العناصر الكيميائية

:النيتروجين

النيتروجين (أو الآزوت) هو عنصر كيميائي رمزه N وعدده الذري 7، ويقع ضمن عناصر الدورة الثانية وعلى رأس المجموعة الخامسة عشر (المجموعة الخامسة وفق ترقيم المجموعات الرئيسية) في الجدول الدوري وذلك كعنصر مجموعة رئيسي، حيث أن مجموعته تسمّى باسمه مجموعة النتروجين. يصنف النتروجين ضمن اللافلزات، ويكون في الشروط العادية من الض

غط ودرجة الحرارة على شكل N₂ وهو غاز ثنائي الذرة، وعديم اللون والطعم والرائحة.

النتروجين عنصر شائع في الكون، حيث يدخل في تركيب درب التبانة والمجموعة الشمسية، وعلى كوكب الأرض يشكّل غاز النتروجين 78% من الغلاف الجوي للأرض، وبالتالي هو أكثر العناصر الكيميائية النقية من حيث الوفرة؛ أما في القشرة الأرضية، فمن النادر أن يوجد عنصر النتروجين على شكل أملاح لا عضوية. بالمقابل، يدخل عنصر النتروجين في الطبيعة -بشكل عضوي- في تركيب جميع الأنسجة الحيّة، وذلك بشكل أساسي في الأحماض الأمينية (وبالتالي في البروتينات)، وكذلك في الأحماض النووية حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين وحمض نووي ريبوزي؛ وفي الصناعة يشكّل النتروجين العديد من المركّبات المهمة كالأمونيا وحمض النتريك والسيانيد، ويدخل أيضاً عنصرا مهما في صناعة الأسمدة.

عرفت مركبات النتروجين منذ العصور الوسطى، فقد عرف جابر بن حيان حمض النتريك باسم ماء النار (aqua fortis)، كما عرف الماء الملكي (aqua regia)، وهو مزيج من حمض النتريك مع حمض الهيدروكلوريك، وسمي بالملكي لقدرته على إذابة الذهب. استعملت مركبات النتروجين لاحقاً في تحضير البارود ثم في صناعة الأسمدة.

اكتشف غاز النتروجين من قبل العالم دانيال رذرفورد سنة 1772، والذي أسماه حينها الهواء المضر أو المؤذي noxious air،^[1][2] وذلك على الرغم من أنه لم يكن يعتبره كعنصر كيميائي مستقل، لكنه ميّزه عن الهواء المُثَبَّت، والذي كان يقصد به غاز ثنائي أكسيد الكربون في تلك الأحيان، حيث أن حقيقة أن هناك مكوّن للهواء لا يساعد على الاحتراق كانت معروفة بالنسبة لرذرفورد.^[3] في الوقت نفسه تقريباً، دُرس النتروجين من قبل العلماء كارل فلهلم شيله وهنري كافنديش وجوزيف بريستلي، والذين أقروا أن النتروجين جزء من الهواء، وأشاروا إليه باسم الهواء المحروق أو هواء الفلوجستون. بالمقابل، قام أنطوان لافوازييه بتسمية ذلك الغاز الخامل الذي يطفئ اللهب ويميت الحيوانات باسم آزوت azote، وذلك من الكلمة الإغريقية ἄζωτος آزوتوس بمعنى لا حياة.^[4] ولا يزال يشار إلى عنصر النتروجين باسم الآزوت في بعض اللغات مثل الفرنسية والإيطالية والروسية والتركية. بالمقابل يشار إلى هذا العنصر في اللغة الألمانية باسم Stickstoff، بمعنى المادة المطفئة للهب.

مغنيسيوم:

