گاز نیتروژن چیست؟ همه چیز درباره گاز N2

نیتروژن (N2 یا ازت) چیست؟

گاز نیتروژن، که با نماد شیمیایی N₂ یا گاهی با نام “ازت” شناخته می‌شود، یک عنصر شیمیایی حیاتی و بسیار فراوان در اطراف ما است. این گاز، بخش عمده‌ای از اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهد. به طوری که حدود ۷۸ درصد از هوایی که تنفس می‌کنیم، نیتروژن است. نیتروژن در حالت خالص، گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. نیتروژن نقشی حیاتی در چرخه‌های طبیعی، تولید صنعتی، پزشکی و فناوری دارد. با گسترش صنایع وابسته به گازهای تخصصی، شناخت دقیق گاز نیتروژن، کاربردها، ویژگی‌ها و خطرات آن، برای بسیاری از فعالان صنعتی و آزمایشگاهی ضروری شده است. فراتر از حضور غالب آن در اتمسفر، نیتروژن یکی از اجزای بنیادین تمام بافت‌های موجودات زنده و مولکول‌های ضروری برای حیات، مانند پروتئین‌ها و اسیدهای دئوکسی‌ریبونوکلئیک (DNA) و ریبونوکلئیک (RNA) به شمار می‌رود. این نقش دوگانه، یعنی حضور گسترده در طبیعت و اهمیت بیولوژیکی، نیتروژن را به یکی از مهم‌ترین عناصر در کره زمین تبدیل کرده است.

مروری بر حضور نیتروژن در اطراف ما

حضور نیتروژن تنها به اتمسفر محدود نمی‌شود؛ این عنصر به اشکال مختلف در سراسر کره زمین و حتی فراتر از آن یافت می‌شود. ترکیبات نیتروژن در خاک، آب‌های سطحی و زیرزمینی، و مواد معدنی گوناگون وجود دارند. علاوه بر این، نیتروژن در اجرام آسمانی مانند شهاب‌سنگ‌ها، گازهای آتشفشانی و حتی در خورشید و سایر ستارگان نیز شناسایی شده است. این حضور همه‌جانبه نیتروژن، از هوایی که استنشاق می‌کنیم تا ساختار بنیادین حیات و حتی اجرام کیهانی، بر نقش اساسی آن در سیستم‌های طبیعی و قابلیت دسترسی آن برای بهره‌برداری صنعتی تأکید دارد. درک این گستردگی حضور نیتروژن، اهمیت مطالعه و استفاده مسئولانه از آن را دوچندان می‌کند و برای فعالان در حوزه تأمین گازهای صنعتی، بر “طبیعی بودن” و اهمیت بنیادین محصولشان صحه می‌گذارد.

تاریخچه و کشف گاز نیتروژن

کشف گاز نیتروژن به اواخر قرن هجدهم میلادی بازمی‌گردد. در سال ۱۷۷۲، “دانیل رادرفورد” ، شیمیدان و پزشک اسکاتلندی، به عنوان کاشف نیتروژن شناخته شد، زیرا او اولین کسی بود که یافته‌های خود را در مورد این گاز جدید منتشر کرد. رادرفورد در آزمایش‌های خود، پس از سوزاندن موادی مانند فسفر و گوگرد در حجم معینی از هوا و سپس عبور دادن باقیمانده هوا از محلولی که دی‌اکسید کربن را جذب می‌کرد، متوجه شد که گازی باقی می‌ماند که نه از احتراق پشتیبانی می‌کند و نه برای تنفس موجودات زنده مناسب است. او این گاز را “هوای مضر” یا “هوای فلوژیستیک‌شده” نامید.

همزمان با رادرفورد، دانشمندان دیگری نیز به طور مستقل در حال بررسی اجزای هوا بودند. “کارل ویلهلم شیل” ، شیمیدان سوئدی، نیز در همان دوره نیتروژن را جداسازی کرد و آن را “هوای نامطبوع” یا “هوای سوخته” نامید، زیرا پس از حذف اکسیژن (که آن را “هوای آتش” می‌نامید) از هوا باقی می‌ماند.

نام “نیتروژن” برای اولین بار در سال ۱۷۹۰ توسط شیمیدان فرانسوی، “ژان-آنتوان شاپتال” ، پیشنهاد شد. این نام از واژه یونانی “nitron” (به معنی نیتر، که به پتاسیم نیترات اشاره دارد) و “genes” (به معنی تولیدکننده یا سازنده) گرفته شده است، زیرا شاپتال و دیگران دریافته بودند که این گاز یکی از اجزای اصلی “نیتر” یا شوره است.

از سوی دیگر، “آنتوان لاووازیه” ، شیمیدان بزرگ فرانسوی که نقش مهمی در انقلاب شیمیایی داشت، این گاز را “ازت” (Azote) نامید. واژه “ازت” از پیشوند یونانی “-a” (به معنی “بدون”) و “zoe” (به معنی “حیات”) مشتق شده است و به “بدون حیات” یا “مرده” ترجمه می‌شود. لاووازیه این نام را به دلیل عدم توانایی این گاز در پشتیبانی از تنفس و حیات موجودات زنده و همچنین عدم شرکت در احتراق انتخاب کرد.

مشخصات و ویژگی‌های کلیدی گاز نیتروژن (N2)

گاز نیتروژن دارای مجموعه‌ای از خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد است که کاربردهای گسترده آن را توجیه می‌کند.

