18.8: Matukio, Maandalizi, na Mali ya Nitrogen

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188822

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza mali, maandalizi, na matumizi ya nitrojeni

Nitrojeni safi zaidi hutoka kwa kunereka sehemu ya hewa ya kioevu. Anga ina nitrojeni 78% kwa kiasi. Hii inamaanisha kuna zaidi ya tani milioni 20 za nitrojeni juu ya kila maili mraba ya uso wa dunia. Nitrojeni ni sehemu ya protini na ya nyenzo za maumbile (DNA/RNA) ya mimea na wanyama wote.

Chini ya hali ya kawaida, nitrojeni ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu, na isiyoharibika. Ni chemsha saa 77 K na kufungia saa 63 K. nitrojeni ya maji ni baridi sana kwa sababu ni gharama nafuu na ina kiwango cha chini cha kuchemsha. Nitrojeni ni unreactive sana kwa sababu ya dhamana kali sana mara tatu kati ya atomi nitrojeni. Athari za kawaida tu kwenye joto la kawaida hutokea kwa lithiamu kuunda Li ₃ N, na complexes fulani za chuma za mpito, na kwa hidrojeni au oksijeni katika bakteria ya kurekebisha nitrojeni. Ukosefu wa jumla wa reactivity ya nitrojeni hufanya uwezo wa ajabu wa bakteria fulani kuunganisha misombo ya nitrojeni kwa kutumia gesi ya nitrojeni ya anga kama chanzo kimoja cha matukio ya kusisimua zaidi ya kemikali kwenye sayari yetu. Utaratibu huu ni aina moja ya fixation ya nitrojeni. Katika kesi hiyo, fixation ya nitrojeni ni mchakato ambapo viumbe hubadilisha nitrojeni ya anga kuwa kemikali muhimu kwa biolojia. Nitrojeni fixation pia hutokea wakati umeme unapita katika hewa, na kusababisha nitrojeni Masi kuguswa na oksijeni kuunda oksidi nitrojeni, ambayo ni kisha kufanyika chini ya udongo.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

nitrojeni fixation

Viumbe hai vyote vinahitaji misombo ya nitrojeni kwa ajili ya kuishi. Kwa bahati mbaya, wengi wa viumbe hawa hawawezi kunyonya nitrojeni kutoka chanzo chake tele zaidi-anga. Nitrojeni ya anga ina molekuli ya N ₂, ambazo hazipatikani sana kutokana na dhamana yenye nguvu ya nitrojeni-nitrojeni mara tatu. Hata hivyo, viumbe wachache wanaweza kushinda tatizo hili kwa njia ya mchakato unaojulikana kama nitrojeni fixation, mfano katika Kielelezo 18.32.

Chati ya mtiririko inavyoonyeshwa. Ng'ombe, nyasi, na mti huonyeshwa katikati ya mchoro. Mishale inayoelekea chini inaongoza kutoka kwao kwa maneno, “Waharibifu (bakteria ya aerobic na anaerobic na fungi).” Mshale unaoelekea chini unasababisha mfano wa kufungua nafasi na atomi moja ya bluu iliyounganishwa na atomi nne nyeupe. Mfano huo umeandikwa, “Ammoniamu (N H subscript 4).” Mshale unaoelekea kulia unaongoza kutoka molekuli hii hadi molekuli nyingine ambayo inaundwa na atomu ya buluu iliyoambatana na atomi mbili nyekundu. Mfano huo umeandikwa, “Nitrites (N O subscript 2 superscript hasi ishara).” Chini ya mshale huu ni picha ya mduara na miundo miwili yenye umbo la fimbo. Inaandikwa, “Bakteria ya Nitrifying.” Juu ya studio ya nitriti ni mshale unaoelekea juu unaoongoza kwenye atomu ya buluu single-bonded hadi atomi tatu nyekundu. Mfano huo umeandikwa, “Nitrati (N O subscript 3 superscript hasi ishara).” Karibu na mshale huu ni picha ya mduara na miundo miwili yenye umbo la fimbo iliyoandikwa, “Bakteria ya Nitrifying.” Lebo ya nitrati ina mshale wa vichwa viwili, unaoelekea juu unaoongoza kwenye picha mbili: moja ya mizizi ya mti ambayo inaitwa, “Assimilation,” na moja inayoongoza kwenye picha ya mduara wenye miundo minne yenye umbo la mviringo iliyoandikwa, “Bakteria ya Denitrifying.” Mshale unaoelekea kushoto unaongoza kutoka kwa bakteria hii hadi kwenye molekuli iliyoundwa na atomi mbili zilizounganishwa mara tatu pamoja na kinachoitwa, “Nitrojeni ya anga (N Subscript 2).” Molekuli hii imeshikamana na mshale unaoelekea chini, unaoongozwa na picha inayoonyesha filaments za njano kwenye background nyeusi na picha ya mduara wenye miundo minne yenye umbo la fimbo iliyoandikwa, “Bakteria ya udongo wa nitrojeni.” Mshale unaongoza kutoka kwenye picha ya mizizi ya mmea hadi kwenye filaments za njano na kisha kwenye picha ya mduara na miundo minne yenye umbo la mviringo iliyoandikwa, “Bakteria ya kurekebisha nitrojeni kwenye vidonda vya mizizi.”

