کاربرد گاز نیتروژن در صنعت
نیتروژن، یک عنصر غیر فلزی از گروه پانزدهم جدول تناوبی عناصر است. این عنصر به صورت دو اتمی و گازی شکل، بی رنگ، بدون بود و بدون مزه و فراوانترین عنصر در جو کره ی زمین است. عدد اتمی نیتروژن 7، وزن اتمی آن 14، دمای ذوب آن 86/209- درجه سلسیوس و نقطه جوش آن 8/195- درجه سلسیوس است.
تاریخچه گاز نیتروژن
حدود چهار پنجم از جو کره ی زمین را نیتروژن تشکیل داده است. در سال 1772 شیمیدان سوئدی کارل ویلهلم نشان داد که هوا مخلوطی از دو گاز است. تقریباً در همان زمان گیاه شناسی اسکاتلندی نیز به نام دنیل رادرفورد اکسیژن را کشف کرده و داده های خود را منتشر کرد و شیمیدانی فرانسوی در سال 1790 گاز دیگر هوا را حاوی نیتر و به نام نیتروژن معرفی کرد.چرخه گاز نیتروژن
عنصر نیتروژن در ساخت تمام موجودات زنده در زمین نقش دارد. این عنصر برای بقای انسان، حیوانات و گیاهان ضروری است. البته حیوانات و گیاهان قادر به استفاده از نیتروژن آزاد در جو نیستند. تمام چرخه ی استفاده از نیتروژن وابسته به باکتری هایی است که آن را قابل مصرف برای موجودات زنده دیگر می کنند. البته گاز نیتروژن با سایر عناصر ترکیب می شود تا موادی مانند آمونیاک، نیتریت یا نیترات را تولید کند.
تثبیت نیتروژن بخش مهمی از چرخه نیتروزن در طبیعت است. تثبیت نیتروژن از طریق انواع خاصی از باکتری و همچنین جلبک های سبز آبی انجام می شود. فرآیند هایی مثل رعد و برق، پرتو فرابنفش و همچنین تبدیل به آمونیاک نیز مقداری از نیتروژن جو را تثبیت می کنند.ترکیبات تشکیل شده از فرآیند تثبیت نیتروژن به بافت گیاهان منتقل می شود. حیوانات و انسان ها گیاهان را می خورند و ترکیبات نیتروژن را در قالب اوره و دیگر مواد زائد دفع می کنند. باکتری های نیتریت زدا دیگر بار به نیتروژن گازی دو اتمی تبدیل می شوند و به جو باز می گردند.
کاربردهای گاز نیتروژن
تولید صنعتی نیتروژن عمدتاً از طریق تقطیر هوا انجام می شود. البته واکنش های آزمایشگاهی مانند احتراق محلول های نیتریت آمونیوم و اکسایش آمونیاک با اکسید های داغ مس و آب بروم نیز منجر به تولید نیتروژن می شوند.بعضی از کاربردهای گاز نیتروژن را می توان موارد زیر را ذکر کرد:
- صنایع شیمیایی :نیتروژن به عنوان عامل پیشگیری از اکسید شدن و به عنوان رقیق کننده ی گاز های واکنش پذیر و مهار کننده آتش یا انفجار کاربرد دارد.
- صنایع غذایی :یکی از گاز های موثر در فرایند بسته بندی مواد غذایی می باشد و می تواند به جابه‌جایی هوا در بسته بندی مواد غذایی کمک کند. (جابه‌جایی هوا باعث حذف نمودن اکسیژن از بسته بندی و همچنین کاهش روند فساد مواد غذایی را در پی دارد.)
- صنایع الکتریکی: از نیتروژن برای جلوگیری از اکسایش و سایر واکنش های شیمیایی و حفاظت از موتور ها استفاده می شود. همچنین در جوشکاری، لحیم کاری، تولید فوم و پلاستیک یا لاستیک و در پزشکی برای انجماد سریع و ذخیره سازی خون، مغز استخوان، بافت ها، باکتری ها و اسپرم نیز از نیتروژن استفاده می شود.
