નાઇટ્રોજન

નાઇટ્રોજન : આવર્તક કોષ્ટકના 15મા (અગાઉ VB) સમૂહનું સૌથી ઓછું વજન ધરાવતું રાસાયણિક અધાતુ તત્વ. સંજ્ઞા N. પરમાણુક્રમાંક 7 અને પરમાણુભાર 14.0067. વનસ્પતિ અને પ્રાણીના શરીરનું એક અગત્યનું તત્વ. તેની શોધ માટેનું માન એડિનબરોના ઔષધશાસ્ત્રના વિદ્યાર્થી ડૅનિયલ રુધરફર્ડ (1772) (વૉલ્ટર સ્કૉટના ભત્રીજા), અંગ્રેજ રસાયણશાસ્ત્રી જૉસેફ પ્રિસ્ટલી, હેન્રી કૅવેન્ડિશ અને સ્વીડિશ રસાયણશાસ્ત્રી કાર્લ વિલ્હેમ શીલેને ફાળે જાય છે. ડૅનિયલ રુધરફર્ડે તેનું સંશોધનપત્ર પ્રથમ પ્રસિદ્ધ કરેલું. ફ્રેંચ રસાયણશાસ્ત્રી લાવોઝિયરે (Lavoisier) તેને તત્વ તરીકે ઓળખી બતાવ્યું અને તેને એઝોટ નામ આપ્યું; કારણ કે એકલા નાઇટ્રોજનમાં પ્રાણીઓ જીવી શકતાં નથી.

હાલનું નામ નાઇટ્રોજન ઈ. સ. 1760માં શેપટલ (Chaptal)એ પાડ્યું હતું. જે Nitre (KNO₃) અને genus, નાઇટર બનાવનાર, પરથી પડ્યું કારણ કે નાઇટરમાંનું એક તત્વ નાઇટ્રોજન છે. તત્વોની વ્યાપકતામાં વિશ્વમાં તેનું છઠ્ઠું સ્થાન છે. હવામાં કદથી 78 % નાઇટ્રોજન હોય છે. શુદ્ધ નાઇટ્રોજન કેટલાક ખરતા તારા(meteorites)માં, જ્વાળામુખીમાંથી નીકળતા વાયુમાં, કેટલીક ખાણોમાં, ખનિજ ઝરણામાં, સૂર્યમાં તેમજ અમુક તારા અને નિહારિકામાં મળી આવે છે. સંયોજિત અવસ્થામાં તે નાઇટર (સૉલ્ટપીટર KNO₃) અને ચિલી સૉલ્ટપીટર (NaNO₃)માં મળી આવે છે. તે ઉપરાંત વાતાવરણમાં, વરસાદમાં, જમીનમાં અને ગ્વાનો(guano)માં એમોનિયા અને એમોનિયમ સંયોજનો રૂપે, દરિયાના પાણીમાં  એમોનિયમ   (NH₄⁺), નાઇટ્રાઇટ (NO₂) અને નાઇટ્રેટ (NO₃) આયન તરીકે અને જીવંત વસ્તુઓમાં સંકીર્ણ પ્રોટીન તરીકે મળી આવે છે. પ્રાણીઓ પોતાને જોઈતા પ્રોટીન માટે વનસ્પતિ પર આધાર રાખે છે, જ્યારે વનસ્પતિ પોતાને જોઈતું પ્રોટીન જમીનમાંના અકાર્બનિક નાઇટ્રોજન સંયોજનો અને હવામાંના મુક્ત નાઇટ્રોજનનો ઉપયોગ કરી બનાવી લે છે. નાઇટ્રોજન-સ્થિરીકરણ- (nitrogen fixation)ની પ્રક્રિયાથી હવામાંના નાઇટ્રોજનનું એમોનિયમ અને નાઇટ્રેટ સંયોજનમાં રૂપાંતર થાય છે.