Kielelezo 18.32 Viumbe hai vyote vinahitaji nitrojeni. Microorganisms chache zinaweza kutengeneza nitrojeni ya anga kwa kutumia fixation ya nitrojeni. (mikopo “mizizi”: mabadiliko ya kazi na Idara ya Kilimo ya Marekani; mikopo “mizizi ya mizizi”: mabadiliko ya kazi na Louisa Howard)

Marekebisho ya nitrojeni ni mchakato ambapo viumbe hubadilisha nitrojeni ya anga kuwa kemikali muhimu kibiolojia. Hadi sasa, aina pekee inayojulikana ya viumbe vya kibaiolojia inayoweza kutengeneza nitrojeni ni microorganisms. Viumbe hivi huajiri enzymes zinazoitwa nitrogenasi, ambazo zina chuma na molybdenum Wengi wa microorganisms hizi huishi katika uhusiano wa symbiotic na mimea, na mfano unaojulikana zaidi kuwa uwepo wa rhizobia katika vidonda vya mizizi ya kunde.

Kiasi kikubwa cha nitrojeni ya anga ni muhimu kwa ajili ya kufanya amonia-nyenzo kuu kuanzia kutumika kwa ajili ya maandalizi ya kiasi kikubwa cha misombo nyingine zenye nitrojeni. Matumizi mengine mengi kwa nitrojeni ya msingi hutegemea kutokuwa na shughuli zake. Inasaidia wakati mchakato wa kemikali unahitaji anga ya inert. Vyakula vya makopo na nyama za chakula cha mchana haziwezi kuoksidisha katika anga safi ya nitrojeni, hivyo huhifadhi ladha na rangi bora, na huharibu kwa kasi kidogo, wakati wa kufungwa kwa nitrojeni badala ya hewa. Teknolojia hii inaruhusu mazao safi kuwa inapatikana kila mwaka, bila kujali msimu wa kukua.

Kuna misombo na nitrojeni katika majimbo yake yote ya oxidation kutoka 3 hadi 5+. Sehemu kubwa ya kemia ya nitrojeni inahusisha athari za kupunguza oksidi. Baadhi ya metali hai (kama vile metali za alkali na metali za dunia za alkali) zinaweza kupunguza nitrojeni kuunda nitridi za chuma. Katika salio la sehemu hii, tutachunguza kemia ya nitrojeni-oksijeni.

Kuna sifa nzuri za oksidi za nitrojeni ambazo nitrojeni huonyesha kila moja ya namba zake nzuri za oxidation kutoka 1+hadi 5+. Wakati nitrati ya amonia inapokanzwa kwa makini, oksidi ya nitrojeni (oksidi ya dinitrojeni) na fomu ya mvuke wa maji. Kupokanzwa nguvu huzalisha gesi ya nitrojeni, gesi ya oksijeni, na mvuke wa maji Hakuna mtu anayepaswa kujaribu majibu haya-inaweza kulipuka sana. Katika 1947, kulikuwa na mlipuko mkubwa wa nitrati ya amonia huko Texas City, Texas, na, mwaka 2013, kulikuwa na mlipuko mwingine mkubwa huko Magharibi, Texas. Katika miaka 100 iliyopita, kulikuwa na karibu 30 majanga kama hayo duniani kote, na kusababisha hasara ya maisha mengi. Katika mmenyuko huu wa kupunguza oxidation, nitrojeni katika ion nitrate huchanganya nitrojeni katika ion ya amonia. Oxydi ya nitrous, iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 18.33, ni gesi isiyo na rangi yenye harufu nzuri, yenye kupendeza na ladha tamu. Inapata maombi kama anesthetic kwa shughuli ndogo, hasa katika meno ya meno, chini ya jina “gesi ya kucheka.”