ویژگی‌های فیزیکی گاز نیتروژن

درک ویژگی‌های فیزیکی نیتروژن برای استفاده ایمن و مؤثر از آن در کاربردهای مختلف ضروری است. جدول زیر خلاصه‌ای از مهم‌ترین این ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد.

جدول خواص فیزیکی و شیمیایی گاز نیتروژن

ویژگی	مقدار
نماد شیمیایی	عنصر: N، مولکول گاز: N₂
عدد اتمی	7
وزن اتمی	تقریباً 14.0067 u
وزن مولکولی N₂	تقریباً 28.0134 g/mol
اشتعال‌پذیری	غیرقابل اشتعال
حالت در شرایط استاندارد دما و فشار (STP)	گاز
رنگ	بی‌رنگ
بو	بی‌بو
مزه	بی‌مزه
نقطه ذوب	حدود 209.86− تا 210− °C (معادل 63.15 K)
نقطه جوش	حدود 195.8− °C (معادل 77.36 K)
چگالی گاز (در STP: 0 °C و 1 atm)	تقریباً 1.2506 g/L
چگالی نیتروژن مایع (در نقطه جوش)	تقریباً 0.808 g/cm3
نقطه بحرانی (دما)	146.9− °C (معادل 126.2 K)
نقطه بحرانی (فشار)	3.39 MPa (معادل 33.5 atm)
حلالیت در آب (20 °C, 1 atm)	کم، حدود 0.015 g/kg
حجم مولی (در STP)	22.4 L/mol

 

چگالی گاز نیتروژن: آیا گاز نیتروژن (گاز ازت) از هوا سبک‌تر است یا سنگین‌تر؟

یکی از سوالات رایج در مورد گاز نیتروژن، مقایسه چگالی آن با هوا است. گاز نیتروژن (N₂) با وزن مولکولی حدود 28.0134 g/mol، کمی از هوای متوسط (که میانگین وزن مولکولی آن حدود 28.97 g/mol است) سبک‌تر می‌باشد. هوا عمدتاً از نیتروژن (حدود ۷۸٪ با وزن مولکولی ۲۸) و اکسیژن (حدود ۲۱٪ با وزن مولکولی ۳۲) و مقادیر کمتری آرگون (حدود ۱٪ با وزن مولکولی ۴۰) و سایر گازها تشکیل شده است. از آنجایی که نیتروژن بخش عمده هوا را تشکیل می‌دهد و وزن مولکولی آن از دو جزء اصلی دیگر یعنی اکسیژن و آرگون کمتر است، چگالی آن نیز به طور طبیعی اندکی کمتر از چگالی متوسط هوا خواهد بود.

این تفاوت جزئی در چگالی پیامدهای عملی نیز دارد. در یک محیط آرام و بدون جریان هوا، گاز نیتروژنی که آزاد می‌شود، تمایل به بالا رفتن آهسته یا مخلوط شدن با هوای اطراف را دارد، برخلاف گازهای سنگین‌تر مانند دی‌اکسید کربن یا پروپان که به سرعت در سطوح پایین تجمع می‌یابند. با این حال، این سبکی نسبی نباید منجر به نادیده گرفتن خطر اصلی نیتروژن، یعنی خفگی در اثر جابجایی اکسیژن شود. حتی اگر نیتروژن به سرعت در کف محیط جمع نشود، قابلیت آن برای کاهش غلظت اکسیژن، به ویژه در فضاهای بسته، همچنان یک خطر جدی محسوب می‌شود. بنابراین، “سبک‌تر بودن” به معنای “ایمن بودن در فضاهای محدود” نیست و خطر اصلی، جابجایی اکسیژن است، نه تجمع گاز به دلیل چگالی.

ویژگی‌های شیمیایی گاز نیتروژن

ساختار مولکولی N₂ و پیوند سه‌گانه مستحکم

مولکول گاز نیتروژن (N₂) از دو اتم نیتروژن تشکیل شده است که این دو اتم از طریق یک پیوند سه‌گانه کووالانسی بسیار قوی به یکدیگر متصل شده‌اند (N≡N). این پیوند سه‌گانه یکی از قوی‌ترین پیوندهای شناخته‌شده بین دو اتم یکسان است و انرژی تفکیک پیوند بسیار بالایی دارد. این انرژی زیاد، شکستن پیوند بین دو اتم نیتروژن و وادار کردن مولکول N₂ به شرکت در واکنش‌های شیمیایی را بسیار دشوار می‌سازد.

واکنش‌پذیری و خنثی بودن نسبی (Inertness)

به دلیل وجود همین پیوند سه‌گانه بسیار پایدار، گاز N₂ در دما و فشار معمولی، گازی بسیار پایدار، کم‌واکنش یا به اصطلاح بی‌اثر (خنثی) است. این ویژگی خنثی بودن، سنگ بنای بسیاری از کاربردهای صنعتی مهم آن، مانند استفاده به عنوان گاز محافظ در فرآیندها یا ایجاد اتمسفر کنترل‌شده برای جلوگیری از واکنش‌های نامطلوب، به شمار می‌رود. با این حال، نیتروژن کاملاً بی‌واکنش نیست. در دماهای بسیار بالا، یا در حضور کاتالیزورهای مناسب، یا تحت تأثیر تخلیه الکتریکی، نیتروژن می‌تواند با برخی عناصر دیگر واکنش دهد.

