નાઇટ્રોજન (N)

પ્રસ્તાવના: સર્વવ્યાપી તત્વ

નાઇટ્રોજન (N) એ એક મૂળભૂત રાસાયણિક તત્વ છે, જે જીવન અને અસંખ્ય ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓ માટે આવશ્યક છે. તે પૃથ્વીના વાતાવરણનો આશરે 78% ભાગ દ્વિપરમાણ્વીય નાઇટ્રોજન વાયુ (N₂) તરીકે બનાવે છે. તેનું વાસ્તવિક જીવનનું મહત્વ DNA અને પ્રોટીન જેવા જૈવિક અણુઓના એક નિર્ણાયક ઘટક હોવાથી લઈને ખાતરો, વિસ્ફોટકો અને નિષ્ક્રિય વાતાવરણ તરીકે તેના ઉપયોગ સુધી વિસ્તરેલું છે.

CBSE/JEE ઝડપી પુનરાવર્તન નોંધો

• પરમાણુ ક્રમાંક: 7
• પરમાણુ દળ: 14.01 g/mol
• ઇલેક્ટ્રોનિક રચના: [He] 2s² 2p³
• સંયોજકતા: સામાન્ય રીતે 3 (3 સહસંયોજક બંધ બનાવે છે). -3 થી +5 સુધીની ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ દર્શાવે છે.
• સમૂહ: 15 (Pnictogens)
• આવર્ત: 2
• પ્રકૃતિ: અધાતુ, દ્વિપરમાણ્વીય વાયુ (N₂).
• વિદ્યુતઋણતા: 3.04 (પોલિંગ સ્કેલ).
• આયનીકરણ એન્થાલ્પી: ઊંચી.
• પરમાણુ ત્રિજ્યા: નાની.
• N₂ માં બંધન: ખૂબ જ મજબૂત ટ્રિપલ સહસંયોજક બંધ (N≡N) બનાવે છે, જે તેની ઉચ્ચ સ્થિરતા અને નિષ્ક્રિયતામાં ફાળો આપે છે.
• અપરરૂપો: ફોસ્ફરસથી વિપરીત, સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં સામાન્ય અપરરૂપતા દર્શાવતું નથી.

ઇલેક્ટ્રોન રચના અને બંધન વર્તન

નાઇટ્રોજનની ઇલેક્ટ્રોનિક રચના, 1s² 2s² 2p³, તેના 2p કક્ષકોમાં ત્રણ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોનની હાજરી દર્શાવે છે. આ તેને ત્રણ સહસંયોજક બંધ બનાવવાની મંજૂરી આપે છે.

• સ્થિરતા: સંયોજકતા કોષમાં અર્ધ-ભરેલા p-કક્ષકો તેની સાપેક્ષ સ્થિરતામાં ફાળો આપે છે.
• દ્વિપરમાણ્વીય અણુ (N₂): નાઇટ્રોજન એક દ્વિપરમાણ્વીય અણુ બનાવે છે જ્યાં બે નાઇટ્રોજન પરમાણુઓ ટ્રિપલ બંધ (એક સિગ્મા અને બે પાઇ બંધ) દ્વારા જોડાયેલા હોય છે. N≡N બંધની ઉચ્ચ બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી (946 kJ/mol) નાઇટ્રોજન વાયુને ઓરડાના તાપમાને અત્યંત બિનપ્રતિક્રિયાશીલ બનાવે છે.
• ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ: નાઇટ્રોજન ઇલેક્ટ્રોનનું વિભાજન અથવા મેળવવાની ક્ષમતાને કારણે -3 થી +5 સુધીની ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓની વિશાળ શ્રેણી દર્શાવે છે.
  • -3: એમોનિયા (NH₃), નાઇટ્રાઇડ્સમાં (દા.ત., Mg₃N₂).
  • 0: દ્વિપરમાણ્વીય નાઇટ્રોજન (N₂) માં.
  • +1: નાઇટ્રસ ઑક્સાઇડ (N₂O) માં.
  • +2: નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) માં.
  • +3: ડાયનાઇટ્રોજન ટ્રાઇઓક્સાઇડ (N₂O₃), નાઇટ્રસ એસિડ (HNO₂) માં.
  • +4: નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ (NO₂), ડાયનાઇટ્રોજન ટેટ્રોક્સાઇડ (N₂O₄) માં.
  • +5: ડાયનાઇટ્રોજન પેન્ટોક્સાઇડ (N₂O₅), નાઇટ્રિક એસિડ (HNO₃), નાઇટ્રેટ્સમાં (દા.ત., KNO₃).
• Pπ-Pπ બંધન: નાઇટ્રોજન તેના નાના કદ અને ઉચ્ચ વિદ્યુતઋણતાને કારણે પોતાની સાથે અને કાર્બન અને ઓક્સિજન જેવા અન્ય નાના, વિદ્યુતઋણ તત્વો સાથે સરળતાથી બહુવિધ બંધ (દ્વિબંધ અથવા ત્રિબંધ) બનાવી શકે છે.