Mfano wa kujaza nafasi ya molekuli unaonyesha atomi mbili za bluu zilizoitwa “N” zimeunganishwa kwa kila mmoja na kwa atomi moja nyekundu iliyoitwa “O.” Miundo miwili ya Lewis pia inavyoonyeshwa na kushikamana na mshale wa vichwa viwili. Picha ya kushoto inaonyesha atomi ya nitrojeni yenye jozi mbili za elektroni zilizounganishwa mara mbili na atomi ya pili ya nitrojeni. Atomu ya pili ya nitrojeni inaunganishwa mara mbili kwa atomu ya oksijeni ambayo ina jozi mbili za elektroni. Picha sahihi inaonyesha atomi ya nitrojeni yenye jozi moja ya elektroni iliyofungwa mara mbili kwa atomi ya pili ya nitrojeni. Atomu ya pili ya nitrojeni ni moja iliyounganishwa na atomu ya oksijeni ambayo ina jozi tatu za elektroni.

Kielelezo 18.33 Oxydi ya nitrous, N ₂ O, ni anesthetic ambayo ina miundo hii ya Masi (kushoto) na resonance (kulia).

Mazao ya chini ya oksidi ya nitriki, NO, fomu wakati inapokanzwa nitrojeni na oksijeni pamoja. NO pia huunda wakati umeme unapita kupitia hewa wakati wa mvua. Kuungua amonia ni njia ya kibiashara ya kuandaa oksidi ya nitriki. Katika maabara, kupunguza asidi ya nitriki ni njia bora ya kuandaa oksidi ya nitriki. Wakati shaba inakabiliwa na asidi ya nitriki iliyosababishwa, oksidi ya nitriki ni bidhaa kuu ya kupunguza:

3Cu (s) + {8HNO}_{3} (a q) ⟶ 2HAKUNA (g) + 3Cu {({HAPANA}_{3})}_{2} (a q) + {SAA 4}_{2} O (l)

Oxydi ya nitriki ya gesi ni imara zaidi ya oksidi za nitrojeni na ni molekuli rahisi inayojulikana ya thermally imara na elektroni isiyoharibika. Ni moja ya uchafuzi wa hewa unaozalishwa na inji za mwako ndani, kutokana na mmenyuko wa nitrojeni ya anga na oksijeni wakati wa mchakato wa mwako.

Kwa joto la kawaida, oksidi ya nitriki ni gesi isiyo rangi yenye molekuli ya diatomic. Kama ilivyo mara nyingi kwa molekuli zilizo na elektroni isiyopungukiwa, molekuli mbili huchanganya ili kuunda dimer kwa kuunganisha elektroni zao zisizoharibika ili kuunda dhamana. Kioevu na imara NO zote mbili zina N ₂ O ₂ dimers, kama ile inavyoonekana katika Kielelezo 18.34. Dutu nyingi zilizo na elektroni zisizo na rangi zinaonyesha rangi kwa kunyonya mwanga unaoonekana; hata hivyo, NO haina rangi kwa sababu ngozi ya mwanga haipo katika eneo linaloonekana la wigo.

Miundo miwili ya Lewis imeonyeshwa na imeunganishwa na mshale unaoongozwa mara mbili. Picha ya kushoto inaonyesha namba mbili karibu na atomi ya nitrojeni yenye elektroni pekee na jozi pekee ya elektroni. Atomu ya nitrojeni inaunganishwa mara mbili kwa atomu ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Picha sahihi inaonyesha atomi mbili za nitrojeni, kila mmoja akiwa na jozi moja ya elektroni, moja iliyofungwa kwa kila mmoja. Kila pia huunganishwa mara mbili kwa atomu ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni.

Kielelezo 18.34 Hii inaonyesha usawa kati ya NO na N ₂ O ₂. Molekuli, N ₂ O ₂, inachukua mwanga.

Baridi mchanganyiko wa sehemu sawa oksidi ya nitriki na dioksidi ya nitrojeni hadi -21 °C hutoa trioksidi ya dinitrojeni, kiowevu cha buluu kilicho na molekuli ya N ₂ O ₃ (inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo 18.35). Trioxide ya dinitrojeni ipo tu katika majimbo ya kioevu na imara. Wakati hasira, inarudi kwenye mchanganyiko wa NO na NO ₂.

