تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

فيديو الدرس: خواص النيتروجين الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف ونوضح خواص وتفاعلات عنصر النيتروجين.

١٨:٥٠

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف ونوضح خواص وتفاعلات عنصر النيتروجين. وسنتعلم أيضًا كيفية تحضير النيتروجين على نطاق صغير وكبير. وسنتناول تفاعلات المركبات النيتروجينية.

للنيتروجين مجموعة واسعة من الاستخدامات، تتراوح من الحفظ بالتبريد للعينات الحيوية وحفظ المواد الغذائية وتوفير مصدر الطاقة لمسدسات كرات الطلاء. الرمز الكيميائي للنيتروجين هو ‪N‬‏. وعند النظر إليه في الجدول الدوري، سنجد أن عدده الذري سبعة. ومن ثم، فإن ذرة النيتروجين تحتوي على سبعة بروتونات، وتحتوي الذرة المتعادلة على سبعة إلكترونات. وكتلته الذرية تساوي 14 وحدة كتلة ذرية. كما تحتوي الغالبية العظمى من ذرات النيتروجين على سبع نيوترونات. ويقع النيتروجين في المجموعة 15 من الجدول الدوري، وعليه فإن تكافؤه يحتوي على خمسة إلكترونات في غلافه الخارجي.

التوزيع الإلكتروني للذرة المتعادلة هو ‪1s2 2s2 2p3‬‏. ولتحقيق قاعدة الثمانيات، يحتاج النيتروجين إلى ثلاثة إلكترونات غلاف خارجي إضافية. وإذا تكونت رابطة ثلاثية بين ذرتي نيتروجين، تتحقق هذه القاعدة. ونتيجة لذلك، يتكون ‪N2‬‏، أو ثنائي النيتروجين؛ وهو جزيء غاز متعادل ثنائي الذرة. ويتسم بأنه عديم اللون والرائحة والطعم. والرابطة الثلاثية التساهمية القوية تجعل غاز النيتروجين غير تفاعلي. وعليه، فإن التفاعلات التي تتضمن النيتروجين في صورته العنصرية غالبًا ما تتطلب شرارة كهربية أو تسخينًا شديدًا.

لا تتفاعل جزيئات ‪N2‬‏ غير القطبية بشكل جيد مع جزيئات الماء القطبية. لذلك، فإن جزيئات ‪N2‬‏ شحيحة الذوبان في الماء. فعند درجة حرارة 20 سلزية، يذوب ملليجرامان فقط من ثنائي النيتروجين في 100 جرام من الماء. وإذا قارنا قابلية ذوبان ثنائي النيتروجين مع الأكسجين الثنائي الذرة باعتباره مرجعًا، فإننا سنجد أن ثنائي النيتروجين يتسم بقابلية ذوبان أقل بشكل طفيف فقط عن الأكسجين. ويتسم ثاني أكسيد الكربون بقابلية ذوبان أعلى قليلًا بمقدار 0.2 جرام لكل 100 جرام من الماء. غير أن الأمونيا تتسم بقابلية ذوبان أعلى بكثير، تصل إلى 50 جرامًا لكل 100 جرام من الماء. وعندما يذوب النيتروجين، يكون محلولًا متعادلًا. وعند درجة حرارة 25 سلزية، يساوي الأس الهيدروجيني له سبعة تقريبًا.

تبلغ كثافة غاز ‪N2‬‏ النقي حوالي 1.25 جرام لكل لتر عند درجة حرارة صفر سلزية، وفي ضغط مقداره واحد جو. وتقل هذه الكثافة بشكل طفيف عن كثافة الهواء الجاف، التي تساوي 1.29 جرام لكل لتر. درجة انصهار هذا الجزيء الصغير غير القطبي منخفضة كما هو متوقع؛ إذ تبلغ سالب 210 درجات سلزية. وهذه هي النقطة التي يتحول عندها النيتروجين من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة والعكس. ويتشابه النيتروجين السائل من حيث المظهر مع الماء. بالإضافة إلى ذلك، فإن درجة غليان النيتروجين أعلى بمقدار 14 درجة سلزية فقط؛ إذ تبلغ سالب 196 درجة سلزية. وهذه هي النقطة التي يتحول عندها النيتروجين السائل إلى غاز أو العكس. جدير بالذكر أيضًا أن القوى الوحيدة التي نلاحظها بين جزيئات النيتروجين هي قوى تشتت لندن.

