نیتروژن چیست و از کاربردها و اهمیت آن چه می دانید؟

نیتروژن یا ازت فراوان ترین عنصر در اتمسفر زمین است و برای حیات بسیار حائز اهمیت است. ازت در خاک و گیاهان ، در آبی که می نوشیم و در هوایی که تنفس می کنیم وجود دارد. نیتروژن یک عنصر اصلی برای ساخت DNA است که اساس ژنتیک ما را تشکیل می دهد.

این عنصر برای رشد گیاه ضروری است بنابراین در تولید غذایی که می خوریم حائز اهمیت است. کمبود ازت باعث کاهش رشد گیاهان و منجر به بازدهی کم محصولات می شود. اما ازت فراوان نیز می تواند برای گیاهان سمی باشد و به محیط زیست آسیب می رساند.

درک چرخه نیتروژن ، چگونگی حرکت نیتروژن از جو به زمین ، از طریق خاک و بازگشت آن به جو در یک چرخه بی پایان – می تواند به ما در پرورش محصولات سالم و محافظت از محیط زیست کمک کند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد.

تاریخچه کشف نیتروژن

ترکیبات نیتروژن سابقه کاربردی بسیار طولانی دارند آنها در قرون وسطی به خوبی شناخته شده بودند. کیمیاگران اسید نیتریک را به عنوان aqua fortis (آب قوی) و همچنین سایر ترکیبات ازت مانند نمک آمونیوم و نمک نیترات را می شناختند. همچنین مخلوط اسیدهای نیتریک و هیدروکلریک به عنوان aqua regia (تیزاب سلطانی) شناخته می شود که به دلیل توانایی آن در حل کردن طلا بسیار مورد توجه بود.

کشف این عنصر به پزشک اسکاتلندی دانیل رادرفورد در سال ۱۷۷۲ نسبت داده می شود  که آن را هوای مضر نامید. اگرچه وی این ترکیب را به عنوان یک ماده شیمیایی کاملاً متفاوت تشخیص نداد ، اما به وضوح آن را از “هوای ثابت” یا دی اکسید کربن جوزف بلک متمایز کرد.

این واقعیت که  نیتروژن یک جز از هوا است اما از احتراق پشتیبانی نمی کند ، برای رادرفورد کاملاً واضح بود ، اگرچه او از عنصر بودن آن اطلاع نداشت. نیتروژن نیز تقریباً در همان زمان توسط کارل ویلهلم شیله ،  هنری کاوندیش  و جوزف پریستلی  مورد مطالعه قرار گرفت که از آن به عنوان هوای سوخته یا هوای تخریب شده یاد می کردند.

حضور و توزیع نیتروژن در جهان

در میان سایر عناصر نیتروژن از نظر فراوانی کیهانی در رتبه ششم قرار دارد. جو زمین از ۷۵.۵۱ درصد وزنی (یا ۷۸.۰۹ درصد حجم) ازت تشکیل شده است که منبع اصلی نیتروژن برای تجارت و صنعت است. جو همچنین حاوی مقادیر کمی نمک آمونیاک ، آمونیوم  و همچنین اکسیدهای نیتروژن و اسید نیتریک است که در طوفان های الکتریکی و موتورهای احتراق داخلی ایجاد می شوند. نیتروژن آزاد در بسیاری از شهاب سنگها ، در گازهای آتشفشان ، معدن و برخی از چشمه های معدنی یافت می شود. این عنصر حتی در خورشید ، در برخی از ستاره ها و سحابی ها نیز وجود دارد.

این عنصر همچنین در ذخایر معدنی نیتر به صورت نیترات پتاسیم  و نمک شیلی (نیترات سدیم) وجود دارد ، اما این رسوبات در مقادیری وجود دارد که برای نیازهای انسان کافی نیست. یکی دیگر از مواد غنی ازت ، گوانو است که در غارهای خفاش و در مکان های خشک زندگی پرندگان مشاهده می شود.

این ترکیب در باران و خاک به شکل  نمک آمونیاک و آمونیوم و در آب دریا به صورت یون آمونیوم (NH4 +) ، نیتریت (NO2−) و نیترات (NO3−) یافت می شود. نیتروژن به طور متوسط حدود ۱۶ درصد از وزن ترکیبات آلی پیچیده ای که به عنوان پروتئین شناخته می شوند را در تمام موجودات زنده تشکیل می دهد. مبحث چرخه نیتروژن پایه نهم تا حدودی به این موارد اشاره می کند.