Mfano wa kujaza nafasi ya molekuli unaonyesha atomi mbili za bluu zilizoitwa, “N,” zimeunganishwa na atomi tatu nyekundu zilizoitwa, “O.” Miundo miwili ya Lewis pia inavyoonyeshwa na kushikamana na mshale wa vichwa viwili. Picha ya kushoto inaonyesha atomi mbili za nitrojeni ambazo zimeunganishwa moja kwa moja. Nitrojeni ya kushoto imeunganishwa mara mbili kwa atomu ya oksijeni ambayo ina jozi mbili za elektroni na moja iliyofungwa kwa oksijeni yenye jozi tatu za elektroni. Nitrojeni sahihi ina jozi moja ya elektroni na inaunganishwa mara mbili kwa atomi ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Picha sahihi inaonyesha atomi mbili za nitrojeni ambazo zimeunganishwa moja kwa moja. Nitrojeni haki ni mara mbili bonded kwa atomi oksijeni ambayo ina jozi mbili lone ya elektroni na moja bonded kwa atomi oksijeni na jozi tatu lone ya elektroni. Nitrojeni sahihi ina jozi moja ya elektroni na inaunganishwa mara mbili kwa atomi ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni.

Kielelezo 18.35 Dinitrojeni trioxide, N ₂ O ₃, ipo tu katika majimbo ya kioevu au imara na ina miundo hii ya Masi (kushoto) na resonance (kulia).

Inawezekana kuandaa dioksidi ya nitrojeni katika maabara kwa kupokanzwa nitrati ya chuma nzito, au kwa kupunguza asidi ya nitriki iliyojilimbikizia na chuma cha shaba, kama inavyoonekana kwenye Mchoro 18.36. Kwa kibiashara, inawezekana kuandaa dioksidi ya nitrojeni kwa oksidi ya nitriki na hewa.

Picha tatu zinaonyeshwa na zimeunganishwa na mishale inayoelekea kulia. Picha ya kushoto inaonyesha tube ya mtihani katika kamba ambayo ina suluhisho isiyo na rangi na waya uliofanyika juu yake. Picha ya kati inaonyesha tube ya mtihani katika kamba ambayo inashikilia waya iliyoingia katika kioevu chenye rangi ya kijani na kutoa gesi ya kahawia. Picha sahihi inaonyesha tube ya mtihani katika kamba ambayo inashikilia waya iliyoingia katika kioevu giza kijani na kutoa gesi kahawia.

Kielelezo 18.36 mmenyuko wa chuma cha shaba na kujilimbikizia HNO ₃ hutoa suluhisho la Cu (NO ₃) ₂ na mafusho ya kahawia ya NO ₂. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mark Ott)

Molekuli ya dioksidi ya nitrojeni (mfano katika Kielelezo 18.37) ina elektroni isiyo na uharibifu, ambayo inawajibika kwa rangi yake na paramagnetism. Pia ni wajibu wa dimerization ya NO ₂. Kwa shinikizo la chini au kwa joto la juu, dioksidi ya nitrojeni ina rangi ya kahawia ambayo ni kutokana na kuwepo kwa molekuli ya NO ₂. Kwa joto la chini, rangi karibu kabisa hupotea kama tetraoxide ya dinitrojeni, N ₂ O ₄, fomu. Kwa joto la kawaida, usawa upo:

{2HAKUNA}_{2} (g) ⇌ N_{2} O_{4} (g) K_{P} = 6.86

Mifano mbili za kujaza nafasi na miundo miwili ya Lewis huonyeshwa. Mfano wa kujaza nafasi wa kushoto unaonyesha atomi ya bluu iliyoitwa, “N,” iliyounganishwa na atomi mbili nyekundu zilizoandikwa, “O,” wakati mfano wa kujaza nafasi unaonyesha atomi mbili za bluu zilizoitwa, “N,” kila mmoja huunganishwa na atomi mbili nyekundu zilizoitwa, “O.” Muundo wa Lewis wa kushoto unaonyesha atomi ya nitrojeni yenye single moja ya elektroni moja iliyounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni pekee. Atomu ya nitrojeni pia inaunganishwa mara mbili kwa atomu ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Muundo sahihi, ambao umeunganishwa na mshale wa vichwa viwili hadi wa kwanza, ni mchoro unaoonyesha muundo sawa wa Lewis, lakini msimamo wa dhamana mara mbili na idadi ya jozi za elektroni kwenye atomi za oksijeni zimebadilika.