دعونا الآن نلق نظرة أكثر تمعنًا على إحدى الخواص الأساسية للنيتروجين، ألا وهي تفاعليته المنخفضة. يوصف النيتروجين عادة بأنه غاز خامل. ويرجع ذلك بشكل عام إلى القوة العالية التي تتمتع بها الرابطة الثلاثية بين ذرتي النيتروجين. يبلغ إنثالبي الرابطة الثلاثية 942 كيلو جول لكل مول. والرابطة الثلاثية أقوى كثيرًا من مجموع الرابطة المزدوجة بين ذرتي النيتروجين، والبالغة 418 كيلو جول لكل مول، والرابطة الأحادية بين ذرتي نيتروجين، والبالغة 167 كيلو جول لكل مول.

بما أن الرابطة الثلاثية بين ذرتي النيتروجين أقوى من الرابطة المزدوجة أو الأحادية بين ذرتي النيتروجين، وكذلك الرابطة المزدوجة أو الأحادية بين النيتروجين وأي عنصر آخر، فإننا نتوقع أن يكون النيتروجين الرابطة الثلاثية بدلًا من الروابط الأخرى. ويمكننا مقارنة هذا بالكربون، الذي نعلم أنه يكون روابط أحادية ومزدوجة أكثر مما يكون روابط ثلاثية. في هذه الحالة، فإن إنثالبي الرابطتين المزدوجة والأحادية بين ذرتي كربون مجتمعتين يكون أكبر من إنثالبي الرابطة الثلاثية بين ذرتي كربون. وبناء على هذه البيانات، نتوقع أن يكون الكربون مزيدًا من الروابط المزدوجة والأحادية.

الآن بعد أن تعرفنا على خواص غاز النيتروجين، دعونا نتناول كيفية تحضيره في المختبر. الطريقة الأسهل لتحضير النيتروجين هي استخلاصه من الهواء. يشكل النيتروجين 78 بالمائة من الغلاف الجوي للأرض، إلى جانب المكونات الرئيسية الأخرى للهواء، وهي ثاني أكسيد الكربون والماء والأرجون والأكسجين. وعليه، يمكننا إزالة ثاني أكسيد الكربون والماء والأكسجين لفصل النيتروجين.

نبدأ هذه العملية بوعاء مليء بالهواء. ويستخدم الماء لإزاحة الهواء؛ مما يجبره على الانتقال إلى القسم التالي من الجهاز. يدخل الهواء في محلول من هيدروكسيد الصوديوم، المعروف أيضًا باسم الصودا الكاوية. ويستخدم هذا المحلول لإزالة ثاني أكسيد الكربون. يستخدم هيدروكسيد الصوديوم القاعدي؛ نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون غاز حمضي. وعليه، تصبح معادلة التفاعل ‪2NaOH‬‏ مائي زائد غاز ‪CO2‬‏، يتفاعلان لإنتاج ‪Na2CO3‬‏ مائي، وهو كربونات الصوديوم، و‪H2O‬‏ سائل. تمر الغازات المتبقية عبر حمض الكبريتيك المركز. ويؤدي ذلك إلى إزالة بخار الماء؛ نظرًا لأنه أحد عوامل نزع الماء. بعد ذلك، يمر الغاز المتبقي عبر أنبوب أفقي يحتوي على خراطة النحاس، مع وضعه فوق مصدر للحرارة، مثل موقد «بنسن». وهذا يؤدي إلى إزالة الأكسجين نظرًا لأنه يتفاعل مع خراطة النحاس.