નાઇટ્રોજનનું ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન હવાના પ્રવાહીકરણથી કરવામાં આવે છે. પ્રવાહી હવા મેળવ્યા પછી તેનું વિભાગીય નિસ્યંદન કરતાં પ્રથમ નીચા ઉ. બિં.વાળો નાઇટ્રોજન છૂટો  પાડે છે. (O₂  :  ઉ.બિંદુ –180° સે.; N₂ : ઉં.બિંદુ –195.8° સે.). નાના પાયે શુદ્ધ નાઇટ્રોજન મેળવવા NH₄NO₂ અથવા Ba(N₃)₂ને ગરમ કરવામાં આવે છે.

તે રંગવિહીન, વાસહીન, સ્વાદવિહીન વાયુરૂપ પદાર્થ છે. સામાન્ય તાપમાને રાસાયણિક રીતે નિષ્ક્રિય છે. કુદરતી નાઇટ્રોજન બે સ્થાયી સમસ્થાનિકો ¹⁴N(99.63 %) અને ¹⁵N(0.37 %)નો બનેલો હોય છે. તે ઉપરાંત તેના વિકિરણધર્મીય સમસ્થાનિકો ¹²N, ¹³N, ¹⁶N અને ¹⁷N જુદી જુદી ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાથી બનાવવામાં આવે છે. તેમાંના પ્રથમ બે પૉઝિટ્રૉન ઉત્સર્જકો છે. તેમનાં અર્ધઆયુષ્ય અનુક્રમે 0.0125 સેકંડ અને 9.93 મિનિટ છે. ¹⁶N અને ¹⁷N ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્સર્જકો છે. તેમનાં અર્ધઆયુષ્ય અનુક્રમે 7.35 સેકંડ અને 4.14 સેકંડ છે. આથી N₂ના વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકો ટ્રેસર-પ્રવિધિમાં વપરાતા નથી. નાઇટ્રોજન કુટુંબના સભ્યોમાં તે સૌથી વધુ વિદ્યુતઋણીય છે. તેની વિદ્યુતઋણતા (electronegativity) પૉલિંગ માપક્રમ પ્રમાણે 3.0 છે. તેની પ્રથમ આયનીકરણ-ઊર્જા 14.54 eV, દ્વિતીય 29.605, તૃતીય 47.426, ચતુર્થી 77.45, પંચમ 97.863 અને છઠ્ઠી 551.925 eV છે. એટલે સામાન્ય રાસાયણિક પ્રક્રિયામાં એક પરમાણુક ધન નાઇટ્રોજન આયન (N⁺) મેળવી શકાતો નથી. કેટલીક પરિસ્થિતિમાં તે ઇલેક્ટ્રૉન મેળવી N^3– આયન બની શકે છે. પૉલિંગના માપ પ્રમાણે આ આયનની સ્ફટિક-ત્રિજ્યા (crystal radius) 0.171 ને.મી. છે. ત્રિસહસંયોજક (tricovalent) નાઇટ્રોજન આયનની સહસંયોજક ત્રિજ્યા 0.074 ને.મી. છે.

સામાન્ય તાપમાને અને દબાણે નાઇટ્રોજનતત્વ 1.25046 ગ્રા/લિ. ઘનતા ધરાવતા વાયુ-સ્વરૂપમાં હોય છે, જે તેના N₂ અણુસૂત્રને સમર્થન આપે છે. 25° સે. તાપમાને N₂ અણુ ધરા-અવસ્થામાં –0.430  10^–6 જેટલી ચુંબકીય ગ્રહણશીલતા (magnetic susceptibility) ધરાવે છે. તેથી તે કક્ષકીય અથવા સ્પિન પ્રકારના ઇલેક્ટ્રૉનીય કોણીય વેગમાન ધરાવતો નથી. સામાન્ય રીતે તેનું ઇલેક્ટ્રૉનીય સૂત્ર :N:::N: (ત્રિ સહસંયોજક) તરીકે લખાય છે. આણ્વીય કક્ષક સિદ્ધાંત અનુસાર તેના અણુની ઇલેક્ટ્રૉનીય સંરચના 1σ² 1σ^*2 σ25² σ25^*2 σ2p_x² p²p_x², p²p_z² પ્રમાણે લખાય છે. તેના અણુમાં આંતર પરમાણ્વીય બળ (interatomicforces) બહુ ઊંચાં હોય છે. તેના અણુમાં બે પરમાણુઓ વચ્ચેની બંધ લંબાઈ 0.11 ને.મી. છે. સ્પેકટ્રમિતિ વડે નિર્ધારિત કરેલી N₂ અણુની વિયોજન-ઊર્જા (dissociation energy) 946 કિ. જૂ/મોલ છે. સામાન્ય તાપમાને આણ્વીય નાઇટ્રોજનમાં સમમિત (symmetrical) અને પ્રતિસમમિત ન્યૂક્લિયર સ્પિન ધરાવતા અણુઓનું પ્રમાણ 2:1નું હોય છે. નાઇટ્રોજન અણુ ઘણો સ્થિર અને સમમિત હોવાથી આંતરપરમાણ્વીય બળો ઘણાં નાનાં હોય છે. પ્રમાણભૂત (standard) વાતાવરણના દબાણે તેના અણુની કલા(phase)માં નીચે પ્રમાણે ફેરફાર જોવા મળે છે :