چرا نیتروژن برای حیات مهم است؟

تعادل ظریف موادی که برای حفظ زندگی مهم هستند ، یک زمینه مهم تحقیقاتی است و تعادل ازت در محیط نیز از این قاعده مستثنی نیست. وقتی گیاهان دچار کمبود ازت باشند رشد آنها متوقف شده ، زرد شده ، میوه ها و گلهای کوچکتری تولید می کنند. کشاورزان برای افزایش رشد محصولات ممکن است کودهای حاوی نیتروژن را به محصولات خود اضافه کنند. بدون وجود کودهای ازته ، دانشمندان تخمین می زنند که ما یک سوم از محصولاتی را که برای تأمین غذا نیاز داریم از دست خواهیم داد. اما باید بدانیم که چه مقدار نیتروژن برای رشد گیاه ضروری است ، زیرا مقدار زیاد آن می تواند باعث آلودگی آب های جاری شود و به زندگی آبزیان آسیب برساند.

ترکیبات نیتروژن

این ترکیبات به دو دسته آلی و معدنی تقسیم می شود، ترکیبات معدنی یا غیر آلی نیتروژن شامل آمونیاک ، نیتریدها و آزیدها ، اکسیدها و اکسی ‌اسیدها هستند. از ترکیبات آلی نیتروژن می توان به آمین ‌ها ، آمیدها، ترکیبات نیترو و ایمین‌ ها اشاره کرد که همگی ترکیبات بسیار با اهمیتی هستند.

کاربردهای نیتروژن

بیشترین استفاده تجاری این عنصر به عنوان یک جز در تولید آمونیاک است که بعداً به عنوان کود و برای تولید اسید نیتریک استفاده می شود. ازت مایع (که اغلب به آن LN2 گفته می شود) به عنوان مبرد برای انجماد و حمل مواد غذایی ، سلولهای تولید مثلی (اسپرم و تخم مرغ) و ذخیره سازی پایدار نمونه های بیولوژیکی استفاده می شود.

نمک های اسید نیتریک شامل برخی ترکیبات مهم ، به عنوان مثال نیترات پتاسیم ، اسید نیتریک و نیترات آمونیوم است. ترکیبات آلی نیتراته ، مانند نیترو گلیسیرین و تری نیتروتولوئن که اغلب مواد منفجره هستند نیز کاربرد بسیار گسترده ای دارند.

این عنصر برای تولید قطعات الکترونیکی همچون ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع ، تولید فولاد ضد زنگ استفاده می شود. این ترکیب در سوخت خودروهای مسابقه ‌ای و باد لاستیک ‌های وسایط نقلیه نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

نیتریک اسید به عنوان یکی از ترکیبات نیتروژن در سوخت مایع موشک ‌ها استفاده می ‌شود. هیدرازین و مشتقات آن را نیز به عنوان سوخت موشک ها مورد استفاده قرار می گیرند.

نیتروژن مایع چیست؟

این ترکیب یکی از مایعات برودتی است که معمولاً در آزمایشگاه های تحقیقاتی استفاده می شود. این ترکیب در شرایط فشار زیاد مایع شده و می تواند تا حجم بسیار زیادی گاز گسترش یابد. این ترکیب در سرما درمانی برای از بین بردن ضایعات پوستی ناخوشایند یا بدخیم مانند زگیل و کراتوز ، برای ذخیره سلولها در دمای پایین برای کارهای آزمایشگاهی ، به عنوان منبع گاز نیتروژن بسیار خشک ، برای حفظ نمونه های بافتی پس از جراحی برای مطالعات آینده و بسیاری از موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. در درس کاربرد نیتروژن پایه نهم به برخی از این کاربردها اشاره شده است.