ينتج عن تفاعل النحاس والأكسجين أكسيد النحاس الثنائي. ويجمع الغاز المتبقي في مخبار غاز موضوع على وعاء من الزئبق. ويستخدم الزئبق بدلًا من الماء لأن وجود الماء سيؤدي إلى إعادة دخول بخار الماء. وبذلك، يكون الغاز المتبقي هو نيتروجين نقي تقريبًا، ولكنه سيحتوي على كمية صغيرة من الأرجون. ليس من السهل إزالة الأرجون، ومن ثم، سيترك مع النيتروجين. ولكن نسبته تبلغ فقط حوالي واحد بالمائة لكل مول، كما أنه غير تفاعلي. وعليه، فمن غير المحتمل أن يتداخل مع أي خطوة نريد استخدام النيتروجين فيها.

إذا كنا نرغب في إزالة أي أرجون، فثمة طريقة أخرى يمكننا استخدامها. يمكننا تحضير النيتروجين في المختبر عن طريق تسخين خليط من محلول كلوريد الأمونيوم ومحلول نيتريت الصوديوم. الصيغة الكيميائية لنيتريت الصوديوم هي ‪NaNO2‬‏. ويلاحظ أن نيتريت الصوديوم يختلف عن نيترات الصوديوم، وصيغته الكيميائية ‪NaNO3‬‏. تمثل اللاحقة مؤشرًا على عدد ذرات الأكسجين. ومن ثم، تستخدم النهاية «-ات» للأيون الذي يحتوي على عدد أكبر من ذرات الأكسجين، في حين تستخدم النهاية «-يت» للأيون الذي يحتوي على عدد أقل من ذرات الأكسجين. ويؤدي تفاعل نيتريت الصوديوم المائي مع كلوريد الأمونيوم المائي إلى إنتاج كلوريد الصوديوم ونيتريت الأمونيوم.

جرى تكوين نيتريت الأمونيوم في الموقع نظرًا لكونه غير مستقر إلى حد كبير؛ مما سيؤدي إلى تفككه. وعندما يتفكك نيتريت الأمونيوم، فإنه ينتج الماء وغاز النيتروجين. يتصاعد غاز النيتروجين ويدخل الأنبوب ويمكن تجميعه في مخبار غاز موضوع على وعاء من الماء. وهذه الطريقة تعني أنه سيجري تجميع بخار الماء أيضًا. وإذا أردنا الحصول على نيتروجين خال من الماء، فيمكننا تمريره عبر حمض الكبريتيك المركز، ثم تجميعه في مخبار غاز موضوع على وعاء من الزئبق. بذلك نكون قد أوضحنا أن تسخين محلول كلوريد الأمونيوم ومحلول نيتريت الصوديوم ينتج غاز النيتروجين. ويمكننا تمثيل حقيقة أن الحرارة كانت مطلوبة لهذا التفاعل باستخدام رمز ‪Δ‬‏ كبير. تستخدم كلتا الطريقتين المذكورتين، وهما الاستخلاص من الهواء والتخليق، على نطاق صغير إلى حد ما.

ومن أجل استخلاص أطنان من النيتروجين، تستخدم طريقة مختلفة. في الصناعة، تتضمن إحدى الطرق الأساسية لتحضير النيتروجين ما يسمى بالتقطير التجزيئي. وخلال هذه العملية، يمر الهواء عبر مرشحات تزيل الأتربة وبخار الماء. بعد ذلك، يبرد الهواء المرشح إلى سالب 220 درجة سلزية تقريبًا. ويمكن إزالة غاز ‪CO2‬‏ في هذه المرحلة؛ حيث إنه يتجمد عند سالب 79 درجة سلزية. وتتكثف المكونات الرئيسية الأخرى للهواء عند درجات حرارة متقاربة، وهو ما يجعل فصلها أكثر صعوبة. ولكن إذا سخنا الخليط ببطء ليتجاوز سالب 196 درجة سلزية بقليل، وهي درجة الحرارة التي يتكثف عندها غاز النيتروجين، فإن النيتروجين سيتحول إلى غاز مرة أخرى، تاركًا الأرجون والأكسجين في حالة سائلة.