به عنوان مثال، در فرآیند هابر-بوش، نیتروژن با هیدروژن ترکیب شده و آمونیاک (NH₃) تولید می‌کند. همچنین می‌تواند با برخی فلزات فعال در دمای بالا واکنش داده و نیتریدها را تشکیل دهد.

آیا گاز نیتروژن قابل اشتعال است؟

یکی از پرسش‌های متداول در مورد نیتروژن، قابلیت اشتعال آن است. پاسخ قاطع این است که خیر، گاز نیتروژن (N₂) ذاتاً غیرقابل اشتعال است.

دلیل علمی این ویژگی به ساختار مولکولی و پایداری آن بازمی‌گردد. اشتعال یک واکنش اکسیداسیون سریع است که نیازمند حضور یک ماده سوختنی (که اکسید می‌شود) و یک ماده اکسیدکننده (معمولاً اکسیژن) می‌باشد. گاز نیتروژن نه تنها خود یک ماده اکسیدکننده نیست، بلکه به دلیل پیوند سه‌گانه بسیار قوی و پایدار بین دو اتم نیتروژن، انرژی فعال‌سازی بسیار بالایی برای شرکت در واکنش‌های شیمیایی (از جمله احتراق) نیاز دارد. شکستن این پیوند سه‌گانه مستلزم صرف انرژی زیادی است که در شرایط عادی احتراق فراهم نمی‌شود. در واقع، به دلیل همین پایداری و عدم تمایل به واکنش، نیتروژن نه تنها نمی‌سوزد، بلکه به طور گسترده برای جلوگیری از اکسیداسیون و حتی اطفاء حریق در شرایط خاص استفاده می‌شود. این گاز با جایگزین کردن اکسیژن در محیط، مانع از رسیدن اکسیژن به ماده سوختنی شده و در نتیجه از ادامه یا شروع احتراق جلوگیری می‌کند. این زنجیره علت و معلولی، یعنی پیوند سه‌گانه قوی در N₂ که منجر به انرژی تفکیک پیوند بالا، انرژی فعال‌سازی زیاد برای واکنش، خنثی بودن شیمیایی و در نهایت عدم قابلیت اشتعال می‌شود، به وضوح یک ویژگی بنیادی مولکولی را به یک خصوصیت کلیدی و کاربردهای عملی آن مرتبط می‌سازد.

انواع گاز نیتروژن (بر اساس حالت و کاربرد عمومی)

گاز نیتروژن عمدتاً به دو شکل اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• گاز نیتروژن فشرده: این شکل رایج‌ترین حالت عرضه نیتروژن است که در آن، گاز N₂ تحت فشار بالا در سیلندرهای فولادی یا کامپوزیتی ذخیره می‌شود. این سیلندرها در حجم‌ها و فشارهای مختلف برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی در دسترس هستند.
• نیتروژن مایع (ازت مایع یا LN₂): این حالت، شکل مایع نیتروژن خالص است که در دماهای بسیار پایین، یعنی حدود ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد (۷۷ کلوین) در فشار اتمسفری، وجود دارد. نیتروژن مایع یک سرمازای (cryogen) بسیار قوی است و به دلیل دمای بسیار پایین و قابلیت جذب گرمای نهان تبخیر بالا، در کاربردهای برودتی و انجمادی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چرخه نیتروژن در طبیعت: نقش حیاتی N2 برای حیات

گاز نیتروژن، علاوه بر اهمیت صنعتی، نقش بسیار حیاتی در چرخه‌های طبیعی و بقای حیات بر روی کره زمین دارد. چرخه نیتروژن یک فرآیند بیوژئوشیمیایی پیچیده و پویا است که طی آن، عنصر نیتروژن بین اتمسفر (که مخزن اصلی آن است)، خاک، آب و موجودات زنده در گردش بوده و به اشکال شیمیایی مختلف تبدیل می‌شود. این چرخه برای اکوسیستم‌ها ضروری است زیرا نیتروژن یک عنصر کلیدی در ساختار مولکول‌های حیاتی مانند پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA) و کلروفیل است.

مراحل اصلی چرخه نیتروژن:

چرخه نیتروژن شامل چندین مرحله کلیدی است که عمدتاً توسط میکروارگانیسم‌ها انجام می‌شود:

۱. تثبیت نیتروژن (Nitrogen Fixation):
گاز نیتروژن موجود در اتمسفر (N₂) به دلیل پیوند سه‌گانه قوی بین دو اتم آن، برای اکثر موجودات زنده به طور مستقیم قابل استفاده نیست. مرحله تثبیت نیتروژن، فرآیندی است که در آن N₂ اتمسفری به ترکیبات نیتروژن‌دار قابل جذب توسط گیاهان، مانند آمونیاک (NH₃)، یون آمونیوم (NH₄⁺)، نیتریت (NO₂⁻) یا نیترات (NO₃⁻) تبدیل می‌شود. این فرآیند به سه روش اصلی صورت می‌گیرد:

• تثبیت بیولوژیکی: این مهم‌ترین روش تثبیت نیتروژن است و توسط انواع خاصی از میکروارگانیسم‌ها، به ویژه باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن، انجام می‌شود. برخی از این باکتری‌ها مانند ریزوبیوم (Rhizobium) به صورت همزیست با گیاهان خانواده لگومینوز (مانند نخود، لوبیا، شبدر) در گرهک‌های ریشه آن‌ها زندگی می‌کنند. سایر باکتری‌ها مانند آزتوباکتر (Azotobacter) و سیانوباکترها (جلبک‌های سبز-آبی) به صورت آزاد در خاک یا آب زندگی می‌کنند. این میکروارگانیسم‌ها دارای آنزیم خاصی به نام نیتروژناز هستند که قادر به شکستن پیوند سه‌گانه N₂ و تبدیل آن به آمونیاک است.

