شیمی نیتروژن:

بسمه تعالی

- بررسی خواص شیمیایی و ترکیبات نیتروژن:

                    حدود ۷۸٪ حجم گازهای اتمسفر زمین از گازی بی بو، بی رنگ و نسبتاً بی اثر به نام نیتروژن تشکیل شده است. این گاز که در واکنش های کمی شرکت می نماید، به ظاهر بی اثر و بدون استفاده است.  ولی اهمیت آن موقعی برای ما آشکار می شود که اکسیژن خالص را تنفس کنیم در این حالت ریه های ما سوخته و از بین می روند. اگر در موتور اتومبیل فقط اکسیژن خالص وارد نماییم با اولین استارت موتور منفجر می شود. حال با این دو مثال می توان به اهمیت گاز نسبتاً در اتمسفر زمین پی برد. نیتروژن در اغلب فرآیندهای احتراق و سوخت و ساز به عنوان گاز  بی اثر وارد راکتور شده و نقش کنترل کننده را در این گونه واکنش ها به عهده می گیرد که نقشی بسیار حیاتی است.  آرایش الکترونی اتم نیتروژن در حالت اصلی آن 1s2 2s2 2p3 است که ۳ الکترون ۲p در اوربیتالهای py ، px و pz با اسپینهای موازی توزیع شده اند. نیتروژن بعد از فلوئور و اکسیژن یکی از الکترونگاتیوترین عناصر است. در ترکیبات زیادی شرکت می کند که اکثر آنها ترکیبات آلی هستند.

اتم نیتروژن از چند راه می تواند آرایش هشت الکترونی خود را کامل کند:

۱- کسب الکترون و تشکیل یون نیترید (3-N)، که این یون فقط در نمک های عناصر بسیار الکتروپوزتیو مانند Li3N یافت می شود. هم چنین نیتریدهای غیر یونی بسیاری نیز وجود دارند.

۲- تشکیل پیوند کووالانسی مانند NH3, NF3 و N2 یا ترکیبات آزو -N= N -

۳- تشکیل پیوند کووالانسی به همراه دریافت الکترون مانند یون آمید NH^-₂ یا یون ایمید NH^-2 .

۴- تشکیل پیوندهای کووالانسی به همراه از دست دادن الکترون مانند NH^+₄ .

هر چند نمونه های بسیار پایداری نیز مشاهده شده اند که در آنها آرایش هشت الکترونی نیتروژن رسماً کامل نیست. مانند NO و NO2 .

       نیتروژن مانند سایر عناصر مجاور خود کربن و اکسیژن می تواند پیوندهای چندگانه تشکیل دهد و از این لحاظ با عناصر هم ستون سنگینتر از خود از قبیل P, As, Sb, Bi تفاوت دارد. به همین دلیل نیتروژن ترکیبات زیادی تشکیل می دهد که نظیر آنها را نمی توان در بین ترکیبات عناصر سنگین تر این گروه پیدا کرد. در حالیکه فسفر، آرسنیک و آنتیموان مولکولهای چهار وجهی (P4, As4, Sb4) ، نیتروژن مولکول دو تمی با پیوند سه گانه تشکیل می دهد که در آن فاصله بین دو هسته فوق العاده کوتاه و قدرت پیوند بسیار بالاست.

     ترکیباتی از نیتروژن که در آنها یک پیوند یگانه ساده و یک پیوند دوگانه وجود دارد مانند X-N=Y خطی نیستند و این مسئله را می توان با توجه به زوایای پیوندی هیبریداسیون sp2 توجیه نمود.

به دلیل ضعیف بودن پیوند ساده N-N، نیتروژن مانند کربن تمایل به زنجیری شدن ندارد. و فقط چند نوع ترکیب شامل زنجیرهایی از سه یا تعداد بیشتری اتم نیتروژن با تعدادی پیوند چندگانه وجود دارند. هم چنین تعدادی ترکیبات حلقوی شامل حلقه هایی تا 5 اتم نیتروژن متوالی نیز یافت شده اند. چون نیتروژن یکی از الکترونگاتیوترین عناصر است مانند فلوئور و اکسیژن و به میزان کمتر کلر، در ترکیبات هیدروژن دار خود به طور وسیعی در تشکیل پیوند هیدروژنی هم به صورت دهنده پروتون و هم به صورت گیرنده پروتون وارد می شود.