Kielelezo 18.37 Miundo ya Masi na resonance ya dioksidi ya nitrojeni (NO ₂, kushoto) na tetraoxide ya dinitrojeni (N ₂ O ₄, kulia) huonyeshwa.

Dinitrogen pentaoxide, N ₂ O ₅ (mfano katika Kielelezo 18.38), ni imara nyeupe ambayo hutengenezwa na upungufu wa maji mwilini wa asidi ya nitriki na fosforasi (V) oksidi (tetraphosphorus decosidi):

P_{4} O_{10} (s) + {4HNO}_{3} (l) ⟶ {4HPO}_{3} (s) + {2N}_{2} O_{5} (s)

Ni imara juu ya joto la kawaida, kuharibika kwa N ₂ O ₄ na O ₂.

Mfano wa kujaza nafasi na muundo wa Lewis huonyeshwa. Mfano wa kujaza nafasi unaonyesha atomi mbili za bluu zilizoitwa, “N,” kila mmoja huunganishwa na atomi mbili nyekundu zilizoitwa, “O,” na atomi nyingine nyekundu iliyoandikwa, “O,” katikati yao. Muundo wa Lewis unaonyesha atomi ya nitrojeni moja iliyounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni katika nafasi ya kushuka na mara mbili iliyounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni katika nafasi ya juu. Nitrojeni hii ni moja iliyounganishwa na atomi ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Atomu ya oksijeni ni moja inayounganishwa na atomi nyingine ya nitrojeni ambayo ni moja inayounganishwa na atomi nyingine ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni katika nafasi ya juu. Atomu ya pili ya nitrojeni pia imeunganishwa mara mbili kwa atomu ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni katika nafasi ya kushuka.

Kielelezo 18.38 Picha hii inaonyesha muundo wa Masi na muundo mmoja wa resonance ya molekuli ya pentaoxide ya dinitrojeni, N ₂ O _5.

Oksidi za nitrojeni (III), nitrojeni (IV), na nitrojeni (V) huguswa na maji na kuunda oxyacids yenye nitrojeni. Nitrojeni (III) oksidi, N ₂ O ₃, ni anhydride ya asidi nitrous; HNO ₂ huunda wakati N ₂ O ₃ humenyuka na maji. Hakuna oxyacids imara iliyo na nitrojeni yenye hali ya oxidation ya 4+; kwa hiyo, oksidi ya nitrojeni (IV), NO ₂, haipatikani kwa njia moja wakati inakabiliwa na maji. Katika maji baridi, mchanganyiko wa aina ya HNO ₂ na HNO ₃. Katika joto la juu, HNO ₃ na NO itaunda. Nitrojeni (V) oksidi, N ₂ O ₅, ni anhydride ya asidi ya nitriki; HNO ₃ huzalishwa wakati N ₂ O ₅ inakabiliwa na maji:

N_{2} O_{5} (s) + H_{2} O (l) ⟶ {2HAKUNA}_{3} (a q)

Oksidi za nitrojeni zinaonyesha tabia kubwa ya kupunguza oxidation. Oxydi ya nitrous inafanana na oksijeni katika tabia yake wakati inapokanzwa na vitu vinavyowaka. N ₂ O ni wakala wenye nguvu ya oksidi ambayo hutengana wakati wa joto ili kuunda nitrojeni na oksijeni. Kwa sababu theluthi moja ya gesi iliyotolewa ni oksijeni, oksidi ya nitrous inasaidia mwako bora kuliko hewa (oksijeni moja ya tano). Splinter inang'aa hupasuka ndani ya moto wakati unapoingia ndani ya chupa ya gesi hii. Oxydi ya nitriki hufanya wote kama wakala wa oxidizing na kama wakala wa kupunguza. Kwa mfano:

wakala oxidizing: P_{4} (s) + 6HAKUNA (g) ⟶ P_{4} O_{6} (s) + {3N}_{2} (g)

kupunguza wakala: {Cl}_{2} (g) + 2HAKUNA (g) ⟶ 2 ClNo (g)

Nitrojeni dioksidi (au tetraoxide ya dinitrojeni) ni wakala mzuri wa oksidi. Kwa mfano:

{HAPANA}_{2} (g) + USHIRIKIANO (g) ⟶ HAPANA (g) + {USHIRIKIANO}_{2} (g)

{HAPANA}_{2} (g) + 2hCl (a q) ⟶ HAPANA (g) + {Cl}_{2} (g) + H_{2} O (l)