کارل شیل، شیمیدان سوئدی، و دانیل رادرفورد، گیاه شناس اسکاتلندی، نیتروژن را به طور جداگانه در سال 1772 کشف کردند. کشیش کاوندیش و لاووازیه نیز تقریباً در همان زمان به طور مستقل نیتروژن را بدست آوردند. نیتروژن اولین بار توسط لاووازیه به عنوان یک عنصر شناخته شد که آن را "آزو" به معنای "بی جان" نامید. Chaptal عنصر نیتروژن را در سال 1790 نامگذاری کرد. این نام از کلمه یونانی "nitre" (نیترات حاوی نیتروژن در نیترات) گرفته شده است.
تولیدکنندگان نیتروژن - کارخانه و تامین کنندگان نیتروژن تولید چین (xinfatools.com)
منابع نیتروژن
نیتروژن سی امین عنصر فراوان روی زمین است. با توجه به اینکه نیتروژن 4/5 حجم اتمسفر یا بیش از 78 درصد را تشکیل می دهد، ما تقریباً مقادیر نامحدودی از نیتروژن در دسترس داریم. نیتروژن همچنین به شکل نیترات در انواع مواد معدنی مانند نمک شیلی (نیترات سدیم)، نیترات یا نیتر (نیترات پتاسیم) و مواد معدنی حاوی نمک های آمونیوم وجود دارد. نیتروژن در بسیاری از مولکول های آلی پیچیده، از جمله پروتئین ها و اسیدهای آمینه موجود در همه موجودات زنده وجود دارد.
خواص فیزیکی
نیتروژن N2 یک گاز بی رنگ، بی مزه و بی بو در دمای اتاق است و معمولاً غیر سمی است. چگالی گاز در شرایط استاندارد 1.25 گرم در لیتر است. نیتروژن 78.12 درصد از کل اتمسفر (کسر حجمی) را تشکیل می دهد و جزء اصلی هوا است. حدود 400 تریلیون تن گاز در جو وجود دارد.
تحت فشار اتمسفر استاندارد، هنگامی که تا -195.8 درجه سانتیگراد خنک شود، به مایع بی رنگ تبدیل می شود. هنگامی که تا 209.86- درجه سانتیگراد خنک شود، نیتروژن مایع به جامدی شبیه برف تبدیل می شود.
نیتروژن غیر قابل اشتعال است و به عنوان یک گاز خفه کننده در نظر گرفته می شود (یعنی تنفس نیتروژن خالص، بدن انسان را از اکسیژن محروم می کند). نیتروژن حلالیت بسیار کمی در آب دارد. در 283K، یک حجم آب می تواند حدود 0.02 حجم N2 را حل کند.
خواص شیمیایی
نیتروژن خواص شیمیایی بسیار پایداری دارد. واکنش با سایر مواد در دمای اتاق دشوار است، اما می‌تواند در دمای بالا و شرایط انرژی بالا با مواد خاصی دستخوش تغییرات شیمیایی شود و برای تولید مواد جدید مفید برای انسان استفاده شود.
فرمول مداری مولکولی مولکول های نیتروژن KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2 است. سه جفت الکترون به پیوند کمک می کنند، یعنی دو پیوند π و یک پیوند σ تشکیل می شوند. هیچ سهمی در پیوند وجود ندارد و انرژی‌های پیوند و ضد پیوند تقریباً جبران می‌شوند و معادل جفت‌های الکترون تک هستند. از آنجایی که یک پیوند سه گانه N≡N در مولکول N2 وجود دارد، مولکول N2 پایداری زیادی دارد و برای تجزیه آن به اتم 941.69 کیلوژول بر مول انرژی نیاز دارد. مولکول N2 پایدارترین مولکول دو اتمی شناخته شده است و جرم مولکولی نسبی نیتروژن 28 است. علاوه بر این، نیتروژن به راحتی سوزانده نمی شود و از احتراق پشتیبانی نمی کند.