• تثبیت اتمسفری: انرژی بسیار زیاد آزاد شده در هنگام رعد و برق می‌تواند باعث ترکیب نیتروژن و اکسیژن موجود در هوا و تشکیل اکسیدهای نیتروژن (مانند NO و NO₂) شود. این ترکیبات سپس با بخار آب در اتمسفر واکنش داده و به اسید نیتریک یا نیتریت تبدیل شده و همراه با باران وارد خاک می‌شوند.

• تثبیت صنعتی: انسان نیز از طریق فرآیند هابر-بوش (Haber-Bosch process) مقادیر زیادی نیتروژن اتمسفری را به آمونیاک تبدیل می‌کند. این آمونیاک عمدتاً برای تولید کودهای شیمیایی نیتروژنه مورد استفاده قرار می‌گیرد که نقش مهمی در کشاورزی مدرن دارند.

۲. آمونیاک‌سازی یا معدنی شدن (Ammonification/Mineralization):
پس از مرگ گیاهان و جانوران، یا از طریق فضولات حیوانی، ترکیبات آلی نیتروژن‌دار (مانند پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک) موجود در بقایای آن‌ها توسط باکتری‌ها و قارچ‌های تجزیه‌کننده (ساپروفیت‌ها) در خاک تجزیه می‌شوند. در این فرآیند، نیتروژن آلی به آمونیاک (NH₃) یا یون آمونیوم (NH₄⁺) تبدیل می‌شود که به این فرآیند آمونیاک‌سازی یا معدنی شدن نیتروژن می‌گویند.

۳. نیتریفیکاسیون (Nitrification):
آمونیاک یا یون آمونیوم تولید شده در مرحله قبل، توسط دسته‌ای دیگر از باکتری‌های خاک به نام باکتری‌های نیتریت‌کننده (مانند نیتروزوموناس) ابتدا به نیتریت (NO₂⁻) اکسید می‌شود. سپس، نیتریت توسط باکتری‌های نیترات‌کننده (مانند نیتروباکتر) به نیترات (NO₃⁻) اکسید می‌شود.5 نیترات شکل اصلی نیتروژن است که به راحتی توسط ریشه گیاهان جذب شده و برای ساخت ترکیبات آلی مورد نیاز گیاه استفاده می‌شود.

۴. نیترات‌زدایی یا دنیریفیکاسیون (Denitrification):
در این مرحله، نیتروژن دوباره به اتمسفر بازمی‌گردد. در شرایط بی‌هوازی (معمولاً در خاک‌های اشباع از آب)، دسته‌ای از باکتری‌ها به نام باکتری‌های نیترات‌زدا (مانند گونه‌هایی از سودوموناس)، نیترات (NO₃⁻) و نیتریت (NO₂⁻) موجود در خاک را به عنوان پذیرنده الکترون در تنفس بی‌هوازی خود استفاده کرده و آن‌ها را به گاز نیتروژن (N₂) و همچنین مقادیر کمتری از اکسید نیترو (N₂O) و اکسید نیتریک (NO) تبدیل می‌کنند. این گازها سپس به اتمسفر آزاد می‌شوند و چرخه تکمیل می‌گردد.

اهمیت چرخه نیتروژن برای اکوسیستم و کشاورزی:

چرخه نیتروژن برای حفظ سلامت و پایداری اکوسیستم‌های زمینی و آبی و همچنین برای تولید محصولات کشاورزی از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. این چرخه، نیتروژن را به شکلی قابل دسترس برای رشد گیاهان تبدیل می‌کند که پایه و اساس زنجیره‌های غذایی را تشکیل می‌دهند. همچنین به حفظ تعادل نیتروژن در بخش‌های مختلف محیط زیست کمک کرده و نقش حیاتی در حاصلخیزی خاک ایفا می‌کند. هرگونه اختلال در این چرخه، مانند استفاده بیش از حد از کودهای نیتروژنه در کشاورزی، می‌تواند منجر به عدم تعادل نیتروژن، آلودگی آب‌های سطحی و زیرزمینی (از طریق شستشوی نیترات اضافی) و آسیب به اکوسیستم‌های آبی و آبزیان شود.

گاز نیتروژن و گازهای گلخانه‌ای:

