מתן מלח - כך מתורגמת המילה Nitrogenium מלטינית. זהו שמו של חנקן - יסוד כימי עם מספר אטומי 7, בראש הקבוצה ה-15 בגרסה הארוכה של הטבלה המחזורית. בצורת חומר פשוט, הוא מופץ במעטפת האוויר של כדור הארץ - האטמוספירה. מגוון תרכובות חנקן נמצאות בקרום כדור הארץ ובאורגניזמים חיים, ונמצאות בשימוש נרחב בתעשיות, לענייני צבא, חקלאות ורפואה.
למה חנקן נקרא "מחנק" ו"חסר חיים"
כפי שמציעים היסטוריונים של כימיה, הנרי קוונדיש (1777) היה הראשון שקיבל את החומר הפשוט הזה. המדען העביר אוויר על גחלים לוהטות, תוך שימוש באלקלי כדי לספוג את תוצרי התגובה. כתוצאה מהניסוי גילה החוקר גז חסר צבע וריח שלא הגיב עם פחם. קוונדיש קרא לזה "אוויר חונק" בגלל שהוא לא מסוגל לקיים נשימה כמו גם צריבה.
כימאי מודרני יסביר שחמצן הגיב עם פחמן ויוצר פחמן דו חמצני.החלק ה"מחניק" שנותר של האוויר היה מורכב ברובו מ-N2 מולקולות. קוונדיש ומדענים אחרים באותה תקופה עדיין לא ידעו על החומר הזה, אם כי תרכובות חנקן וסלטפטר היו אז בשימוש נרחב בכלכלה. המדען דיווח על הגז החריג לעמיתו, שערך ניסויים דומים, ג'וזף פריסטלי.
במקביל, קרל שילה הפנה את תשומת הלב למרכיב לא ידוע באוויר, אך לא הצליח להסביר נכון את מקורו. רק דניאל רתרפורד בשנת 1772 הבין שהגז ה"מחניק" ה"מקולקל" שהיה בניסויים הוא חנקן. איזה מדען צריך להיחשב למגלה שלו - היסטוריונים של המדע עדיין מתווכחים על זה.
15 שנים לאחר הניסויים של רתרפורד, הכימאי המפורסם אנטואן לבואזיה הציע לשנות את המונח "אוויר מקולקל", המתייחס לחנקן, למונח אחר - Nitrogenium. עד אז, הוכח שחומר זה אינו נשרף, אינו תומך בנשימה. במקביל, הופיע השם הרוסי "חנקן", המתפרש בדרכים שונות. לרוב אומרים שהמונח הוא "חסר חיים". עבודה שלאחר מכן הפריכה את הדעה הרווחת על תכונות החומר. תרכובות חנקן - חלבונים - הן המקרומולקולות החשובות ביותר בהרכב של אורגניזמים חיים. כדי לבנות אותם, צמחים סופגים את המרכיבים הדרושים להזנה מינרלית מהאדמה - יונים NO32- ו-NH4+.
חנקן הוא יסוד כימי
המערכת המחזורית (PS) עוזרת להבין את מבנה האטום ותכונותיו. לפי מיקומו של יסוד כימי בטבלה המחזורית, ניתן לקבועמטען גרעיני, מספר פרוטונים וניטרונים (מספר מסה). יש צורך לשים לב לערך המסה האטומית - זהו אחד המאפיינים העיקריים של היסוד. מספר התקופה מתאים למספר רמות האנרגיה. בגרסה הקצרה של הטבלה המחזורית, מספר הקבוצה מתאים למספר האלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית. בואו נסכם את כל הנתונים במאפיינים הכלליים של חנקן לפי מיקומו במערכת המחזורית:
- זהו אלמנט לא מתכתי, הממוקם בפינה הימנית העליונה של ה-PS.
- סימן כימי: N.
- מספר הזמנה: 7.
- מסה אטומית יחסית: 14.0067.
- נוסחה של תרכובת מימן נדיף: NH3 (אמוניה).
- מייצר את התחמוצת הגבוהה ביותר N2O5, שבה ערכיות החנקן היא V.
מבנה אטום החנקן:
- חיוב ליבה: +7.
- מספר פרוטונים:7; מספר נויטרונים: 7.
- מספר רמות האנרגיה: 2.
- מספר כולל של אלקטרונים: 7; נוסחה אלקטרונית: 1s22s22p3.
האיזוטופים היציבים של יסוד מס' 7 נחקרו בפירוט, מספרי המסה שלהם הם 14 ו-15. התוכן של האטומים של המצית שבהם הוא 99.64%. ישנם גם 7 פרוטונים בגרעיני איזוטופים רדיואקטיביים קצרי מועד, ומספר הנייטרונים משתנה מאוד: 4, 5, 6, 9, 10.
