كيمياء النيتروجين و خصائصه الفريدة لصناعة الأسمدة النيتروجينية

تعتبر الأسمدة النيتروجينية من العناصر الغذائية الأساسية التي تلعب دورًا حاسمًا في تحسين نمو النباتات وإنتاج المحاصيل الزراعية. حيث يساعد النيتروجين في تطوير الأوراق والسيقان. و تُستخدم بشكل واسع في الزراعة لتحقيق إنتاجية أفضل وجودة عالية للمحاصيل. و يتم توفير النيتروجين عادة من خلال الأسمدة النيتروجينية. يعد تحديد الكميات المناسبة لاستخدام هذه العناصر الغذائية أمرًا حاسمًا لضمان نمو نباتات صحية وزيادة الإنتاج الزراعي. سنتكلم في هذا الموضوع  حول فوائد وتطبيقات استخدام النيتروجين في عملية التسميد بالإضافة إلي ظواهر و تطبيقات مهمة لهذا العنصر .

الخصائص الكيميائية للنيتروجين

يوجد النيتروجين فى المجموعة ال 15 من الجدول الدوري. ويرمز إلي النيتروجين ب (N) وعدده الذري 7. ويحدد العدد الذري عدد البروتونات داخل النواة. و يوجد عادة علي شكل غاز لارائحة له ولا لون. ويكون في أغلب الأحيان خاملاً ( غير قابل للتفاعل). وعنصر النيتروجين المستقل هو غاز مكون من جزيئات النيتروجين المكونة من ذرتي نيتروجين مترابطتين. ويطلق علي هذا النوع من الجزيئات اسم جزيئات “ثنائية الذرة”. والصيغة الكيميائية للنيتروجين ثنائي الذرة هي (N₂) ويمثل غاز النيتروجين (80%) من حجم الغلاف الجوي. ويعد رابع الغازات انتشاراً فى الكون. كما أن النيتروجين عنصر مهم بالنسبة للكائنات الحية. إذ يوجد فى كافة الأنسجة الحية. وتضم المركبات العامة التي تحتوي علي النيتروجين كل من النشادر (NH₃) وحمض النيتريك (HNO₃) والسيانيد والأحماض الأمينية. إن العنصر الوحيد الذي يتفاعل معه عند درجة حرارة الغرفة هو الليثيوم. الذي يشكل نيتريد الليثيوم (Li₃N). كما يتفاعل الماغنيسيوم مباشرة مع النيتروجين, ولكن عند الاحتراق.[1]

اكتشاف النيتروجين

عرف الإنسان مركبات النيتروجين قبل أن يعرف النيتروجين كعنصر بفترة طويلة، وذلك حين استخدم نترات الصوديوم أو البوتاسيوم فى صنع البارود. فقد تم انتاج البارود للمرة الأولى في الصين في القرن التاسع. ثم استخدمت نترات البوتاسيوم كسماد. لقد عرف الخيميائيون ( الكيميائيون الأوائل) فى العصور الوسطي مركبات النيتروجين معرفة جيدة. كما جري تحضير حمض النيتريك صناعياً، والمعروف باسم حمض النيتريك المركز، في الشرق الأوسط  حوالي عام (800 ميلادي). واكتشف الخيميائيون خلال فترة قصيرة بأن حمض النيتريك يمكن مزجه مع حمض الهيدروكلوريك لتكوين مايعرف ب ” الماء الملكي”، وهو عبارة عن حمض يستطيع إذابة الذهب.

اكتشف عنصر النيتروجين كيميائي اسكتلندي يدعي “دانيال رذرفورد” (1749-1819) فى عام (1772). ثم تابع كيميائيون آخرون مسيرته العلمية، حيث أشار الكيميائي الفرنسي  ” أنطون لافوازيه” فى عام (1776) بأ، هذا الغاز كان عبارة عن عنصر.[5]

النيتروجين و التسميد الزراعي

عملية تثبيت النيتروجين من الغلاف الجوي

يشكل النيتروجين بمفرده أكبر كمية من مكونات الهواء. إذ تقدر كتلة النيتروجين فى الغلاف الجويب (4000 تريليون طن). يتوافر النيتروجين فى الغلاف الجوي بنسبة تبلغ أربع أضعاف كمية الأكسجين، لكن كمية الأكسجين على الأرض تزيد عن النيتروجين بحوالي (10000 مرة). فالأكسجين يعد مركباً أساسياً من المركبات التي تتكون منها اليابسة، ولا، النيتروجين لايشكل شبكة بلورية مستقرة( بنية ذات قوام منتظم) فإنه نادراً مايدخل فى تركيب الصخور والمعادن الطبيعية. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل النيتروجين أكثر تركيزاً من الأكسجين فى الغلاف الجوي. أما السبب الآخر، فهو أن النيتروجين مستقر جداً فى الغلاف الجوي، خلافاً للأكسجين، ولا يشارك فى العديد من التفاعلات الكيميائية. ونتيجة لذلك، يتراكم النيرتوجين فى الغلاف الجوي بكميات أكثر من الأكسجين.