مهم است توجه داشته باشیم که اگرچه خود گاز نیتروژن (N₂) یک گاز گلخانه‌ای نیست و به طور مستقیم در گرمایش جهانی نقش ندارد، اما برخی از ترکیبات نیتروژن که در طول چرخه نیتروژن تولید یا آزاد می‌شوند، گازهای گلخانه‌ای قوی محسوب می‌شوند. مهم‌ترین این ترکیبات، اکسید نیترو (N₂O) یا گاز خنده است که عمدتاً در طی فرآیندهای نیتریفیکاسیون و به ویژه نیترات‌زدایی در خاک و همچنین در اثر فعالیت‌های کشاورزی (مانند استفاده از کودهای نیتروژنه و مدیریت پسماندهای حیوانی) و برخی فرآیندهای صنعتی تولید و به اتمسفر منتشر می‌شود. اکسید نیترو پتانسیل گرمایش جهانی بسیار بیشتری نسبت به دی‌اکسید کربن (در یک بازه زمانی مشخص) دارد و همچنین در تخریب لایه ازن استراتوسفری نیز نقش دارد. فعالیت‌های انسانی، به ویژه در بخش کشاورزی، به طور قابل توجهی چرخه طبیعی نیتروژن را تغییر داده و منجر به افزایش انتشار N₂O و سایر ترکیبات نیتروژنی فعال به محیط زیست شده است. این موضوع یک لایه مهم از ملاحظات زیست‌محیطی را به بحث گسترده‌تر در مورد نیتروژن اضافه می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه یک عنصر ظاهراً بی‌خطر می‌تواند در چرخه‌های پیچیده طبیعی، پیامدهای گسترده‌تری داشته باشد.

تولید گاز نیتروژن: از صنعت تا آزمایشگاه

تولید گاز نیتروژن بسته به مقیاس، خلوص مورد نیاز و کاربرد نهایی، به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. این روش‌ها از فرآیندهای صنعتی بزرگ برای تولید انبوه تا تکنیک‌های آزمایشگاهی برای مقادیر کم و خلوص بسیار بالا را شامل می‌شوند.

روش‌های تولید صنعتی گاز نیتروژن

در صنعت، سه روش اصلی برای تولید گاز نیتروژن وجود دارد:

۱. تقطیر جزء به جزء هوای مایع (Cryogenic Air Separation):
این روش، متداول‌ترین و اصلی‌ترین فرآیند برای تولید نیتروژن با خلوص بسیار بالا (تا ۹۹.۹۹۹۹٪ یا گرید ۶ و حتی بالاتر) و در مقیاس بزرگ (تناژ بالا) است. اساس این روش بر پایه اختلاف در نقطه جوش اجزای تشکیل‌دهنده هوا (عمدتاً نیتروژن، اکسیژن و آرگون) استوار است.

۲. جذب نوسانی فشار (PSA – Pressure Swing Adsorption):
روش PSA یک تکنولوژی غیربرودتی است که برای تولید نیتروژن گازی در محل مصرف (on-site generation) با خلوص متغیر، معمولاً از ۹۵٪ تا ۹۹.۹۹۹٪ (گرید ۵)، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش برای ظرفیت‌های متوسط تا بزرگ مناسب است.
اساس کار PSA بر پایه استفاده از یک ماده جاذب جامد، معمولاً کربن مولکولارسیو، است که تمایل بیشتری به جذب مولکول‌های اکسیژن نسبت به مولکول‌های نیتروژن دارد.

۳. فناوری غشایی (Membrane Technology):
این روش نیز یک تکنولوژی غیربرودتی دیگر برای تولید نیتروژن در محل مصرف است و معمولاً برای تولید نیتروژن با خلوص پایین‌تر تا متوسط (از ۹۵٪ تا حدود ۹۹.۹٪) و برای ظرفیت‌های کوچک تا متوسط مناسب است.
در این روش، از غشاهای پلیمری نیمه‌تراوا به شکل الیاف توخالی استفاده می‌شود. هوای فشرده، تمیز و خشک به داخل این الیاف هدایت می‌شود. دیواره این الیاف غشایی، اجازه عبور سریع‌تر به گازهایی مانند اکسیژن، بخار آب و دی‌اکسید کربن (“گازهای سریع”) را می‌دهد، در حالی که نیتروژن (“گاز کند”) با سرعت کمتری از دیواره غشا نفوذ کرده و در نتیجه در جریان خروجی از انتهای الیاف، غنی می‌شود. گازهای نفوذ کرده که عمدتاً حاوی اکسیژن هستند، از سیستم خارج می‌شوند.
ژنراتورهای نیتروژن غشایی ساده، کم‌حجم، بدون قطعات متحرک (در بخش جداسازی) و با نیاز به نگهداری کم هستند، اما معمولاً برای دستیابی به خلوص‌های بسیار بالا مناسب نیستند و بازدهی آن‌ها (نسبت نیتروژن تولیدی به هوای مصرفی) با افزایش خلوص کاهش می‌یابد.

انتخاب روش تولید نیتروژن به شدت تحت تأثیر خلوص مورد نیاز، حجم مصرف، ملاحظات اقتصادی (هزینه سرمایه‌گذاری اولیه در مقابل هزینه‌های عملیاتی و لجستیکی) و ترجیح برای تولید در محل در مقابل خرید و تحویل نیتروژن به صورت مایع یا سیلندری است. روش‌های برودتی بالاترین خلوص و بزرگترین حجم‌ها را ارائه می‌دهند اما سرمایه‌بر هستند. فناوری‌های PSA و غشایی، گزینه‌هایی برای تولید در محل با خلوص‌ها و نرخ‌های جریان متنوع ارائه می‌دهند و پیچیدگی‌های لجستیکی حمل و نقل سیلندر یا مایع را کاهش می‌دهند. درک این موازنه‌ها به تولید کنندگان کمک می‌کند تا بهترین روش تأمین نیتروژن را برای نیازهای خاص خود انتخاب کنند.