ઊંચા તાપમાને આણ્વીય નાઇટ્રોજન ક્રોમિયમ, સિલિકોન, ટિટેનિયમ, ઍલ્યુમિનિયમ, બોરોન, બેરિલિયમ, મૅગ્નેશિયમ, બેરિયમ, સ્ટ્રૉન્શિયમ, કૅલ્શિયમ અને લિથિયમ (બીજી આલ્કલી ધાતુ સાથે નહિ) સાથેની પ્રક્રિયાથી નાઇટ્રાઇડ સંયોજનો બનાવે છે. તે ઑક્સિજન સાથે NO અને થોડા ઊંચા તાપમાને અને દબાણે ઉદ્દીપકની હાજરીમાં હાઇડ્રોજન સાથે એમોનિયા (NH₃) (જુઓ એમોનિયા, ગુ-વિશ્વકોશ, ખંડ 3) આપે છે. 1800° સે. અથવા તેથી ઊંચા તાપમાને તે કાર્બન અને હાઇડ્રોજન સાથે અત્યંત ઝેરી પદાર્થ હાઇડ્રોજન સાયનાઇડ આપે છે. આણ્વીય નાઇટ્રોજનમાં સંઘનિત  વીજધ્રુવ વિભાર (electrode discharge) અથવા ઉચ્ચ આવૃત્તિવાળો વીજધ્રુવવિહીન વિભાર પસાર કરતાં તેનો કેટલોક અંશ ઉત્તેજિત (activated) બનીને અસ્થિર સ્થિતિમાં આવે છે. તેને રાખી મૂકવાથી તેમાંથી સોના જેવા પીળા રંગની ઉત્તર દીપ્તિ (after glow) ઉત્સર્જિત થઈ તે સામાન્ય સ્થિતિમાં આવે છે. સક્રિયકૃત નાઇટ્રોજન (N₂^*) સામાન્ય નાઇટ્રોજન કરતાં વધુ ક્રિયાશીલ હોય છે :

દળ-સ્પેક્ટ્રમિતીય (massspectrometric) અભ્યાસમાં જણાયું છે કે સક્રિય નાઇટ્રોજન મુખ્યત્વે ધરા-સ્થિતિમાં રહેલા નાઇટ્રોજન પરમાણુઓ ધરાવે છે. સામાન્ય નાઇટ્રોજન કરતાં તે વધુ ક્રિયાશીલ હોય છે. તેના અન્ય ભૌતિક ગુણધર્મો સારણી 1માં બતાવવામાં આવ્યા છે.

સારણી 1 : નાઇટ્રોજનના ભૌતિક ગુણધર્મો

ગુણધર્મ	મૂલ્ય
ઇલક્ટ્રૉનીય સંરચના રૂપાંતરણ ઊર્જા (α–β) ગલન ઉષ્મા બાષ્પન ઉષ્મા સંક્રાન્તિક તાપમાન સંક્રાન્તિક દબાણ ઘનતા α સ્વરૂપ β સ્વરૂપ γ પ્રવાહી	1s2 2s2 2p3 54.71 કૅલરી/મોલ 172.3 કૅલરી/મોલ 1332.9 કૅલરી/મોલ 126.26 ± 0.04 K 33.54 ± 0.02 વાતાવરણ 1.0265 ગ્રા/મિ.લી. (−252.6° સે.) 0.8792 (210.0° સે.) 1.1607–0.0045T (T=નિરપેક્ષ તાપમાન)