روش تست
نوار منیزیم در حال سوختن را در بطری جمع آوری گاز پر از نیتروژن قرار دهید و نوار منیزیم به سوختن ادامه خواهد داد. خاکستر باقیمانده (پودر کمی زرد Mg3N2) را استخراج کنید، مقدار کمی آب اضافه کنید و گازی (آمونیاک) تولید کنید که کاغذ تورنسل قرمز مرطوب را آبی می کند. معادله واکنش: 3Mg + N2 = احتراق = Mg3N2 (نیترید منیزیم). Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
ویژگی های پیوند و ساختار باند ظرفیتی نیتروژن
از آنجا که ماده واحد N2 در شرایط عادی بسیار پایدار است، مردم اغلب به اشتباه معتقدند که نیتروژن یک عنصر شیمیایی غیر فعال است. در واقع، برعکس، نیتروژن عنصری فعالیت شیمیایی بالایی دارد. الکترونگاتیوی N (3.04) بعد از F و O در رتبه دوم قرار دارد و این نشان می دهد که می تواند پیوندهای قوی با عناصر دیگر ایجاد کند. علاوه بر این، پایداری مولکول N2 ماده واحد فقط فعالیت اتم N را نشان می دهد. مشکل اینجاست که مردم هنوز شرایط بهینه را برای فعال کردن مولکول‌های N2 در دما و فشار اتاق پیدا نکرده‌اند. اما در طبیعت، برخی از باکتری های روی گره های گیاهی می توانند N2 موجود در هوا را در شرایط کم انرژی در دما و فشار معمولی به ترکیبات نیتروژن تبدیل کرده و از آنها به عنوان کود برای رشد محصول استفاده کنند.
بنابراین، مطالعه تثبیت نیتروژن همیشه یک موضوع مهم تحقیقاتی علمی بوده است. بنابراین، لازم است که ویژگی‌های پیوند و ساختار باند ظرفیتی نیتروژن را با جزئیات درک کنیم.
نوع اوراق قرضه
ساختار لایه الکترون ظرفیتی اتم N 2s2p3 است، یعنی 3 تک الکترون و یک جفت جفت الکترون تنها وجود دارد. بر این اساس، هنگام تشکیل ترکیبات، سه نوع پیوند زیر را می توان ایجاد کرد:
1. تشکیل پیوندهای یونی 2. تشکیل پیوندهای کووالانسی 3. تشکیل پیوندهای هماهنگی
1. تشکیل پیوندهای یونی
اتم های N دارای الکترونگاتیوی بالایی هستند (3.04). هنگامی که آنها نیتریدهای دوتایی را با فلزاتی با الکترونگاتیوی پایین تر، مانند Li (الکترونگیتی 0.98)، کلسیم (الکترونگیتی 1.00)، و Mg (الکترونگیتی 1.31) تشکیل می دهند، می توانند 3 الکترون به دست آورند و یون های N3- را تشکیل دهند. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =اشتعال= Mg3N2 یونهای N3- دارای بار منفی بالاتر و شعاع بزرگتر (171pm) هستند. هنگامی که با مولکول های آب مواجه می شوند، به شدت هیدرولیز می شوند. بنابراین، ترکیبات یونی فقط می توانند در حالت خشک وجود داشته باشند و هیچ یون هیدراته N3- وجود نخواهد داشت.
2. تشکیل پیوندهای کووالانسی
هنگامی که اتم های N ترکیباتی را با غیر فلزات با الکترونگاتیوی بالاتر تشکیل می دهند، پیوندهای کووالانسی زیر تشکیل می شوند:
⑴اتم های N حالت هیبریداسیون sp3 را می گیرند، سه پیوند کووالانسی تشکیل می دهند، یک جفت جفت الکترون تنها را حفظ می کنند، و پیکربندی مولکولی هرمی مثلثی است، مانند NH3، NF3، NCl3 و غیره. اگر چهار پیوند تک کووالانسی تشکیل شود، پیکربندی مولکولی به این صورت است. یک چهار وجهی منظم، مانند یون های NH4+.
⑵اتم های N حالت هیبریداسیون sp2 را می گیرند، دو پیوند کووالانسی و یک پیوند را تشکیل می دهند و یک جفت جفت الکترون تنها را حفظ می کنند، و پیکربندی مولکولی زاویه ای است، مانند Cl—N=O. (اتم N یک پیوند σ و یک پیوند π با اتم Cl تشکیل می دهد و یک جفت جفت الکترون تنها روی اتم N، مولکول را مثلثی می کند.) اگر جفت الکترون تنها وجود نداشته باشد، پیکربندی مولکولی مثلثی است، مانند مولکول HNO3 یا یون NO3. در مولکول اسید نیتریک، اتم N به ترتیب سه پیوند σ را با سه اتم O تشکیل می‌دهد و یک جفت الکترون در مدار π و تک الکترون‌های π از دو اتم O، یک پیوند π سه مرکزی چهار الکترونی غیرمحلی تشکیل می‌دهند. در یون نیترات، یک پیوند π بزرگ با شش الکترون چهار مرکزی بین سه اتم O و اتم N مرکزی تشکیل می شود. این ساختار باعث می شود که عدد اکسیداسیون ظاهری اتم N در اسید نیتریک 5+ باشد. به دلیل وجود پیوندهای بزرگ π، نیترات در شرایط عادی به اندازه کافی پایدار است. ⑶اتم N هیبریداسیون sp را برای تشکیل یک پیوند سه گانه کووالانسی اتخاذ می کند و یک جفت جفت الکترون تنها را حفظ می کند. پیکربندی مولکولی خطی است، مانند ساختار اتم N در مولکول N2 و CN-.