روش‌های تولید آزمایشگاهی گاز نیتروژن

برای تولید مقادیر کم گاز نیتروژن در محیط آزمایشگاه، به ویژه برای اهداف تحقیقاتی خاص یا زمانی که نیاز به خلوص بسیار بالایی وجود دارد که از طریق سیلندرهای تجاری به راحتی در دسترس نیست، از روش‌های شیمیایی استفاده می‌شود. برخی از این روش‌ها عبارتند از:

• گرم کردن باریم آزید (Ba(N3​)2​): تجزیه حرارتی باریم آزید، نیتروژن گازی بسیار خالص و فلز باریم تولید می‌کند. این روش به دلیل سمی بودن آزیدها و نیاز به احتیاط، کمتر رایج است. Ba(N3​)2​(s)→Ba(s)+3N2​(g)
• گرم کردن محلول آمونیوم نیتریت (NH4​NO2​): تجزیه کنترل‌شده آمونیوم نیتریت (که معمولاً درجا از واکنش سدیم نیتریت و آمونیوم کلرید تهیه می‌شود) گاز نیتروژن و آب تولید می‌کند. NH4​NO2​(aq)→N2​(g)+2H2​O(l)
• اکسیداسیون آمونیاک: واکنش آمونیاک با اکسیدکننده‌هایی مانند برم یا اکسید مس (II) داغ نیز می‌تواند نیتروژن تولید کند. 2NH3​(g)+3CuO(s)→N2​(g)+3Cu(s)+3H2​O(g)
• تجزیه حرارتی آمونیاک: در دماهای بالا و در حضور کاتالیزور، آمونیاک به نیتروژن و هیدروژن تجزیه می‌شود. سپس می‌توان هیدروژن را جدا کرد. این روش‌ها معمولاً برای کاربردهای خاص و در مقیاس کوچک استفاده می‌شوند و برای مصارف عمومی صنعتی یا آزمایشگاهی که نیتروژن سیلندری یا مایع به راحتی در دسترس است، اقتصادی نیستند.

خلوص گاز نیتروژن: گریدها و اهمیت آن‌ها

خلوص گاز نیتروژن یکی از مهم‌ترین پارامترها در انتخاب آن برای کاربردهای مختلف است. ناخالصی‌های موجود در نیتروژن، حتی در مقادیر بسیار کم، می‌توانند تأثیرات نامطلوبی بر فرآیندها، محصولات یا نتایج آزمایشگاهی داشته باشند.

معرفی گریدهای مختلف خلوص گاز نیتروژن

گاز نیتروژن در گریدهای مختلف خلوص عرضه می‌شود که معمولاً با تعداد “9” در درصد خلوص یا با نام‌های خاص مشخص می‌شوند. برخی از گریدهای رایج عبارتند از:

نیتروژن صنعتی: معمولاً خلوص بین ۹۹.۵٪ تا ۹۹.۹۹٪ دارد. این گرید برای کاربردهای عمومی که حساسیت زیادی به ناخالصی‌ها ندارند، مانند پر کردن تایر یا برخی فرآیندهای متالورژی، استفاده می‌شود.

نیتروژن عاری از اکسیژن: معمولاً به نیتروژنی با خلوص ۹۹.۹۹٪ (گرید ۴) یا بالاتر اطلاق می‌شود که میزان اکسیژن در آن بسیار کم است.

نیتروژن با خلوص بالا و فوق خالص:

• گرید ۴.۰: خلوص ۹۹.۹۹٪

• گرید ۵.۰: خلوص ۹۹.۹۹۹٪ (پنج نه)

• گرید ۵.۵: خلوص ۹۹.۹۹۹۵٪

• گرید ۶.۰: خلوص ۹۹.۹۹۹۹٪ (شش نه)

• گریدهای بالاتر: مانند گرید ۷.۰ (۹۹.۹۹۹۹۹٪) نیز برای کاربردهای بسیار خاص و حساس (مانند تحقیقات پیشرفته در نیمه‌هادی‌ها) به صورت محدود تولید و عرضه می‌شوند.

در هنگام خرید گاز نیتروژن حتما میبایست با توجه به نیاز ، گرید مناسبی را از تامین کننده تهیه نمایید تا بتوانید بهترین بازدهی را داشته باشید.

اهمیت ناخالصی‌ها

ناخالصی‌های اصلی که معمولاً در گاز نیتروژن مورد توجه قرار می‌گیرند عبارتند از: اکسیژن (O₂)، بخار آب (H₂O)، هیدروکربن‌های کل (THC)، دی‌اکسید کربن (CO₂)، مونوکسید کربن (CO) و آرگون (Ar). نوع و میزان مجاز هر یک از این ناخالصی‌ها بسته به کاربرد نهایی متفاوت است. به عنوان مثال، در صنایع الکترونیک، حضور اکسیژن یا رطوبت می‌تواند منجر به اکسیداسیون و خرابی قطعات شود، در حالی که در کروماتوگرافی گازی، حضور هیدروکربن‌ها می‌تواند باعث ایجاد پیک‌های مزاحم و نتایج نادرست گردد.

در مقاله کاربرد گاز نیتروژن به صورت کامل این موارد را بررسی نموده ایم.

گاز نیتروژن در زمستان و دماهای پایین

رفتار گاز نیتروژن، چه به صورت فشرده در سیلندرها و چه به صورت مایع، تحت تأثیر دماهای پایین محیطی مانند فصل زمستان قرار می‌گیرد. درک این تأثیرات برای استفاده ایمن و کارآمد از نیتروژن ضروری است.