મહત્વપૂર્ણ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ

1. એમોનિયાની બનાવટ (હેબર પ્રક્રિયા)

આ એમોનિયાનું ઔદ્યોગિક સંશ્લેષણ છે, જે ખાતરો માટે અત્યંત મહત્વનું છે. $\text\{N\}_2 \text\{(g)\} + 3\text\{H\}_2 \text\{(g)\} \rightleftharpoons 2\text\{NH\}_3 \text\{(g)\}$ ($\Delta H = -92.4 \text\{ kJ/mol\}$) શરતો: ઉચ્ચ દબાણ (200 atm), શ્રેષ્ઠ તાપમાન (400-450 °C), ઉદ્દીપક (મોલિબ્ડેનમ પ્રમોટર તરીકે બારીક વિભાજીત આયર્ન).

2. ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા

નાઇટ્રોજન ઓક્સિજન સાથે ફક્ત ખૂબ ઊંચા તાપમાને પ્રતિક્રિયા આપે છે, જે સામાન્ય રીતે વીજળી પડતી વખતે અથવા આંતરિક કમ્બશન એન્જિનમાં જોવા મળે છે. $\text\{N\}_2 \text\{(g)\} + \text\{O\}_2 \text\{(g)\} \rightleftharpoons 2\text\{NO (g)\}$ (at ~2000 K)

3. નાઇટ્રાઇડ્સની રચના

નાઇટ્રોજન અત્યંત વિદ્યુતધન ધાતુઓ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને આયોનિક નાઇટ્રાઇડ્સ બનાવે છે. $3\text\{Mg (s)\} + \text\{N\}_2 \text\{(g)\} \rightarrow \text\{Mg\}_3\text\{N\}_2 \text\{(s)\}$ (મેગ્નેશિયમ નાઇટ્રાઇડ)

4. ઓસ્ટવાલ્ડ પ્રક્રિયા (નાઇટ્રિક એસિડ માટે મુખ્ય નાઇટ્રોજન પ્રતિક્રિયાઓ)

આ પ્રક્રિયામાં નાઇટ્રિક એસિડ ઉત્પન્ન કરવા માટે એમોનિયાનું ઉદ્દીપકીય ઓક્સિડેશન સામેલ છે.

• પગલું 1: એમોનિયાનું ઉદ્દીપકીય ઓક્સિડેશન $4\text\{NH\}_3 \text\{(g)\} + 5\text\{O\}_2 \text\{(g)\} \xrightarrow\{\text\{Pt/Rh catalyst, 800 °C\}\} 4\text\{NO (g)\} + 6\text\{H\}_2\text\{O (g)\}$
• પગલું 2: નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડનું ઓક્સિડેશન $2\text\{NO (g)\} + \text\{O\}_2 \text\{(g)\} \rightarrow 2\text\{NO\}_2 \text\{(g)\}$
• પગલું 3: પાણીમાં નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડનું શોષણ $3\text\{NO\}_2 \text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O (l)\} \rightarrow 2\text\{HNO\}_3 \text\{(aq)\} + \text\{NO (g)\}$

5. નાઇટ્રોજન વાયુની પ્રયોગશાળામાં બનાવટ

નાઇટ્રોજનને પ્રયોગશાળામાં એમોનિયમ ક્લોરાઇડ અને સોડિયમ નાઇટ્રાઇટના જલીય દ્રાવણને ગરમ કરીને બનાવી શકાય છે. $\text\{NH\}_4\text\{Cl (aq)\} + \text\{NaNO\}_2 \text\{(aq)\} \rightarrow \text\{N\}_2 \text\{(g)\} + 2\text\{H\}_2\text\{O (l)\} + \text\{NaCl (aq)\}$

અન્ય પદ્ધતિમાં એમોનિયમ ડાયક્રોમેટનું વિઘટન સામેલ છે. $(\text\{NH\}_4)_2\text\{Cr\}_2\text\{O\}_7 \text\{(s)\} \xrightarrow\{\Delta\} \text\{N\}_2 \text\{(g)\} + \text\{Cr\}_2\text\{O\}_3 \text\{(s)\} + 4\text\{H\}_2\text\{O (g)\}$