સંયોજનો : તેનાં સંયોજનોમાં તે મુખ્યત્વે –3, +3 અને +5 ઉપચયનાંક બતાવે છે, જોકે બીજા ઉપચયનાંક બતાવતાં સંયોજનો પણ જાણીતાં છે. નાઇટ્રોજન-સમૂહનાં બધાં જ તત્વો નીચે બતાવેલા સૂત્ર પ્રમાણેના હાઇડ્રાઇડ બનાવે છે.

આ ઉપરાંત તેઓ ઑક્સિજન સાથે M₂O₃ (+3)અને M₂O₅ (+5) તથા MX₃ પ્રકારનાં હેલાઇડ સંયોજનો બનાવે છે. નાઇટ્રોજનમાં સંયોજકતા કક્ષકમાં એક 2s અને ત્રણ 2p કક્ષકો હોવાને લીધે તે વધુમાં વધુ ચાર ઉપસહસંયોજનાંક (coordination number) બતાવે છે. નાઇટ્રોજન પરમાણુએ બહુબંધતા(multiple bond)માં p કક્ષકો વાપરી p બંધ બનાવેલા હોવાથી તેનો ઉપસહસંયોજનાંક ચારથી પણ નીચો જાય છે. નાઇટ્રોજન પરમાણુની ત્રિજ્યા નાની હોવાને લીધે પણ તેનો ઉપસહસંયોજનાંક ઓછો હોય છે; તેથી H₃NO₄ O-નાઇટ્રિક ઍસિડ જાણીતો નથી.

નાઇટ્રોજનનાં મુખ્ય અકાર્બનિક સંયોજનો નીચે સારણી 2માં આપેલાં છે :

સારણી 2 : નાઇટ્રોજનનાં અકાર્બનિક સંયોજનો

ઉપચયનાંક	ઉદાહરણ
+5 +4 +3 +2 +1 0 – –1 –2 –3	N2O5, HNO3, નાઇટ્રેટ, NO2X N2O4 2NO2 N2O3, HNO2, નાઇટ્રાઇટ, NOX, NX3 NO, Na2NO2, નાઇટ્રોહાઇડૉક્સિલામેટ N2O, H2N2O2, હાઇપોનાઇટ્રાઇટ N2– HN3 એઝાઇડ NH2OH, હાઇડ્રૉક્સિલ એમોનિયમ લવણો NH2NH2 (હાઇડ્રેઝિન, હાઇડ્રેઝિનિયમ લવણો, હાઇડ્રેઝાઇડ) NH3 (એમોનિયા) અને તેનાં લવણો, એમાઇડ, ઇમાઇડ, નાઇટ્રાઇડ.

3, +3, +5 ઉપચયનાંક ધરાવતાં નાઇટ્રોજન સંયોજન ઉપરાંત તે બીજાં સંયોજનો પણ બનાવે છે.

ઉપયોગો : ખેતીવાડી અને અન્ય રાસાયણિક ઉદ્યોગોમાં નાઇટ્રોજન સંયોજનો અગત્યનાં હોઈ તત્વરૂપ નાઇટ્રોજનને તેનાં સંયોજનોમાં રૂપાંતરિત કરવાનું ઔદ્યોગિક દૃષ્ટિએ જરૂરી ગણાયું છે. આમાં હેબર-પદ્ધતિથી NH₃ અને તેનાં સંયોજનોનું ઉત્પાદન, નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડ અને નાઇટ્રિક ઍસિડનું ઉત્પાદન (જુઓ નાઇટ્રિક ઍસિડ) અને સાયનેમાઇડનું ઉત્પાદન અગત્યનાં છે. તે ઉપરાંત N₂ વાયુ નિષ્ક્રિય હોવાને લીધે વીજળીના ગોળામાં અને જ્યાં નિષ્ક્રિય વાતાવરણની જરૂર હોય ત્યાં ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

પ્રવીણસાગર સત્યપંથી