رفتار گاز نیتروژن فشرده در سیلندرها در هوای سرد

• افت فشار: مهم‌ترین تأثیر کاهش دما بر گاز نیتروژن فشرده در سیلندر، افت فشار آن است. این افت فشار می‌تواند بر عملکرد تجهیزاتی که به فشار گاز ورودی مشخصی نیاز دارند (مانند رگولاتورها، ابزارهای پنوماتیک یا سیستم‌های تحلیلی) تأثیر منفی بگذارد و ممکن است نیاز به تنظیم مجدد رگولاتور یا گرم کردن ملایم سیلندر (در صورت ایمن بودن) باشد.
• تراکم‌پذیری کمتر نیتروژن نسبت به هوا: یکی از مزایای استفاده از نیتروژن برای پر کردن لاستیک‌ها، به ویژه در زمستان، همین رفتار است. نیتروژن به دلیل ساختار مولکولی و خواص فیزیکی خود، در مقایسه با هوای معمولی (که حاوی بخار آب است)، تغییرات فشار کمتری را در اثر نوسانات دما نشان می‌دهد. این بدان معناست که در هوای سرد زمستان، فشار باد لاستیک‌های پر شده با نیتروژن، کمتر از لاستیک‌های پر شده با هوا کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار پایدارتری در طول فصول مختلف خواهند داشت.

یخ زدن گاز نیتروژن در سیلندر: واقعیت یا تصور؟

عبارت “یخ زدن گاز نیتروژن” در سیلندرهای گاز فشرده در دماهای معمول زمستانی ، یک تصور نادرست است. نقطه انجماد (تبدیل از مایع به جامد) نیتروژن حدود ۲۱۰- درجه سانتی‌گراد است. این دما بسیار پایین‌تر از هرگونه دمای طبیعی زمستانی بر روی سطح زمین است. بنابراین، گاز نیتروژن در داخل سیلندر در زمستان “منجمد” یا “یخ” نمی‌زند.

نکات جالب درباره نیتروژن

علاوه بر ویژگی‌های فنی و کاربردهای گسترده، گاز نیتروژن دارای برخی حقایق و نکات جالب نیز می‌باشد:

• حضور در بدن انسان: حدود ۳٪ از وزن بدن انسان را عنصر نیتروژن تشکیل می‌دهد. این نیتروژن عمدتاً در ساختار پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA) و سایر مولکول‌های بیولوژیکی حیاتی وجود دارد.
• نقش در تولید غذا: کودهای شیمیایی حاوی نیتروژن (مانند آمونیاک، اوره، نیترات آمونیوم) نقش بسیار مهمی در افزایش محصولات کشاورزی در سراسر جهان دارند. تخمین زده می‌شود که این کودها در تولید حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد از کل غذای مصرفی جهان نقش داشته باشند.
• ایزوتوپ‌ها: نیتروژن دارای ۱۶ ایزوتوپ شناخته شده است (از N-10 تا N-25)، اما تنها دو ایزوتوپ آن پایدار هستند: نیتروژن-۱۴ (14N) که حدود ۹۹.۶۳٪ از نیتروژن طبیعی را تشکیل می‌دهد و نیتروژن-۱۵ (15N) با فراوانی حدود ۰.۳۷٪. سایر ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو بوده و نیمه‌عمر کوتاهی دارند. ایزوتوپ پایدار 15N در تحقیقات بیوشیمیایی و مطالعات متابولیسم به عنوان ردیاب استفاده می‌شود.
• شفق قطبی (Aurora): رنگ‌های زیبا و متنوعی که در پدیده شفق قطبی (نورهای شمالی و جنوبی) مشاهده می‌شوند، تا حدی ناشی از برهمکنش ذرات باردار پرانرژی خورشیدی با مولکول‌های گاز در اتمسفر فوقانی زمین است. برانگیختگی مولکول‌های نیتروژن در این فرآیند، منجر به تابش نور در طول موج‌های خاصی می‌شود که به ایجاد رنگ‌های آبی، بنفش و گاهی قرمز در شفق قطبی کمک می‌کند.
• جلوه‌های ویژه: نیتروژن مایع به دلیل تبخیر سریع و ایجاد مه سفید و غلیظ در تماس با هوای مرطوب، گاهی در صنعت فیلم‌سازی، تئاتر و کنسرت‌ها برای ایجاد جلوه‌های ویژه بصری استفاده می‌شود.
• تغییر صدا: سرعت صوت در گاز نیتروژن (حدود ۳۵۳ متر بر ثانیه در ۲۷ درجه سانتی‌گراد) با سرعت صوت در هوا (حدود ۳۴۶ متر بر ثانیه در ۲۵ درجه سانتی‌گراد) کمی متفاوت است. این تفاوت، هرچند اندک، می‌تواند بر کیفیت و طنین صدا تأثیر بگذارد. استنشاق گازهایی با چگالی متفاوت از هوا (مانند هلیوم یا هگزافلوراید گوگرد) به طور قابل توجهی زیر و بمی صدا را تغییر می‌دهد، اما این اثر برای نیتروژن به دلیل شباهت چگالی آن به هوا، چندان محسوس نیست (و البته استنشاق غلظت بالای نیتروژن خطرناک است).