الآن بعد أن علمنا كيفية فصل النيتروجين، سنتناول تفاعلات النيتروجين ومركباته. أولًا: سنلقي نظرة على تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين. توضح لنا معادلة التفاعل أن النيتروجين يتفاعل مع الهيدروجين لإنتاج الأمونيا. ولكي يحدث التفاعل، لا بد من وجود شرارة كهربية ودرجة حرارة قدرها 550 درجة سلزية. في الصناعة، تنتج كميات كبيرة من الأمونيا باستخدام عملية «هابر» أو عملية «هابر-بوش». وتكون النواتج والمتفاعلات هي نفسها كما في المعادلة السابقة. ولكن ظروف التفاعل مختلفة.

تستخدم عملية «هابر» عوامل حفازة تحتوي على الحديد والموليبدينوم. ويلزم أيضًا وجود درجة حرارة وضغط مرتفعين لإعطاء غلة جيدة من الناتج. استخدمت عملية «هابر» سابقًا باعتبارها مصدرًا للأمونيا لإنتاج المتفجرات، ولكنها تستخدم اليوم على نطاق واسع في إنتاج السماد. يمكن أيضًا أن يتفاعل النيتروجين مع غاز الأكسجين. وينتج عن هذا التفاعل أكسيد النيتريك. ويتطلب تفاعل النيتروجين والأكسجين درجات حرارة مرتفعة للغاية، تبلغ حوالي 3000 درجة سلزية. ويمكن الوصول إلى درجات الحرارة هذه بسهولة داخل قوس كهربي. والقوس الكهربي يشبه الشرارة الكهربية، لكنه يستمر لفترة زمنية أطول.

أحد الأمثلة على القوس الكهربي في الطبيعة هو البرق. وعندئذ، يمكن أن يتفاعل الناتج، وهو أكسيد النيتريك، مع الأكسجين بصورة أكبر. ويؤدي تفاعل أكسيد النيتريك والأكسجين إلى إنتاج ثاني أكسيد النيتروجين. هناك الكثير من أكاسيد النيتروجين المختلفة. ولكن أكسيد النيتريك وثاني أكسيد النيتروجين هما الأكثر شيوعًا.

دعونا الآن نلق نظرة على تفاعل النيتروجين مع الفلزات. يتفاعل المغنيسيوم، وهو عامل مختزل قوي، مع النيتروجين. ويتطلب هذا التفاعل قدرًا من الحرارة وينتج نيتريد المغنيسيوم، ويرمز لأيون النيتريد بالرمز ‪N3−‬‏. بعد ذلك يمكن لنيتريد المغنيسيوم، وهو مسحوق لونه أصفر مخضر، أن يتفاعل مع الماء. وينتج عن هذا التفاعل الأمونيا وهيدروكسيد المغنيسيوم.

فيما يلي، سنلقي نظرة على تفاعل النيتروجين مع كربيد الكالسيوم. ينتج عن هذا التفاعل سيناميد الكالسيوم والكربون الصلب، الذي يشار إليه أيضًا باسم السخام. وبعد ذلك، يمكن أن يتفاعل سيناميد الكالسيوم مع الماء. وعند التفاعل مع الماء، ينتج الأمونيا وكربونات الكالسيوم. ويمكن امتصاص غاز الأمونيا بواسطة الماء الموجود في التربة كي تستخدمه النباتات.