المغنيسيوم هو عنصر كيميائي رمزه Mg وعدده الذرّي 12، وهو ينتمي إلى الفلزّات القلوية الترابية، التي تقع في المجموعة الثانية للجدول الدوري للعناصر. يوجد هذا العنصر في الشروط القياسية على شكل صلب رمادي برّاق. يأتي المغنيسيوم من حيث الوفرة الطبيعية للعناصر في الكون في المرتبة الثامنة؛^[2][3] حيث ينتج هذا العنصر في النجوم بعمرها المتأخّر من تفاعل اندماج لنوى الهيليوم في نوى الكربون؛ وعند انفجار تلك النجوم على هيئة مُسْتَعِرَاتٍ عُظْمَيَات، يُطرَح معظم المغنيسيوم إلى الوسط بين النجمي، حيث يعاد تدويره إلى أنظمة نجوم وليدة جديدة. كما يأتي العنصر أيضاً في المرتبة الثامنة من حيث الوفرة في القشرة الأرضية؛^[4] في حين أنّه يأتي في المرتبة الرابعة من حيث وفرة العناصر في تركيب الأرض الكيميائي (بعد الحديد والأكسجين والسيليكون)، مشكّلاً حوالي 14% من كتلة الأرض، وخاصّةً في تركيب الوشاح. يأتي المغنيسيوم في المرتبة الثالثة بعد الصوديوم والكلور من حيث العناصر المنحلّة في ماء البحر.^[5]

يتميّز هذا الفلزّ بنشاطه الكيميائي، لذلك لا يوجد بشكله الحرّ في الطبيعة، إنّما على شكل مركّبات كيميائية مع عناصر أخرى، وغالباً بحالة الأكسدة +2. يُستحصَل على الشكل العنصري الحرّ بإجراء عملية تحليل كهربائي لأملاح المغنيسيوم المنحلّة في الأجاج؛ وهو يُستخدَم في العديد من التطبيقات، منها دخوله في تركيب السبائك، مثل سبيكة مغناليوم مع عنصر الألومنيوم، والتي تتميّز بمتانتها مع خفّتها. للمغنيسيوم أهمّية حيوية كبيرة، فهو يأتي في المرتبة الحادية عشرة من حيث وفرة العناصر الكيميائية في جسم الإنسان؛ وهو من العناصر المعدنية الضرورية؛^[6] وخاصّةً بالنسبة للإنزيمات. تستخدم مركّبات المغنيسيوم في تركيب الأدوية، مثل المليّنات ومضادات الحموضة، وكذلك في علاج حالات الإرجاج.

يُشتَقّ اسم مغنيسيوم من الكلمة الإغريقية «Μαγνησία»، والتي قد تشير إمّا إلى منطقة في اليونان القديمة تدعى مغنيسيا، والتي تقع حالياً في إقليم ثيساليا؛^[7] أو إلى مدنٍ مندثرةٍ حملت نفس الاسم مثل مغنيسيا (على جبل سيبيلوس) ^{[ملاحظة 1]} أو مغنيسيا (على نهر مندريس) ^{[ملاحظة 2]} والواقعة حالياً في تركيا؛^[8] وتلك المناطق سكنتها قبيلة مغنيت ^{[ملاحظة 3]} اليونانية القديمة. هناك صلة وصل بين تسمية المغنيسيوم وبين تسمية معدن المغنيتيت ^{[ملاحظة 4]} (حجر المغناطيس) وبين تلك التي تعود إلى عنصر المنغنيز.

عُرفَت مركّبات المغنيسيوم منذ مئات السنين وذلك قبل الحصول على الفلزّ بشكله النقيّ، منها التَلْك (سيليكات المغنيسيوم المميّهة)؛ ومنها كبريتات المغنيسيوم، الذي يعرف بالاسم الشائع «الملح الإنجليزي».^[9] يُعدّ الفيزيائي والكيميائي الإسكتلندي جوزيف بلاك ^{[ملاحظة 5]} أوّل من عمل على مركّبات المغنيسيوم بشكل علمي وذلك في القرن الثامن عشر. اكتشف جوزيف بلاك سنة 1755 الفرق بين الحجر الكلسي (كربونات الكالسيوم) وبين كربونات المغنيسيوم في إحدى أعماله المنشورة ^{[ملاحظة 6]}، حيث كان يكثر الخلط بينهما كثيراً في تلك الأيام. أمّا الفلزّ فاستَحصَل عليه الكيميائي همفري ديفي ^{[ملاحظة 7]} أوّل مرّة سنة 1808 وذلك بأسلوب التحليل الكهربائي لمزيج من أكسيد المغنيسيوم (مغنيسيا) مع أكسيد الزئبق الثنائي؛^[10] لكنّه لم يكن نقيّاً، إنّما حصل عليه على شكل ملغمة (خليطة مع الزئبق)، لأنّه استخدم مهبطاً من الزئبق. أظهر ديفي بهذه العملية أنّ المغنيسيا أكسيد لفلزٍّ جديدