مهمترین کاربردهای نیتروژن در زمینه‌های مختلف

نیتروژن ۷۸ درصد حجم هوا را تشکیل می‌دهد. نیتروژن از طریق تقطیر هوا‌ی مایع به دست می‌آید. سالانه تقریبا ۴۵ میلیون تن نیتروژن استخراج می‌شود. نیتروژن ترکیبی است که در همه موجودات زنده و همچنین در ذغال سنگ و دیگر سوخت‌های فسیلی وجود دارد.

کاربرد‌های نیتروژن مایع

نیتروژن در طبیعت به صورت گاز است. اما زمانی که سرد می‌شود، در دمای ۲۱۰- درجه به مایع تبدیل می‌شود. آن را به عنوان مایع LIN یا LN۲ نشان می‌دهند؛ بنابراین این نیتروژن مایع بسیار خنک است و می‌تواند برای حفظ و همچنین حمل نمونه‌های بیولوژیکی و جلوگیری از آسیب به آن‌ها استفاده شود. اما جالب توجه است که حمل این نیتروژن مایع بسیار سخت است. این نیتروژن مایع کریوژنیزه می‌شود و در صورت دستکاری بلافاصله بافتش می‌شکند. از این رو حمل کننده‌های ویژه‌ای برای نگهداری و توزیع آن‌ها وجود دارد. افراد نباید از دست خود برای حمل آن استفاده کنند.

شاید یکی از مهم‌ترین کاربردهای نیتروژن، استفاده از ویژگی‌های این عنصر برای سردسازی است. نیتروژن مایع اغلب به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌شود. از آن برای ذخیره اسپرم‌ها، تخم‌ها و دیگر سلول‌هایی که برای تحقیقات پزشکی و تکنولوژی نیاز است، استفاده می‌شود. نیتروژن مایع همچنین برای فریز کردن سریع مواد غذایی و کمک به حفظ رطوبت، رنگ، طعم و ساختار آن‌ها استفاده می‌شود.

مهم‌ترین کاربرد‌های نیتروژن گازی شکل

۱. کاربرد در پزشکی

نیتروژن در مراقبت‌های پزشکی برای کمک‌های تنفسی استفاده می‌شود. در بیماران مبتلا به نارسایی تنفسی به دلیل اختلالاتی مانند امفیزم گاز نیتروژن لازم است. این افراد به دلیل کم بودن گنجایش شش هایشان نمی‌توانند اکسیژن کافی را از هوا دریافت کنند؛ بنابراین آن‌ها اکسیژن درمانی می‌شوند. در این جا گاز اکسیژن با نیتروژن ترکیب می‌شود. نیتروژن از ۱۰۰ درصد اکسیژن برای تنفس استفاده می‌کند؛ بنابراین اکسیژن با نیتروژن در یک نسبت خاص ترکیب شده و به وسیله لوله‌هایی که مستقیما در بینی قرار دارند، تنفس می‌شود. در این جا نیتروژن ترجیح داده می‌شود چراکه ۷۰ درصد از هوایی که ما تنفس می‌کنیم نیتروژن، و تنها ۲۱ درصد آن اکسیژن است. پس در درمان بهتر است که از ترکیب اکسیژن و نیتروژن استفاده شود.

از دیگر کاربردهای نیتروژن در پزشکی، سرمادرمانی یا کرایوتراپی است. سرمادرمانی برای بهبود و درمان قطعی بیماری‌های پوستی کاربرد دارد. در این روش نیتروژن مایع توسط وسیله‌ای به نام کرایواسپری به مدت چند ثانیه به ضایعه پوستی پاشیده می‌شود. این ضایعه پوستی می‌تواند از یک عامل ویروسی مانند زگیل ناشی شده باشد.

۲. کروماتوگرافی گاز

در کروماتوگرافی از آن به عنوان یک گاز حامل یا گاز فاز متحرک استفاده می‌شود. این امر به طور خاص به علت خواص غیر واکنشی، بی‌طرفی و تجاری‌تر بودن گاز مورد نظر نسبت به گاز‌های دیگر مورد استفاده است.

۳. برای خشک کردن حلال اضافی

خشک کردن حلال اضافی یکی از مهم‌ترین کاربردهای نیتروژن در صنعت است. این روش به طور به خصوص در تحقیقات استفاده می‌شود. وقتی یک ماده به حلال اصلی اش تجزیه می‌شود، پس از فرآیند حلال اضافه با عبور یک جریان گاز نیتروژن خالص حذف می‌شود. تبخیر نیز می‌تواند برای حذف حلال اضافی به وسیله حرارت انجام شود. اما زمانی که ماده یا نمونه در برابر حرارت حساس است یا بر اثر حرارت آسیب می‌بیند، پس از روش خشک کردن بدون حرارت استفاده می‌کنیم. از این رو زمانی که نیتروژن عبور می‌کند، به تدریج حلال اصلی را هم با خود حمل می‌کند.

۴. باد کردن لاستیک‌ها

امروزه استفاده از گاز نیتروژن بیش از حد معمول رایج شده است. ادعا می‌شود که پر کردن لاستیک‌ها با نیتروژن به تنهایی به جای هوا، رانندگی را هموار کرده و همچنین نیازی به چک کردن وضعیت باد لاستیک‌ها برای چند ماه نیست. ایمنی، فشار ثابت تایر، کاهش مصرف سوخت و افزایش دوام رینگ و تایر مهم‌ترین مزیت‌های گاز نیتروژن برای استفاده لاستیک خودرو هاست.

 ۵. کاربردهای مختلف در صنعت

کاربردهای نیتروژن برای صنایع شیمیایی بسیار مهم است. نیتروژن برای درست کردن کود‌ها، نیتریک اسید، نایلون، رنگ‌ها و مواد انفجاری استفاده می‌شود. برای درست کردن این محصولات، ابتدا نیتروژن باید با هیدروژن واکنش داده تا آمونیاک تولید شود. این واکنش توسط فرآیند هابر انجام می‌شود. سالانه ۱۵۰ میلیون تن آمونیاک با این روش به دست می‌آید.

همچنین گاز نیتروژن برای فراهم کردن یک فضای غیرفعال استفاده می‌شود. از این روش جهت محافظت از مواد غذایی و در صنعت الکترونیک‌ها در طی تولید ترانزیستور‌ها و دیود‌ها استفاده می‌شود. مقادیر زیادی از نیتروژن در بازپخت فولاد زنگ نزن و سایر محصولات آسیاب‌های فولادی استفاده می‌شود. بازپخت یک عملیات حرارتی است که باعث می‌شود فولاد به راحتی کار کند.

سایر کاربردهای نیتروژن

نیتروژن در صنایع مختلف کاربرد‌های متفاوتی دارد، از ایمنی مواد غذایی گرفته تا تولید بی حسی‌های جراحی. در این جا به مواردی از کاربرد‌های نیتروژن در صنعت و تجارت اشاره می‌کنیم:

• صنعت دارویی: شرکت‌های دارویی به مقادیر زیاد گاز نیتروژن تصفیه شده برای استفاده در ترکیب و ذخیره سازی ترکیبات درجه بندی شده پزشکی نیاز دارند.
• صنعت غذایی: گاز نیتروژن برای جابجایی هوا در بسته بندی‌های غذایی به کار می‌رود. جابجایی هوا اکسیژن را از بسته بندی حذف می‌کند که می‌تواند روند فساد غذایی را آهسته کند.
• تولید فلزات: برخی از فلزات نیاز دارند تا در محیط فاقد اکسیژن تولید شوند تا از اکسیداسیون و تشکیل فلزات مختلف جلوگیری شود.
• صنعت نفت: صنعت نفت از گاز نیتروژن برای رها کردن گاز‌ها از مخازن بزرگ برای آماده سازی آن‌ها جهت ذخیره سازی نفت استفاده می‌شود. نیتروژن که ماده‌ای نامطبوع است با نفت واکنش نمی‌دهد و می‌تواند آن را در مخازن ذخیره سازی نگه دارد.
• ساخت و ساز: هنگام ساخت خطوط لوله در خاک‌های آبدار عمیق زیرزمینی، شرکت‌های ساختمانی نیتروژن مایع را از طریق لوله‌ها عبور می‌دهند تا زمین را منجمد کرده و حفر را آسان کنند.

 

کاربردهای شکل‌های دیگر نیتروژن 

شکل‌های دیگر ترکیبات نیتروژن در طبیعت بسیار است. بنابراین کاربردهای نیتروژن در اشکال مختلف این عنصر نیز متنوع خواهد بود. بعضی از آن‌ها برای استفاده‌های مختلف توسط انسان ساخته شده اند. این ترکیبات شامل:

۱. آمونیاک (NH۴)

آمونیاک یک ترکیب نیتروژن است. این ترکیب به طور طبیعی در طبیعت وجود دارد و توسط انسان نیز ساخته می‌شود. آمونیاک به عنوان کود در کشاورزی به شکل آمونیام سولفات، آمونیم نیترات و حتی اوره استفاده می‌شود. این آمونیاک برای تولید آمینو اسید‌هایی که به شکل گیری پروتیین کمک می‌کنند، استفاده می‌شود. علاوه بر این، آمونیاک به عنوان سرد کننده در یخچال و سایر سیستم‌های خنک کننده برای تامین تاسیسات خنک کننده استفاده می‌شود.

۲. نیتریک اکسید (NO)

نیتریک اکسید یک مولکول طبیعی در بدن است. این مولکول یک نوع پیام رسان شیمیایی است که رگ‌های خونی و سایر بافت‌ها را گسترش می‌دهد. در پزشکی از تری نیترات گلیسریل به عنوان قرص زیر زبانی برای آزاد شدن نیتریک اکسید استفاده می‌شود. این نیتریک اسید به سرعت به درون رگ‌های کوچک قبل گسترش یافته و فرد را در مقابل حمله قلبی کشنده حفظ می‌کند. برخی مکمل‌های بدنسازی نیز دارای نیتریک اکسید هستند.

۳. اکسید نیتروژن (N۲O)

این ترکیب به عنوان گاز خنده آور استفاده می‌شود. این گاز دارای اثرات بی حس کننده خفیف است؛ بنابراین در جراحی‌های جزئی مثلا در دندان پزشکی به کار می‌رود.

۴. نیتریک اسید (HNO۳)

این اسید قوی در مواد شیمیایی معدنی استفاده می‌شود. این ترکیب برای تخمین غلظت پایه‌ها با استفاده از اسیدی سنجی کاربرد دارد.

۵. آمینو اسید‌ها

این ترکیبات اجزای اصلی سازنده پروتیین‌ها هستند. آن‌ها به وسیله فرآیند ترجمه RNA در بدن شکل گیری می‌شوند. این آمینو اسید‌های تولید شده، به شکل پروتئین تشکیل می‌شوند. این پروتئین‌ها ساختار جامد گیاهان و حیوانات را تشکیل می‌دهند. از این رو به کسانی که لاغر به نظر می‌رسند توصیه می‌شود که پروتئین مصرف کنند. این به این دلیل است که پروتئین‌ها در دستگاه گوارش به آمینو اسید‌ها تجزیه می‌شوند.

۶. اسید‌های نوکلئیک

از دیگر کاربردهای نیتروژن می‌توان به شرکت در ترکیب‌های ساختاری بدن اشاره کرد. نوکلئیک اسید‌ها ساختار‌های ژنتیکی در بدن هستند. آن‌ها شکل و ویژگی‌های یک فرد یا گیاه را مشخص می‌کنند. این نوکلئیک اسید‌ها ترکیبات شیمیایی فراوانی دارند. یک نوع خاص آن به نام پایگاه‌های نیتروژن وجود دارد. این پایگاه‌های نیتروژن ۵ تا هستند به نام‌های آدنین، گوانین، تیمین، سیتوزین و یوراسیل. در این پایگاه‌های نیتروژن، نیروژن وجود دارد و زمانی که تجزیه می‌شوند در آن‌ها اوره و اوریک اسید وجود دارد. به خاطر وجود این عناصر، پیوند‌های هیدروژنی برای ثبات بیشتر شکل می‌گیرد. علاوه بر این، آن را با کربن ترکیب کرده تا ترکیبات ارگانیک مانند پیریدین، پیریمیدین و … را تشکیل دهد.

نقش زیستی (بیولوژیکی) و چرخه نیتروژن

• نیتروژن به طور طبیعی توسط موجودات زنده (عمدتا مدفوع) و از طریق چرخه نیتروژن به وجود می‌آید. این نیتروژن توسط گیاهان سبز و جلبک به عنوان نیترات و برای ساخت پایگاه‌هایی که برای ساخت DNA ، RNA و تمام آمینواسیدها، مورد استفاده قرار می‌گیرد. آمینواسید‌ها اجزا‌ی اصلی سازنده پروتئین‌ها هستند. حیوانات نیتروژن مورد نیاز خود را با استفاده از دیگر جانداران به دست می‌آورند. آن‌ها پروتئین‌ها و DNA را به پایگاه‌های تشکیل دهنده و آمینو اسید‌ها هضم می‌کنند و آن‌ها را برای استفاده خود اصلاح می‌کنند.
• میکروب‌های موجود در خاک، ترکیب‌های نیتروژن در خاک را برای استفاده مجدد گیاهان به نیترات تبدیل می‌کنند. عرضه نیترات نیز توسط باکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن تامین می‌شود که نیتروژن را مستقیما از جو حل می‌کند.
• بازده محصولات می‌تواند به وسیله اضافه کردن کود‌های شیمیایی به خاک که توسط آمونیاک فرآوری شده اند، تا حد زیادی افزایش یابد. اگر از کود‌ها به درستی استفاده نشود آن‌ها می‌توانند از خاک خارج شده و به رودخانه‌ها و دریاچه‌ها بریزند و موجب رشد سریع جلبک شوند. این عمل می‌تواند نور را از انجام فتوسنتز باز دارد. اکسیژن محلول به زودی از بین می‌رود و رودخانه یا دریاچه خشک می‌شود.