نقطه ذوب گاز نیتروژن حدود ۲۱۰- و نقطه جوش آن ۱۹۵- درجه سانتیگراد می باشد. نیتروژن موجود در طبیت دارای دو ایزوتوپ ۱۴N و ۱۵N با نسبت مطلق ۱۴N/۱۵N = ۲۷۲ است. که ۱۵N اغلب به عنوان یک ردیاب ایزوتوپی به کار می رود. و می توان نیتریک اسیدی را که بیش از ۸/۹۹ درصد ۱۵N دارد نیز تهیه نمود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

قدرت زیاد پیوند سه گانه اساساْ باعث بی اثر بودن N2 از نظر شیمیایی می شود. نیتروژن را در صنعت از میعان و تقطیر هوا بدست می آورند، که در این روش معمولاً مقدار جزئی آرگون و تاحدود 30ppm اکسیژن با نیتروژن همراه است.

نیتروژن با فلزاتی مانند Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, Cd, Li و Th نیتریدهای یونی و همچنین با ترکیباتی مانند بور، گوگرد و فسفر نیتریدهای کووالانسی مانند BN , S4N4 و P4N5 تشکیل می دهد.

فلزات واسطه نیتریدهایی تشکیل می دهند که از نظر ساختمان و خواص شبیه بوریدها و کاربیدهای فلزات واسطه هستند. اتمهای نیتروژن اغلب منافذ بین شبکه را در ساختمان انباشته فلز اشغال می کنند. این نیتریدها اغلب دقیقاً استوکیومتری نبوده و کمبود نیتروژن دارند. ظاهر آنها سخت بوده و رسانای جریان الکتریسیته هستند. چون ساختمان دریای الکترونی فلز پایدار می ماند. همانند کاربیده و بوریدها از نظر شیمیایی بسیار بی اثر بوده و معمولاً فوق اعاده سخت می باشند. همچنین دمای ذوب آنها بسیار بالاست. این نیتریدها معمولاً از حرارت دادن فلز در آمونیاک در دمای 1100 تا 1200 درجه سانتیگراد تهیه می شود. به عنوان مثال سختی VN بین 9 تا 10 بوده و در 2570 درجه سانتیگراد ذوب می شود.

از معروفترین هیدرید های نیتروژن آمونیاک می باشد که در مقیاس صنعتی آن را از فرآیند هابر Haber مطابق واکنش زیر بدست می آورند:

N2(g) + 3H2(g) <====> 2NH3(g)

این واکنش در حضور کاتالیزور و تحت فشار 100 تا 1000 اتمسفر و دمای 400 تا 550 درجه سانتیگراد انجام می شود. هرچند که در دمای پایین تر، این تعادل مطلوبتر است، اما در مجاورت بهتری کاتالیزور هم دمایی بالا مورد نیاز است تا سرعت تبدیل به حد مطلوب برسد. بهترین کاتالیزور آهن آلفا می باشد که شامل مقداری اکسید برای بزرگ شدن شبکه و افزایش سطح فعال باشد.

آمونیاک گازی است، بیرنگ با بوی تند و زننده، نقطه جوش آن 33/35- درجه ونقطه انجمادش 77/8- درجه سانتیگراد می باشد. در بین مولکولهای آمونیاک پیوند هیدروژنی برقرار بوده و به همین دلیل گرمای تبخیر آن زیاد است. و در آب نیز محلول است.

یکی از ترکیبات جالب نیتروژن آمونیم نیترات است که در دمای متوسط بطور برگشت پذیر تبخیر شده ولی در دمای بالا بطور برگشت ناپذیر تجزیه می شود و عمدتاً N2O تولید می کند. در تجارت از این واکنش برای تولید N2O استفاده می شود. آمونیم نیترات در صورتیکه عمل انفجار به وسیله یک ماده منفجره دیگر آغاز شود، می تواند باعث انفجار گردد. مخلوط آمونیم نیترات و TNT یا سایر مواد منفجره در تهیه بمب ها به کار می رود. تجزیه آمونیم نیترات مایع نیز می تواند با انفجار شدید همراه باشد. گاهی اوقات در پی آتش گرفتن توده ای ار آمونیم نیترات انفجار مصیبت باری به وجود می آید. هم چنین از آمونیم پرکلرات در سوخت های جامد موشک ها به عنوان یک اکسنده استفاده می شود.

 

هیدرازین از دیگر ترکیبات نیتروژن است که می توان آنرا مشتقی از آمونیاک تصور کرد. N2H4 بی آب مایعی بیرنگ و دود کننده است که در هوا می سوزد و چون گرمای بسیار زیادی آزاد می کند اغلب به عنوان سوخت موشک به کار می رود. دمای ذوب آن 2 درجه و دمای جوشش 114 درجه سانتیگراد است.