نتیجه‌گیری

گاز نیتروژن (N₂ یا ازت)، به عنوان فراوان‌ترین جزء اتمسفر زمین، نقشی دوگانه و بسیار حیاتی ایفا می‌کند. از یک سو، این عنصر، سنگ بنای حیات است و در تمامی موجودات زنده و فرآیندهای بیولوژیکی بنیادین حضور دارد و از سوی دیگر، به عنوان یک گاز صنعتی با کاربردهای بی‌شمار و متنوع، در پیشرفت تکنولوژی و بهبود کیفیت زندگی انسان نقش بسزایی داشته است.

از ویژگی‌های برجسته نیتروژن می‌توان به خنثی بودن شیمیایی آن در شرایط عادی اشاره کرد که این خاصیت، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ایجاد اتمسفر محافظ در صنایع حساس مانند الکترونیک، غذایی، داروسازی و متالورژی تبدیل کرده است. توانایی نیتروژن در جلوگیری از اکسیداسیون، افزایش ماندگاری محصولات، و حفظ کیفیت مواد، ارزش اقتصادی قابل توجهی را برای صنایع به ارمغان آورده است.

با این حال، در کنار تمامی این مزایا و کاربردها، نباید از ملاحظات ایمنی در کار با نیتروژن غافل شد. خطر اصلی گاز نیتروژن، پتانسیل خفگی در اثر جابجایی اکسیژن در فضاهای بسته است؛ خطری پنهان که به دلیل بی‌رنگ و بی‌بو بودن نیتروژن، نیاز به هوشیاری و اقدامات پیشگیرانه مضاعف دارد.

شرکت آرین گاز با تکیه بر دانش فنی، تجربه و تعهد به کیفیت، آماده ارائه مشاوره و تأمین انواع گریدهای گاز نیتروژن برای پاسخگویی به نیازهای متنوع صنایع و مراکز تحقیقاتی می‌باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت خدمات، با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید.

پرسش و پاسخ متداول

نیتروژن چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

نیتروژن یک گاز دو اتمی، بی رنگ، بی بو، بی مزه و عمدتا بی اثر است که حدود ۷۸٪ ترکیب هوای جو را تشکیل میدهد . این گاز سمی و قابل اشتعال نیست و به همین دلیل در بسیاری فرایندها به عنوان محیط خنثی به کار میرود.

چرا نمیتوانیم به جای اکسیژن، نیتروژن تنفس کنیم؟

با اینکه بخش اعظم هوای تنفسی ما نیتروژن است، اما ریه های انسان قادر به جذب مستقیم نیتروژن از هوا نیستند. نیتروژن تنها زمانی برای تنفس بیخطر است که همراه با درصد کافی اکسیژن باشد؛ تنفس نیتروژن خالص میتواند به سرعت باعث بیهوشی و خفگی شود. به همین دلیل نیتروژن را ”ازت“ (به معنای بیزندگی) نیز نامیده اند.

آیا گاز نیتروژن خطرناک یا سمی است؟

نیتروژن به خودی خود گازی غیرسمی و خنثی است و واکنش شیمیایی خطرناکی نشان نمیدهد . با این حال، چون جای اکسیژن را میگیرد، تجمع آن در فضای بسته میتواند منجر به کاهش اکسیژن و خفگی گردد. بنابراین کار با نیتروژن نیازمند تهویه مناسب و رعایت موارد ایمنی است. همچنین نیتروژن قابل اشتعال نیست و برعکس در سیستمهای اطفاء حریق برای جلوگیری از آتش سوزی استفاده میشود.

چند درصد هوا نیتروژن است؟

تقریبا ۷۸٪ جو زمین را نیتروژن تشکیل میدهد و همین امر باعث شده نیتروژن فراوان ترین گاز در اطراف ما باشد. باقی هوای تنفسی عمدتا اکسیژن (حدود ٪۲۱) و مقدار کمی گازهای دیگر است.

نقش نیتروژن در بدن انسان و محیط زیست چیست؟

نیتروژن از عناصر حیاتی در ساختار موجودات زنده است. حدود ٪۳ جرم بدن انسان را نیتروژن تشکیل میدهد و این عنصر در ساخت پروتئین ها، اسیدهای آمینه و DNA نقش اساسی دارد . در محیط زیست نیز نیتروژن از طریق چرخه نیتروژن بین هوا، خاک و موجودات در گردش است و برای رشد گیاهان (از راه نیترات ها و کودهای نیتروژنی) ضروری محسوب میشود.

آیا میتوان کپسول یا مخزن نیتروژن تهیه کرد؟

بله. گاز نیتروژن به صورت تجاری در سیلندرهای تحت فشار (کپسول) و همچنین به شکل مایع در مخازن کرایوجنیک عرضه می شود . این مخازن در اندازه ها و خلوص های مختلف قابل خریداری هستند. صنایع بزرگی که مصرف نیتروژن بالایی دارند معمولا به جای کپسول از تانکها یا ژنراتورهای نیتروژن در محل استفاده می کنند.

تفاوت نیتروژن مایع با نیتروژن گازی چیست؟

نیتروژن گازی در دمای اتاق به حالت گاز بی رنگ است، اما در دمای بسیار پایین (زیر -۱۹۶ درجه سانتیگراد) به صورت مایع در میآید. نیتروژن مایع به خاطر دمای فوقالعاده پایین برای سرمادهی کاربرد دارد ( مثال در کرایوتراپی پزشکی یا تهیه بستنی نیتروژنی). در صنایع نیز از نیتروژن مایع برای منجمد کردن سریع مواد غذایی ، انجماد خاک در پروژههای ساختوساز و خنککاری تجهیزات استفاده می شود.