راه شناسایی گاز نیتروژن

بطورکلی دو راه برای شناسایی این گاز  وجود دارد یکی استفاده از کاتارومتر است که با اندازه ‌گیری هدایت حرارتی گاز، نوع گاز را مشخص می ‌کند. روش دیگر استفاده از کاغذ لیتموس قرمز است که باید آنرا مرطوب کنید و داخل لوله آزمایش قرار دهید. سپس لوله را با گاز مجهول پر کنید. اگر کاغذ به رنگ آبی تغییر کرد، گاز خاصیت بازی دارد. اگر از کاغذ لیتموس آبی استفاده کردید و رنگ آن قرمز شد، گازی اسیدی است و اگر هیچ تغییر رخ نداد، یعنی گازی عنصری مانند نیتروژن در داخل لوله آزمایش است که می توان با آزمایش شعله مشخص کرد که این گاز اکسیژن یا نیتروژن است.

در رابطه با انفجار گاز نیتروژن باید گفت که این گاز قابل اشتعال و انفجار نيست ولی سرايت آتش و دمای بالا به مخازن آن می تواند موجب تركيدگی  شود. در صنایع غذایی از گاز نیتروژن برای جلوگیری از فساد حاصل از اکسیداسیون ، کپک زدن یا حشرات استفاده می شود.

سوخت نیتروژن

نیتروژن مایع می تواند در سیستم های هیبریدی به عنوان نیروی محرکه مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین در باتریهای الکتریکی و مخازن سوخت برای شارژ مجدد باتری ها استفاده می شود. یکی از مزایای نیتروژن مایع به عنوان سوخت در وسیله نقلیه این است که گازهای خروجی آن که شامل نیتروژن است جزئی از هوا است و بنابراین باعث آلودگی هوا نخواهد شد و یک منبع تجدید پذیر یا منبع انرژی پاک محسوب می شود.

کود نیتروژن چیست؟

کودهای ازت از آمونیاک (NH3) توسط فرآیند هابر- بوش ساخته می شوند. در این فرآیند گاز طبیعی   (CH4) معمولاً هیدروژن را تأمین می کند و نیتروژن (N2) از هوا حاصل می شود. این آمونیاک به عنوان ماده اولیه برای سایر کودهای ازته پایه مانند نیترات آمونیوم بی آب و اوره استفاده می شود.

نقش نیتروژن در بدن انسان چیست؟

این عنصر منبع مهمی است که به سنتز پروتئین های انسانی و آمینواسیدها کمک می کند. روند متابولیسم در بدن ما به آنزیم هایی بستگی دارد که حاوی انواع مختلفی از پروتئین ها هستند. DNA یا نوکلئیک اسید ژن های ما را تشکیل می دهد و RNA در سنتز پروتئین نقش دارد که برای ساخت آن به نیتروژن نیازاست. علاوه بر این برای هضم مناسب غذا و رشد بدن به نیتروژن مورد نیاز دارد و این ترکیب برای رشد جنین انسان از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.

علاوه بر موارد فوق بدن برای جایگزینی سلول ها ، ترمیم بافت ها و برای تولید سلول های جدید به نیتروژن نیاز دارد. این عنصر برای ساخت انواع دیگر ترکیبات که پروتئین نیستند مانند هم در هموگلوبین که اکسیژن را در سلولهای قرمز خون حمل می کند ، استفاده می شود. در توضیح چرخه نیتروژن پایه نهم به این موارد اشاره شده است.

اکسید نیتروژن چگونه تشکیل می شود؟

اکسید نیتروژن از واکنش گازهای نیتروژن و اکسیژن در هوا هنگام احتراق ، به ویژه در دماهای بالا تولید می شود. در مناطق پرتردد وسایل نقلیه موتوری ، مانند شهرهای بزرگ ، مقدار اکسیدهای نیتروژن ساطع شده در جو به دلیل آلودگی هوا قابل توجه است. گازهای NOx هر زمان که در حضور نیتروژن احتراق رخ دهد ، تشکیل می شوند – به عنوان مثال در موتورهای اتومبیل ، آنها همچنین به طور طبیعی توسط رعد و برق تولید می شوند. دی اکسید نیتروژن یک گاز تحریک کننده است که در غلظت های بالا باعث التهاب مجاری تنفسی می شود.

گازهای NOx در تشکیل دود و باران اسیدی و همچنین در تشکیل ذرات ریز (PM) و ازن در سطح زمین نقش مهمی دارند که همگی اثرات سوئی بر سلامتی دارند.