ઔદ્યોગિક અને જૈવિક મહત્વ

ઔદ્યોગિક મહત્વ

• એમોનિયા ઉત્પાદન: સૌથી મહત્વપૂર્ણ ઔદ્યોગિક ઉપયોગ હેબર પ્રક્રિયામાં એમોનિયા (NH₃) ના સંશ્લેષણ માટે થાય છે, જેનો ઉપયોગ પછી ખાતરો (દા.ત., યુરિયા, એમોનિયમ નાઇટ્રેટ) અને નાઇટ્રિક એસિડ બનાવવા માટે થાય છે.
• નિષ્ક્રિય વાતાવરણ: વાયુરૂપ નાઇટ્રોજનનો ઉપયોગ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે નિષ્ક્રિય વાતાવરણ પૂરું પાડવા, સંવેદનશીલ ખાદ્ય પદાર્થોના પેકેજિંગ માટે અને ફિલામેન્ટના ઓક્સિડેશનને રોકવા માટે ઇન્કેન્ડેસન્ટ લાઇટ બલ્બ ભરવા માટે થાય છે.
• ક્રાયોજેનિક એજન્ટ: પ્રવાહી નાઇટ્રોજન, જેનું ઉત્કલનબિંદુ -196 °C (77 K) છે, તેનો ઉપયોગ જૈવિક નમૂનાઓને (દા.ત., વીર્ય, ઇંડા, પેશીઓ) ઝડપથી ઠારવા માટે, તબીબી પ્રક્રિયાઓમાં (ક્રાયોસર્જરી) અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકોને ઠંડુ કરવા માટે ક્રાયોજેનિક એજન્ટ તરીકે થાય છે.
• વિસ્ફોટકો: ટ્રાયનાઇટ્રોટોલ્યુએન (TNT) અને નાઇટ્રોગ્લિસરીન જેવા નાઇટ્રોજન સંયોજનો સ્થિર N₂ વાયુની રચના પર મુક્ત થતી ઉચ્ચ ઊર્જાને કારણે વિસ્ફોટકોના મુખ્ય ઘટકો છે.
• ધાતુની સારવાર: સપાટીની કઠિનતા અને ઘસારા પ્રતિકાર સુધારવા માટે નાઇટ્રાઇડિંગ સ્ટીલમાં ઉપયોગ થાય છે.

જૈવિક મહત્વ

• આવશ્યક જૈવિક અણુ ઘટક: નાઇટ્રોજન આનો મૂળભૂત ઘટક છે:
  • પ્રોટીન: એમિનો એસિડમાં એમિનો જૂથ (-NH₂) બનાવે છે, જે પ્રોટીનના બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ છે.
  • ન્યુક્લિક એસિડ્સ: DNA અને RNA માં નાઇટ્રોજનયુક્ત બેઝ (એડેનાઇન, ગ્વાનાઇન, સાયટોસિન, થાઇમિન, યુરેસિલ) નો મુખ્ય ભાગ.
  • ATP: એડેનોસિન ટ્રાઇફોસ્ફેટ (ATP) નો એક ઘટક, જે કોષોનું પ્રાથમિક ઉર્જા ચલણ છે.
  • ક્લોરોફિલ: છોડમાં પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે આવશ્યક.
  • વિટામિન્સ: ઘણા વિટામિન્સમાં જોવા મળે છે (દા.ત., B જૂથના વિટામિન્સ).
• નાઇટ્રોજન ચક્ર: નાઇટ્રોજન વાતાવરણ, જમીન અને જીવંત સજીવો દ્વારા સતત ચક્રમાં ફરે છે.
  • નાઇટ્રોજન સ્થિરીકરણ: વાતાવરણીય નાઇટ્રોજન (N₂) ને નાઇટ્રોજન-ફિક્સિંગ બેક્ટેરિયા (દા.ત., કઠોળના મૂળની ગાંઠોમાં રાયઝોબિયમ, જમીનમાં એઝોટોબેક્ટર) અથવા વીજળી દ્વારા એમોનિયા અથવા એમોનિયમ આયનોમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે.
  • નાઇટ્રિફિકેશન: એમોનિયાને નાઇટ્રિફાઇંગ બેક્ટેરિયા દ્વારા નાઇટ્રાઇટ્સ અને પછી નાઇટ્રેટ્સમાં ઓક્સિડાઇઝ કરવામાં આવે છે. છોડ વૃદ્ધિ માટે નાઇટ્રેટ્સનું શોષણ કરે છે.
  • ડીનાઇટ્રિફિકેશન: કેટલાક બેક્ટેરિયા નાઇટ્રેટ્સને ફરીથી વાયુરૂપ નાઇટ્રોજનમાં રૂપાંતરિત કરે છે, તેને વાતાવરણમાં પાછું મોકલે છે.