חנקן בטבע
מעטפת האוויר של כדור הארץ מכילה מולקולות של חומר פשוט, שהנוסחה שלו היא N2. תכולת החנקן הגזי באטמוספרה היא לפי נפחכ-78.1%. תרכובות אנאורגניות של יסוד כימי זה בקרום כדור הארץ הם מלחי אמוניום שונים וחנקות (חנקות). נוסחאות של תרכובות ושמות של כמה מהחומרים החשובים ביותר:
- NH3, אמוניה.
- NO2, דו תחמוצת החנקן.
- NaNO3, סודיום ניטראט.
- (NH4)2SO4, אמוניום סולפט.
ערכיות של חנקן בשתי התרכובות האחרונות - IV. פחם, אדמה, אורגניזמים חיים מכילים גם אטומי N קשורים. חנקן הוא חלק בלתי נפרד ממקרומולקולות חומצות אמינו, נוקלאוטידים DNA ו-RNA, הורמונים והמוגלובין. התוכן הכולל של יסוד כימי בגוף האדם מגיע ל-2.5%.
חומר פשוט
חנקן בצורת מולקולות דו-אטומיות הוא החלק הגדול ביותר של האוויר האטמוספרי בנפח ובמסה. לחומר שהנוסחה שלו היא N2 אין ריח, צבע או טעם. גז זה מהווה יותר מ-2/3 ממעטפת האוויר של כדור הארץ. בצורה נוזלית, חנקן הוא חומר חסר צבע הדומה למים. רותח ב-195.8 מעלות צלזיוס. M (N2)=28 גרם/מול. החומר הפשוט חנקן קל מעט מחמצן, צפיפותו באוויר קרובה ל-1.
אטומים במולקולה קושרים בחוזקה 3 זוגות אלקטרונים משותפים. התרכובת מציגה יציבות כימית גבוהה, המבדילה אותה מחמצן ומספר חומרים גזים אחרים. על מנת שמולקולת חנקן תתפרק לאטומים המרכיבים אותה, יש צורך להוציא אנרגיה של 942.9 קילו ג'ל/מול. קשר של שלושה זוגות אלקטרונים הוא חזק מאוד.מתקלקל בחימום מעל 2000 מעלות צלזיוס.
בתנאים רגילים, ניתוק מולקולות לאטומים כמעט ולא מתרחש. האינרטיות הכימית של חנקן נובעת גם מהיעדר מוחלט של קוטביות במולקולות שלו. הם מקיימים אינטראקציה חלשה מאוד זה עם זה, וזו הסיבה למצב הגזי של החומר בלחץ נורמלי ובטמפרטורה הקרובה לטמפרטורת החדר. התגובתיות הנמוכה של חנקן מולקולרי מוצאת יישום בתהליכים ובמכשירים שונים שבהם יש צורך ליצור סביבה אינרטית.
ניתוק של מולקולות N2 יכול להתרחש בהשפעת קרינת השמש באטמוספרה העליונה. נוצר חנקן אטומי, אשר בתנאים רגילים מגיב עם כמה מתכות ולא מתכות (זרחן, גופרית, ארסן). כתוצאה מכך, ישנה סינתזה של חומרים המתקבלים בעקיפין בתנאים יבשתיים.
ערך החנקן
שכבת האלקטרון החיצונית של אטום נוצרת על ידי 2 s ו-3 p אלקטרונים. חלקיקים שליליים אלה של חנקן יכולים לוותר בעת אינטראקציה עם אלמנטים אחרים, מה שמתאים לתכונות ההפחתה שלו. על ידי הצמדת 3 האלקטרונים החסרים לאוקטטה, האטום מפגין יכולות חמצון. האלקטרושליליות של חנקן נמוכה יותר, התכונות הלא מתכתיות שלו בולטות פחות מאלה של פלואור, חמצן וכלור. בעת אינטראקציה עם יסודות כימיים אלה, חנקן מוותר על אלקטרונים (מתחמצן). הפחתת יונים שליליים מלווה בתגובות עם לא מתכות ומתכות אחרות.
ערכיות טיפוסית של חנקן היא III. במקרה הזהקשרים כימיים נוצרים עקב משיכה של אלקטרוני p חיצוניים ויצירת זוגות משותפים (קשר). חנקן מסוגל ליצור קשר תורם-מקבל עקב זוג האלקטרונים הבודד שלו, כפי שמתרחש ביון האמוניום NH4+.
