد الكربون وإزالته باستخدام محلول كاوٍ؛ لأنه غاز حمضي، ولذلك من المستبعد أن يكون ذلك دور خراطة النحاس المسخَّنة إلى درجة الاحمرار. ويُزال بخار الماء عادةً باستخدام عامل لنزع الماء، مثل حمض الكبريتيك المُركَّز.

عند التسخين، يمكن أن تسلك خراطة النحاس سلوك العامل المُختزِل، وتتفاعل في هذه الحالة مع غاز الأكسجين لإزالة هذا الغاز ممَّا تبقى من خليط الهواء. إذن الإجابة الصحيحة هي إزالة غاز الأكسجين.

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: NaNO()+NHCl()NaCl()+2HO()+N()2422aqaqaqlg

لكن التفكُّك الذي يعنينا هنا يتضمَّن نيتريت الأمونيوم فقط: 2NHNO()4HO()+2N()4222aqlg

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: N()+3H()2NH()223gggCارة

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: N()+O()2NO()22gggCس الذي يتفاعل مع المزيد من الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد النيتروجين: 2NO()+O()2NO()ggg22

مثال ٣: تحديد ناتج التفاعل بين النيتروجين والأكسجين

يمكن التغلُّب على الطبيعة الخاملة لغاز النيتروجين (N2) من خلال استخدام أقواس كهربية عالية الطاقة لكسر الروابط بين ذرتَيْه. في غلاف جوي من الهيدروجين والنيتروجين، يتسبَّب القوس الكهربي في تكوين غاز الأمونيا (NH3). ما الناتج الرئيسي المتكوِّن عند إحداث القوس الكهربي تفاعلًا في غلاف جوي من النيتروجين وكمية فائضة من الأكسجين؟

  1.  NO25
  2.  NO
  3.  NO23
  4.  NO2
  5.  NO2

الحل

في هذا التفاعل، يلزم وجود قوس كهربي لكسر الروابط القوية الموجودة بين ذرتَي جزيء غاز النيتروجين. عندما تتفاعل هاتان الذرتان مع جزيئات الأكسجين، تكوِّنان في البداية جزيئات أول أكسيد النيتروجين (NO) غير المستقر. وتتفاعل جزيئات أول أكسيد النيتروجين سريعًا مع ذرات الأكسجين لتكوِّن غاز ثاني أكسيد النيتروجين الأكثر استقرارًا؛ ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار هـ.

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: 3Mg()+N()MgN()sgs232

يتفكك هذا المسحوق ذو اللون الأصفر المخْضَر عند خلطه بالماء، وينتج عن هذا التفاعل غاز الأمونيا وهيدروكسيد المغنيسيوم: MgN()+6HO()2NH()+3Mg(OH)()32232slgaq

مثال ٤: تحديد ناتج التفاعل بين النيتروجين والأكسجين

يتفاعل نيتريد المغنيسيوم بقوة مع الماء لتكوين الأمونيا وهيدروكسيد المغنيسيوم، طبقًا للتفاعل الآتي: MgN+HONH+Mg(OH)32232

أيُّ الأعداد الآتية، بالترتيب الصحيح، تُمثِّل المُعامِلات التكافُئِيَّة المفقودة من معادلة التفاعل؟

  1. 1، 3، 1، 2
  2. 1، 3، 2، 2
  3. 2، 6، 4، 3
  4. 2، 3، 4، 3
  5. 1، 6، 2، 3

الحل

على الرغم من أن هذا السؤال يتضمَّن بالأساس وزن معادلة كيميائية فقط، فإنه ليس بسيطًا؛ لأن علينا التعامل مع ذرات ثلاثية التكافُؤ.

إذا بدأنا بنيتريد المغنيسيوم وافترضنا أن قيمة المعامل التكافُئي الصحيح لهذه المادة واحد، فلا بد أن تكون قيمة معامل هيدروكسيد المغنيسيوم الناتج ثلاثة. وما يؤكد ذلك هو أن ثلاثة من خيارات الإجابة تتفق مع هذا الاستنتاج؛ ومن ثَمَّ، يبدو أننا على المسار الصحيح.

إذا كانت قيمة المعامل التكافُئي لهيدروكسيد المغنيسيوم ثلاثة، فلا بد أن يكون لدينا ست ذرات أكسجين إجمالًا في النواتج، ما يعني أنه يجب أن تكون لدينا ست ذرات أكسجين في المتفاعلات، الأمر الذي يعني بدوره أن قيمة المعامل التكافُئي للماء لا بد أن تكون ستة. ويتأكد ذلك الاستنتاج في خيارَي الإجابة ج، هـ.

بالنظر إلى إجمالي عدد ذرات الهيدروجين أو إجمالي عدد ذرات النيتروجين، يمكننا أخيرًا استنتاج أن قيمة المعامل التكافُئي للأمونيا يجب أن تساوي اثنين لكي تكون هذه المعادلة موزونة، وهذا يتفق مع الخيار هـ، وهو الإجابة الصحيحة.

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: N()+CaC()CaCN()+C()222gsssCس

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: CaCN()+3HO()2NH()+CaCO()2233slgs

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 500C 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.

تفاعل: تكوين الأمونيا في عملية هابر-بوش

N()+3H()2NH()223gggFe/MoC,atmز

لكن يمكن إنتاج غاز الأمونيا في المختبر باستخدام خليط من كلوريد الأمونيوم وهيدروكسيد الكالسيوم: 2NHCl()+Ca(OH)()CaCl()+2HO()+2NH()42223ssslg

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 HCl()g من حمض الهيدروكلوريك المركَّز ليتفاعل مع الأمونيا ويكوِّن كلوريد الأمونيوم: NH()+HCl()NHCl()34ggs

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

تجربة كيميائية – كلوريد الأمونيوم الضبابي

النقاط الرئيسية

  • يمكن إنتاج النيتروجين في المختبر وعلى النطاق الصناعي.
  • النيتروجين غاز غير تفاعلي عديم اللون والرائحة.
  • النيتروجين غير تفاعلي بسبب الرابطة التساهمية الثلاثية بين ذرتَي النيتروجين في الجزيئات الثنائية الذرة.
  • يتفاعل النيتروجين مع الهيدروجين والأكسجين والمغنيسيوم وكربيد الكالسيوم.
  • الأمونيا هو أحد مركبات النيتروجين الشائعة التي يمكن إنتاجها صناعيًّا من خلال عملية هابر-بوش وفي المختبر.
  • الأمونيا مادة كيميائية مهمة للمجتمع؛ نظرًا لاستخدامها مادةً أمًّا في الكثير من أنواع الأسمدة.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.