بذلك نكون قد تناولنا التفاعلات الأساسية للنيتروجين. دعونا نلق نظرة على التفاعلات الأساسية لبعض مركباته. أولًا: سننظر إلى تفاعل كلوريد الأمونيوم وقاعدة قوية. نبدأ بخليط كلوريد الأمونيوم وقاعدة قوية في الماء. والقاعدة في هذه الحالة هي هيدروكسيد الكالسيوم. ويعد هيدروكسيد الصوديوم مثالًا آخر على القاعدة القوية. ويسمى هيدروكسيد الكالسيوم في صورته الصلبة الجير المطفأ. ويسمى هيدروكسيد الكالسيوم المائي ماء الجير ويستخدم في اختبار الكشف عن ثاني أكسيد الكربون. وينتج عن هذا التفاعل كلوريد الكالسيوم والماء والأمونيا.

الأمونيا قابلة للذوبان. ولكن مع تسخين الوعاء، تخرج الأمونيا في صورة غاز. كما يخرج أيضًا بخار الماء. ويمكن استخدام أنبوب تجفيف يحتوي على أكسيد الكالسيوم لإزالة الماء، بحيث يتبقى غاز الأمونيا فقط. والأنبوب الذي يحتوي على غاز الأمونيا يغذي مخبار غاز مقلوبًا. وبما أن غاز الأمونيا أقل كثافة من الهواء، فإنه سيزيح الهواء؛ مما يسمح بتجميع غاز الأمونيا.

تعرفنا على تفاعلات متعددة تنتج غاز الأمونيا، ولكننا بحاجة إلى البرهنة على أننا نجحنا بالفعل في إنتاجه. ويمكننا تحقيق ذلك بإدخاله في تفاعل مع كلوريد الهيدروجين. فإذا أضفنا الأمونيا المائية إلى كرة من الصوف القطني وأضفنا كلوريد الهيدروجين المائي أو حمض الهيدروكلوريك إلى كرة أخرى من الصوف القطني، فسيتبخر كل من الأمونيا وكلوريد الهيدروجين. ويحدث تفاعل بين الغازين عديمي اللون. وينتج كلوريد الأمونيوم، وهو مادة صلبة بلورية بيضاء. وتتكون في البداية في صورة بخار أبيض. وبذلك، نكون قد تعرفنا على تفاعلات عنصر النيتروجين، والمركبات النيتروجينية.

دعونا نلق نظرة على النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو. الرابطة الثلاثية بين ذرتي النيتروجين قوية للغاية. لذلك، فإن النيتروجين عادة ما يوجد في صورة جزيء غاز ثنائي الذرة. ثنائي النيتروجين يشكل 78 بالمائة من الهواء، وعادة ما يوصف بأنه غاز خامل. الرابطة الثلاثية التساهمية القوية هي ما تجعل ثنائي النيتروجين غير تفاعلي. ثنائي النيتروجين مركب عديم اللون والرائحة والطعم، وضعيف الذوبان في الماء، ومتعادل، ودرجة انصهاره سالب 210 درجات سلزية، ودرجة غليانه سالب 196 درجة سلزية. يمكن تحضير غاز النيتروجين عن طريق إزالة الغازات الأخرى من الهواء أو تفاعل نيتريت الصوديوم مع كلوريد الأمونيوم.

يمكن إنتاج الأمونيا، وهو نوع من المركبات النيتروجينية، باستخدام عملية «هابر» التي تتضمن تفاعل النيتروجين والهيدروجين، أو عن طريق تفاعل كلوريد الأمونيوم وقاعدة قوية، مثل هيدروكسيد الكالسيوم. ذكرنا أيضًا أن النيتروجين يتفاعل مع الهيدروجين والأكسجين والمغنيسيوم وكربيد الكالسيوم في وجود مصدر وفير من الطاقة. وتناولنا اختبار الكشف عن الأمونيا، الذي يتضمن التفاعل مع كلوريد الهيدروجين؛ مما يتسبب في إنتاج كلوريد الأمونيوم في صورة دخان أبيض.

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