ייצור מעבדה ותעשייתי
אחת משיטות המעבדה מבוססת על תכונות החמצון של תחמוצת נחושת. נעשה שימוש בתרכובת חנקן-מימן - אמוניה NH3. גז מסריח זה מגיב עם אבקת תחמוצת נחושת שחורה. כתוצאה מהתגובה משתחרר חנקן ומופיעה נחושת מתכתית (אבקה אדומה). טיפות מים, תוצר נוסף של התגובה, מתיישבות על דפנות הצינור.
שיטת מעבדה נוספת המשתמשת בשילוב של חנקן עם מתכות היא אזיד, כגון NaN3. מסתבר שגז שאין צורך לטהר אותו מזיהומים.
אמוניום ניטריט מתפרק לחנקן ומים במעבדה. כדי שהתגובה תתחיל, נדרש חימום, ואז התהליך ממשיך עם שחרור חום (אקזותרמי). חנקן מזוהם בזיהומים, ולכן הוא מטוהר ומייבש.
ייצור חנקן בתעשייה:
- זיקוק חלקי של אוויר נוזלי - שיטה המשתמשת בתכונות הפיזיקליות של חנקן וחמצן (נקודות רתיחה שונות);
- תגובה כימית של אוויר עם פחם לוהט;
- הפרדת גז ספיחה.
אינטראקציה עם מתכות ומימן - תכונות חמצון
אינרטיות של מולקולות חזקותאינו מאפשר השגת כמה תרכובות חנקן על ידי סינתזה ישירה. כדי להפעיל אטומים, יש צורך בחימום חזק או הקרנה של החומר. חנקן יכול להגיב עם ליתיום בטמפרטורת החדר, עם מגנזיום, סידן ונתרן התגובה מתרחשת רק בחימום. נוצרים ניטרידים המתכתיים המתואמים.
האינטראקציה של חנקן עם מימן מתרחשת בטמפרטורות ולחצים גבוהים. תהליך זה דורש גם זרז. מתברר אמוניה - אחד המוצרים החשובים ביותר של סינתזה כימית. חנקן, כחומר מחמצן, מציג שלושה מצבי חמצון שליליים בתרכובותיו:
- −3 (אמוניה ותרכובות מימן אחרות של חנקן הן ניטרידים);
- −2 (הידרזין N2H4);
- −1 (hydroxylamine NH2OH).
הניטריד החשוב ביותר - אמוניה - מיוצר בכמויות גדולות בתעשייה. האינרטיות הכימית של חנקן נותרה בעיה גדולה במשך זמן רב. מלפטטר היה מקור חומרי הגלם שלה, אבל עתודות המינרלים החלו לרדת במהירות עם עליית הייצור.
הישג גדול של המדע והפרקטיקה הכימית היה יצירת שיטת אמוניה לקיבוע חנקן בקנה מידה תעשייתי. סינתזה ישירה מתבצעת בעמודים מיוחדים - תהליך הפיך בין חנקן המתקבל מאוויר למימן. כאשר יוצרים תנאים אופטימליים המעבירים את שיווי המשקל של תגובה זו לכיוון המוצר, באמצעות זרז, תפוקת האמוניה מגיעה ל-97%.
אינטראקציה עם חמצן - תכונות מפחיתות
כדי להתחיל את התגובה של חנקן וחמצן, יש צורך בחימום חזק. לקשת חשמלית ולפריקת ברק באטמוספירה יש מספיק אנרגיה. התרכובות האי-אורגניות החשובות ביותר שבהן החנקן נמצא במצבי החמצון החיוביים שלו:
- +1 (תחמוצת חנקן (I) N2O);
- +2 (חנקן חד חמצני NO);
- +3 (תחמוצת חנקן (III) N2O3; חומצה חנקתית HNO2, המלחים שלו הם ניטריטים);
- +4 (חנקן (IV) דו-חמצני NO2);
- +5 (חנקן פנטאוקסיד (V) N2O5, חומצה חנקתית HNO3, ניטרטים).
משמעות בטבע
צמחים סופגים יוני אמוניום ואניוני חנקה מהאדמה, משתמשים לתגובות כימיות בסינתזה של מולקולות אורגניות, המתרחשת כל הזמן בתאים. חנקן אטמוספרי יכול להיספג על ידי חיידקי גושים - יצורים מיקרוסקופיים היוצרים גידולים על שורשי הקטניות. כתוצאה מכך, קבוצת צמחים זו מקבלת את היסוד התזונתי הדרוש, מעשירה בו את האדמה.
בזמן גשם שוטף טרופי, מתרחשות תגובות חמצון חנקן באטמוספירה. תחמוצות מתמוססות ליצירת חומצות, תרכובות חנקן אלו במים חודרות לאדמה. בשל מחזור היסוד בטבע, הרזרבות שלו בקרום כדור הארץ ובאוויר מתחדשות ללא הרף. מולקולות אורגניות מורכבות המכילות חנקן מפורקות על ידי חיידקים למרכיבים אנאורגניים.