  

نیتروژن دارای اکسیدهایی با فرمول مولکولی متفاوت است که از آن جمله می توان به NO, N2O, N2O3, NO2, N2O4, N2O5 اشاره نمود. NO نیتروژن مونوکسید یا اکسید نیتریک نامیده می شود که از واکنش های کاهش نیتریک اسید و محلولهای نیترات و نیتریت بدست می آید. به صورت گاز بیرنگ بوده ولی در حالت مایع و جامد آبی رنگ است. این اکسید نیتروژن نسبتاً فعال است. N2O دی نیتروژن مونوکسید یا اکسید نیترو بیرنگ بوده و نسبتاً غیرفعال است، از تجزیه حرارتی آمونیم نیترات مذاب تهیه می شود. دی نیتروژن تریوکسید N2O3  در حالت خالص به صورت جامد آبی رنگ یافت می شود و در حالت مایع نیز پر رنگ تر می شود. دو اکسید NO2  و N2O4 هم به صورت محلول و هم در فاز گازی با هم در تعادل هستند که این تعادل شدیداً به دما بستگی دارد.

2NO2 <==> N2O4

NO2 قهوه ای و پارامغناطیس بوده و N2O4 بی رنگ و دیا مغناطیس می باشد.

 

 

دی نیتروژن پنتا اکسید N2O5 به صورت بلورهای بیرنگ از آبگیری نیتریک اسید با  P2O5 به دست می آید و کاملاً پایدار نبوده و حتی گاهی منفجر هم می شود.

 

 

پایان

 

پاسخ سئوال مسابقه بزرگ کیمیاگران

بسمه تعالی

- سئوال: چرا در دستگاه اشعه کاتدی در فشار ۰.۰۱ اتمسفر گاز درون لوله و در فشار ۰.۰۰۰۱ اتمسفر جداره شیشه ای لوله ملتهب می شود، در حالیکه در فشار ۰.۰۰۰۰۰۱ اتمسفر شاهد تشکیل اشعه کاتدی هستیم؟

در دما و حجم ثابت، تعداد مولکولهای یک گاز با فشار آن رابطه مستقیم دارد. یعنی هرچه فشار گاز درون یک محفظه بیشتر باشد تعداد مولکولهای بیشتری درون ظرف وجود دارد. تعداد مولکولهای یک گاز در فشار ۰.۰۱ اتمسفر بسیار بیشتر تعداد مولکولها در فشار ۰.۰۰۰۱ اتمسفر می باشد. حال توجه کنید وقتی در لوله اشعه کاتدی در فشار ۰.۰۱ اتمسفر اختلاف ولتاژی بیشتر از ۱۰،۰۰۰ ولت برقرار می کنیم جریانی از الکترونهای دارای انرژی ایجاد می شود، به دلیل تراکم بالای مولکولهای گاز درون لوله الکترونها با این مولکولها برخورد کرده و باعث برانگیخته شدن آنها می شوند. در این حالت گاز درون لوله ملتهب شده و طیف خاصی را از خود منتشر می نماید. که رنگ این طیف به جنس گاز درون لوله بستگی دارد. از این نوع لوله ها در ساخت لامپ های تبلیغاتی معروف به لامپ نئون استفاده می شود.

اما وقتی که مولکولهای گاز داخل لوله را کمتر می کنیم و فشار آنرا به ۰.۰۰۰۱ اتمسفر می رسانیم، تعداد ذرات آنقدر کم هستند که باعث شوند تا الکترونهای پر انرژی ضمن عبور از بین آنها کمی منحرف شده و با جداره های شیشه ای لوله برخورد نمایند. در این حالت اتمهای موجود در مولکولهای شیشه برانگیخته شده و نوری به رنگ سبز مغز پسته ای از خود منتشر می نمایند. گاز درون لوله نیز بر انگیخته شده اما دو عامل مانع از نشر نور گاز می شود: ۱- نور شیشه بسیار بیشتر از نور گاز است. ۲- نور شیشه در قسمت خارجی بوده و نور گاز در قسمت داخلی است.

 

در فشار ۰.۰۰۰۰۰۱ اتمسفر تعداد مولکولهای گاز درون لوله آنقدر کم است که نمی تواند مانعی برای عبور الکترونها باشد. و الکترونها به راحتی و به طور مستقیم مسیر خود را درون لوله می پیمایند.

متأسفانه مسابقه برنده ای نداشت. 

عکسهای مسابقات ابر حباب

بسمه تعالی

عکس هایی از مسابقات ابر حباب دبیرستان امام صادق (ع):

(زمستان ۱۳۸۴ و بهار ۱۳۸۵)

 

 

پس از مشاهده هرعکس برای دیدن بقیه با زدن کلید Back به همین صفحه باز گردید. 

                    

پس از مشاهده هرعکس برای دیدن بقیه با زدن کلید  Back به همین صفحه باز گردید.