- صنایع داروئی:شرکت های داروئی یکی از فعال ترین شرکت هایی می باشند که به مقدار زیادی گاز نیتروژن تصفیه شده، در ترکیب و ذخیره سازی ترکیبات درجه بندی شده پزشکی نیاز دارند و این عنصر برای آن ها یک عنصر حیاتی و ضروری است.
- صنعت نفت:گاز نیتروژن می تواند عامل مهمی در جداسازی گازها از مخازن بزرگ و آماده سازی آن ها جهت ذخیره سازی نفت را در پی داشته باشد، زیرا نیتروژن ماده ای است که با نفت وارد واکنش نمی شود و به راحتی می تواند آن را در مخازن ذخیره سازی نگه دارد.
- صنایع خودروسازی:امروزه از گاز نیتروژن به جای هوا در لاستیک خودروهای سواری استفاده می شود که به تنهایی می تواند باعث: افرایش ایمنی، کاهش مصرف سوخت، افزایش دوام رینگ و.. شود، همچنین با استفاده از گاز نیتروژن دیگر نیازی به چک نمودن وضعیت باد لاستیک ها تا چند ماه نمی باشد.
ترکیبات گاز نیتروژن
یکی از مشهورترین و پرکاربردترین ترکیبات گاز نیتروژن آمونیاک است.
گاز آمونیاک (NH3) اصلی ترین هیدرید نیتروژن است . قابل ذکر است که هیدرازین (N2H4) نیز یکی از هیدریدهای معروف نیتروژن به شمار می آید.
آمونیاک نسبت به آب ترکیب ساده تری است و در حالت محلول یون های آمونیوم (NH4+) را تشکیل می دهد. آمونیاک مایع کمی آمفیتریک می باشد و آمونیاک و یون های آمینه را که هردو نمک آمیدها و نیتریدها هستند، بوجود می آورد.
آمین ها ترکیبات جانشین آمونیاک می باشند .
سیانیدها از جمله سیانور از دیگر ترکیبات گاز نیتروژن به شمار می آیند که بی نهایت سمی و کشنده هستند.
لازم به ذکر است ، زنجیره ها ، حلقه ها و ساختارهای بزرگ تر هیدریدهای نیتروژنی نیز شناخته شده اند ولی پایدار نمی باشند.
یک دیگر از ترکیبات گاز نیتروژن ، آنیونهای نیتروژن ، آزیدین ها (N3-) هستند که خطی بوده و نسبت به گاز دی اکسید کربن ایزوالکتریک می باشند.
در صنعت از گاز نیتروژن هم بصورت خالص و هم به صورت ترکیب با گازهای دیگر استفاده می شود .
گاز نیتروژن به دلیل بی اثر بودن و در دسترس بودن معمولا به عنوان گاز بالانس اکثر مخلوط های گازی مورد استفاده قرار می گیرد.
یکی از معروفترین و پرکاربردترین ترکیبات گاز نیتروژن گاز هوای خشک و یا هوای فشرده Z-Air می باشد که از 20.5% گاز اکسیژن و 79.5% گاز نیتروژن تشکیل شده است.
اطلاعات ایمنی گاز نیتروژن
گاز نیتروژن بدلیل آرایش الکترونی لایه ی آخر، گازی بی اثر و خنثی است اما نیتروژن موجود در آب و خاک و همچنین بخارات متساعد شده از اکسیدهای نیتروژن در محیط زیست به نیترات و نیتریت تبدیل می شود که با هموگلوبین خون واکنش داده و باعث کاهش توانائی خون در انتقال اکسیژن ، کاهش عملکرد غده تیروئید و کمبود ویتامین A می گردد.
هم چنین نیترات و نیتریت تولید شده از گاز نیتروژن یکی از عوامل ایجاد کننده سرطان است.
اگر در یک محیط بسته درصد گاز نیتروژن از یک حد استانداری بالاتر رود باعث کندی در روند اکسیژن رسانی به فرد و در نهایت منجر به خفگی می گردد.
در کار با نیتروژن مایع بدلیل نقطه ی جوش فوق العاده پایین گاز نیتروژن و سرمایش وحشتناکی که از تغییر فاز نیتروژن از مایع به گاز ایجاد می شود می بایست دقت و احتیاط لازم را به کار برد و از دستکش و عینک مخصوص استفاده کرد.