3. تشکیل پیوندهای هماهنگی
وقتی اتم‌های نیتروژن مواد یا ترکیبات ساده را تشکیل می‌دهند، اغلب جفت‌های الکترون تنها را حفظ می‌کنند، بنابراین چنین مواد یا ترکیبات ساده‌ای می‌توانند به عنوان دهنده جفت الکترون برای هماهنگی با یونهای فلزی عمل کنند. برای مثال، [Cu(NH3)4]2+ یا [Tu(NH2)5]7، و غیره.
حالت اکسیداسیون - نمودار انرژی آزاد گیبس
همچنین از نمودار حالت اکسیداسیون- انرژی آزاد گیبس نیتروژن مشاهده می شود که به جز یون های NH4، مولکول N2 با عدد اکسیداسیون 0 در پایین ترین نقطه منحنی در نمودار قرار دارد که نشان می دهد N2 از نظر ترمودینامیکی است. نسبت به ترکیبات نیتروژن با سایر اعداد اکسیداسیون پایدار است.
مقادیر ترکیبات مختلف نیتروژن با اعداد اکسیداسیون بین 0 تا +5 همگی بالاتر از خط اتصال دو نقطه HNO3 و N2 (خط نقطه‌دار در نمودار) هستند، بنابراین این ترکیبات از نظر ترمودینامیکی ناپایدار و مستعد واکنش‌های عدم تناسب هستند. تنها مورد موجود در نمودار با مقدار کمتر از مولکول N2، یون NH4+ است. [1] از نمودار حالت اکسیداسیون- انرژی آزاد گیبس نیتروژن و ساختار مولکول N2، می توان دریافت که عنصر N2 غیرفعال است. فقط در دمای بالا، فشار بالا و حضور یک کاتالیزور، نیتروژن می تواند با هیدروژن واکنش داده و آمونیاک ایجاد کند: در شرایط تخلیه، نیتروژن می تواند با اکسیژن ترکیب شود و اکسید نیتریک را تشکیل دهد: N2+O2= تخلیه=2NO اکسید نیتریک به سرعت با اکسیژن ترکیب می شود. از دی اکسید نیتروژن 2NO+O2=2NO2 دی اکسید نیتروژن در آب حل می شود و اسید نیتریک تشکیل می دهد، اکسید نیتریک 3NO2+H2O=2HNO3+NO در کشورهای با انرژی آبی پیشرفته از این واکنش برای تولید اسید نیتریک استفاده می شود. N2 با هیدروژن واکنش می دهد و آمونیاک تولید می کند: N2+3H2=== (علامت برگشت پذیر) 2NH3 N2 با فلزاتی با پتانسیل یونیزاسیون پایین و نیتریدهای آن دارای انرژی شبکه بالایی هستند و نیتریدهای یونی تشکیل می دهند. به عنوان مثال: N2 می تواند به طور مستقیم با لیتیوم فلزی در دمای اتاق واکنش دهد: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 با فلزات قلیایی خاکی Mg, Ca, Sr, Ba در دماهای رشته ای واکنش می دهد: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 می تواند فقط با بور و آلومینیوم در دماهای رشته ای واکنش می دهد: 2 B + N2=== 2 BN (ترکیب ماکرومولکولی) N2 به طور کلی با سیلیکون و سایر عناصر گروه در دمای بالاتر از 1473 کلوین واکنش می دهد.
مولکول نیتروژن سه جفت الکترون را به پیوند کمک می کند، یعنی دو پیوند π و یک پیوند σ را تشکیل می دهد. این به پیوند کمک نمی کند و انرژی های پیوند و ضد پیوند تقریباً جبران می شوند و معادل جفت الکترون های تک هستند. از آنجایی که یک پیوند سه گانه N≡N در مولکول N2 وجود دارد، مولکول N2 پایداری زیادی دارد و برای تجزیه آن به اتم 941.69 کیلوژول بر مول انرژی نیاز دارد. مولکول N2 پایدارترین مولکول دو اتمی شناخته شده است و جرم مولکولی نسبی نیتروژن 28 است. علاوه بر این، نیتروژن به راحتی سوزانده نمی شود و از احتراق پشتیبانی نمی کند.
زمان ارسال: ژوئیه-23-2024