إن عملية تثبيت النيتروجين يتم بواسطتها اتحاد النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي مع عناصر أخري بطريقة تسهل امتصاصه من قبل النباتات. ويتم تثبيت النيتروجين بصورة رئيسية عن طريق النباتات البقلية، مثل الفول والبرسيم، لكن تثبيته أيضاً يتم بواسطة البرق. لقد طورت بعض أشكال البكتيريا آلية استطاعت بواسطتها إزالة غاز النيتروجين الموجود في الهواء وتحويله إلي بروتين عن طريق تثبيت النيتروجين. وتستفيد العديد من أنواع البكتيريا من العلاقة الوثيقة مع النباتات التي تحتاج إلي النيتروجين. وتساعد هذه النباتات علي إثراء التربة بالنيتروجين الزائد القابل للذوبان. توصف عملية تثبيت النيتروجين بواسطة البكتيريا من خلال تفاعل النيتروجين مع الفورمالدهيد (CH₂O) والماء وأيونات الهيدروجين (H⁺) لتكوين ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وأيونات النشادر (NH₄⁺) .[2]

عملية هابر وإنتاج السماد

يستخدم النشادر غير المائي كسماد في أنحاء مختلفة من العالم. ويتم إنتاج النشادر بواسطة عملية تسمي ” عملية هابر”. إذ يتم إنتاج مايزيد عن (500 مليون طن) سنوياً من السماد بهذه الطريقة. وتتلخص تلك العملية فى التفاعل الذي يتم بين النيتروجين والهيدروجين لإناتج النشادر. حيث نال الكيميائي الألماني( فريتز هابر) براءة اختراع هذا النظام فى عام (1908). وتستخدم تلك الطريقة فى انتاج النشادر الغير مائي ونترات النشادر واليوريا التي تدخل فى صناعة الأسمدة. ويحدث هذا التفاعل بمساعدة عامل حفاز ” الحديد”  تحت ضغط يعادل (200 مرة) درجة الضغط الجوي، ودرجة حرارة  تتراوح بين (450_ 500 درجة سيليزية). أما ناتج التفاعل فلا يتجاوز ( 10 _ 20%) ويصل التفاعل إلي حالة التوازن، لكنه يظل مستمراً طوال إزالة الناتج وإضافة المتفاعلات.[3]

مركبات نيتروجينية

يمكن اعتبار النشادر أكثر مركبات النيتروجين أهمية. ويستخدم النشادر كغذاء بالنسبة للنباتات، حيث يتحد مع جزيئات الكربون العضوي لتكوين مركبات كيميائية تعرف باسم الأمينات. يمكن أن تتجمع هذه الأمينات لتكون حمض النشادر، الذي يعد من المركبات الحيوية بالنسبة للكائنات الحية. وبالإضافة إلي ذلك، يشكل النيتروجين أكاسيد أخري مختلفة مع الأكسجين. وهناك نوع من هذه الأكاسيد يسمي أكاسيد النيتروز (N₂O). وهو عبارة عن مادة مخدرة معروفة باسم ” غاز الضحك” . كما يتشكل أول أكاسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) عندما يحدث احتراق الهيدروكربونات فى الهواء تحت ضغط مرتفع. ويتم إنتاج الأكاسيد النيتروجينية داخل محركات الإحتراق الداخلي. أما في الغلاف الجوي، فتشكل هذه الأكاسيد النيتروجينية ما يعرف بالضباب الدخانى، وهو شكل من أشكال ضباب الغلاف الجوي الناتج عن تفاعل ضوءالشمس مع الملوثات. ويتصف نوعان آخران من المركبات التي تتكون من النيتروجين والأكسجين، هما ثالث أكسيد النيتروجين المزدوج (N₂O₃) وخامس أكسيد النيتروجين بخاصية عد الاستقرار وقابلية الانفجار.

إن أكاسيد النيتروجين التي تتشكل فى محركات الاحتراق الداخلي لاتسبب حدوث الضباب الدخاني فحسب، بل تتفاعل أيضاً مع بخار الماء فى الغلاف الجوي وتنتج حمض النيترك وحمض النيتروز. وتذوب الأحماض الغازية في ماء المطر وتشكل ترسبات حمضية يطلق عليها الأمطار الحمضية. ويمكن أن تسرع الأمطار الحمضية من أثر العوامل الجوية على الصخور، بما في ذلك الصخور والحجارة المستخدمة فى المباني والمنحوتات.[4]

النيتروجين السائل

بالإضافة إلي دور النيتروجين الحيوي في عملية الزراعة، فلا يمكننا إغفال أحد أهم تطبيقاته وهو النيتروجين السائل. يطلق علي دراسة درجات الحرارة المنخفضة جداً اسم “التبريد الفائق”. يمكن تنفيذ التبريد الفائق بواسطة الغازات السائلة، ومن أهم الغازات المستخدمة لهذا الغرض هو النيتروجين السائل الذي يتم استخدامه فى العديد من التطبيقات المفيدة. ففي المجال الطبي، يستخدم النيتروجين السائل لتجميد مساحات من الجلد من أجل معالجة سرطانات الجلد . كما يستعمل أيضاً فى عمليات تجميد الدم البشري والحيوانات المنوية والأجنة كي يعاد إستخدامها في فترات زمنية لاحقة. ويستخدم في الصناعات الغذائية في عمليات التجميد السريع، وعند زوال تجميد الطعام بهذه الطريقة، لاتتكاثر فيه البكتيريا لأن النيتروجين يحل محل الأكسجين الموجود في الطعام. يمكن كذلك ضخ النيتروجين السائل في آبار النفط من أجل زيادة الضغط في أسفل تلك الآبار، مما يؤدى إلي اندفاع النفط نحو السطح.

المصادر:

1-Nitrogen properties

2-Nitrogen Fixation

3-Haber process

4-Acidic rain

5-Nitrogen Discovery