مواد غذایی نیتروژن دار

گوشت به ویژه گوشت بدون چربی منبع پروتئین است زیرا از اسیدهای آمینه حاوی نیتروژن تشکیل شده است. گوشت طیور از جمله بوقلمون ، مرغ و همچنین ماهی و صدف ، برش های گوشت گاو بدون چربی مانند فیله و گوشت خوک بدون چربی همه منابع پروتئینی هستند. تخم مرغ و شیر کم چرب نیز منبع عالی پروتئین و ازت هستند. انواع لوبیا ، عدس ، آجیل هایی مانند بادام ، فندق و گردو ،  دانه هایی مانند کنجد و کره بادام زمینی نیز منابع خوبی از نیتروژن هستند.

اثرات نیتروژن بر سلامتی

نیترات ها و نیتریت ها اثرات مختلفی بر سلامتی دارند. مثلا شکل گیری نیتروآمین ها به عنوان یکی از علل شایع سرطان شناخته می شوند. اما از نظر سوخت و ساز بدن ، اکسید نیتریک (NO) بسیار مهمتر از نیتروژن است.

در سال ۱۹۸۷ ، سالوادور مونكادا كشف كرد كه نیتروژن یک پیام رسان حیاتی برای بدن جهت  شل كردن عضلات است و امروزه می دانیم كه در سیستم قلبی عروقی ، سیستم ایمنی بدن ، سیستم عصبی مركزی و سیستم عصبی محیطی این عنصر به شکل اکسید نیتریک نقش دارد. آنزیمی که اکسید نیتریک را تولید می کند در مغز فراوان است.

اگرچه اکسید نیتریک عمر نسبتاً کوتاهی دارد اما می تواند از طریق غشاهای سلولی مختلف عمل خود را انجام دهد. اکسید نیتریک با شل کردن عضله کنترل کننده جریان خون به آلت تناسلی نعوظ را فعال می کند و داروی ویاگرا با آزاد سازی اکسید نیتریک همان اثر را اعمال می کند.

آیا گاز نیتروژن سمی است

نیتروژن یک گاز بی اثر است که ۷۸ درصد از جو زمین را پر می کند. خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی دارد که با سایر عناصر بازی یا اسیدی متفاوت است. از آنجایی که نیتروژن با اکسیژن و سایر گازهای موجود در هوا مخلوط می شود، نیتروژن خالص به طور طبیعی در دسترس نیست.  نیتروژن گازی بی رنگ و بی بو است. بنابراین با خیال راحت می توان از آن در بسته بندی و نگهداری محصولات مختلف استفاده کرد.

نیتروژن بهترین گزینه برای نگهداری محصولات غذایی برای جلوگیری از فساد مواد غذایی و نوشیدنی های مختلف است. این محصولات در فضای نیتروژن خالص بسته بندی می شوند تا طراوت و ارزش غذایی خود را برای مدت طولانی حفظ کنند. اکسیداسیون می تواند مواد غذایی کهنه را ایجاد کند، که می توان با احاطه کردن این محصولات با نیتروژن از آن جلوگیری کرد.

یکی دیگر از کاربردهای نیتروژن تولید لامپ است. رشته تنگستن جزء اصلی یک لامپ است که در اثر گرم شدن به دلیل الکتریسیته نور ساطع می کند. اگر تنگستن با اکسیژن اتمسفر تماس پیدا کند، می تواند شعله ور شود. بنابراین فضای داخلی لامپ باید با گاز نیتروژن خالص پر شود تا از بروز چنین حوادثی جلوگیری شود.

نیتروژن در پوشش و پاکسازی ظروف در صنایع شیمیایی ضروری است. نیتروژن برای حذف اکسیژن از ظروف قبل از پر کردن هر ماده شیمیایی و همچنین برای ایجاد پتوی نیتروژن بر روی مواد شیمیایی برای جلوگیری از هرگونه شرایط اشتعال استفاده می شود.

از آنجایی که اکسیژن در روشن کردن آتش ضروری است، قطع منبع این گاز می تواند به سرعت آتش را خاموش کند. گاز نیتروژن به راحتی می تواند جایگزین اکسیژن شود و فورا آتش را خاموش کند. بنابراین، کپسول های آتش نشانی با نیتروژن پر می شوند تا از آتش سوزی تصادفی اطمینان حاصل شود.