שימוש מעשי
הקשרים החשובים ביותרחנקן לחקלאות הם מלחים מסיסים ביותר. אוריאה, סלפטר (נתרן, אשלגן, סידן), תרכובות אמוניום (תמיסה מימית של אמוניה, כלוריד, סולפט, אמוניום חנקתי) נטמעות על ידי צמחים.חנקות. חלקים מהאורגניזם הצמחי מסוגלים לאחסן מאקרו-נוטריינטים "לעתיד", מה שמחמיר את איכות המוצרים. עודף של חנקות בירקות ופירות יכול לגרום להרעלה אצל אנשים, צמיחה של ניאופלזמות ממאירות. בנוסף לחקלאות, נעשה שימוש בתרכובות חנקן בתעשיות אחרות:
- לקבלת תרופות;
- לסינתזה כימית של תרכובות מקרומולקולריות;
- בייצור חומרי נפץ מטריניטרוטולואן (TNT);
- ליצור צבעים.
אין שימוש בתחמוצת בניתוח, לחומר יש אפקט משכך כאבים. אובדן התחושות בעת שאיפת הגז הזה הבחין אפילו על ידי החוקרים הראשונים של התכונות הכימיות של חנקן. כך הופיע השם הטריוויאלי "גז צחוק".
בעיה של חנקות במוצרים חקלאיים
מלחי חומצה חנקתית - ניטרטים - מכילים אניון בעל מטען יחיד NO3-. עד כה, נעשה שימוש בשם הישן של קבוצת חומרים זו - מלח. חנקות משמשות לדישון שדות, בחממות, פרדסים. הם מיושמים בתחילת האביב לפני הזריעה, בקיץ - בצורה של חבישות נוזליות. החומרים עצמם אינם מהווים סכנה גדולה לבני אדם, אבלבגוף הם הופכים לניטריטים, ואז לניטרוזמינים. יוני ניטריט NO2- הם חלקיקים רעילים, הם גורמים לחמצון של ברזל ברזל במולקולות המוגלובין ליונים תלת-ערכיים. במצב זה, החומר העיקרי בדם של בני אדם ובעלי חיים אינו מסוגל לשאת חמצן ולהסיר פחמן דו חמצני מרקמות.
מהי הסכנה של זיהום חנקתי במזון לבריאות האדם:
- גידולים ממאירים המתרחשים כאשר חנקות הופכות לניטרוזמינים (חומרים מסרטנים);
- התפתחות של קוליטיס כיבית,
- יתר לחץ דם או יתר לחץ דם;
- אי ספיקת לב;
- הפרעת קרישת דם
- כבד, לבלב, התפתחות סוכרת;
- התפתחות של אי ספיקת כליות;
- אנמיה, פגיעה בזיכרון, קשב, אינטליגנציה.
צריכה בו-זמנית של מזונות שונים עם מינונים גבוהים של חנקות מובילה להרעלה חריפה. המקורות יכולים להיות צמחים, מי שתייה, מנות בשר מוכנות. השרייה במים נקיים ובישול יכולים להפחית את תכולת החנקות במזונות. החוקרים גילו שמינונים גבוהים יותר של תרכובות מסוכנות נמצאו במוצרי צמחים לא בשלים וחממה.
זרחן הוא יסוד בתת-קבוצת החנקן
אטומים של יסודות כימיים שנמצאים באותה עמודה אנכית של המערכת המחזורית מציגים תכונות משותפות. זרחן ממוקם בתקופה השלישית, שייך לקבוצה ה-15, כמו חנקן. מבנה האטומיםאלמנטים דומים, אבל יש הבדלים במאפיינים. חנקן וזרחן מציגים מצב חמצון שלילי וערכיות III בתרכובות שלהם עם מתכות ומימן.
תגובות רבות של זרחן מתרחשות בטמפרטורות רגילות, זהו יסוד פעיל מבחינה כימית. הוא יוצר אינטראקציה עם חמצן ויוצר תחמוצת גבוהה יותר P2O5. לתמיסה מימית של חומר זה יש תכונות של חומצה (מטפוספורית). כאשר הוא מחומם, מתקבלת חומצה אורתופוספורית. הוא יוצר כמה סוגים של מלחים, שרבים מהם משמשים כדשנים מינרליים, כמו סופר-פוספטים. תרכובות של חנקן וזרחן הן חלק חשוב ממעגל החומרים והאנרגיה על הפלנטה שלנו, הן משמשות בתחומי פעילות תעשייתיים, חקלאיים ואחרים.
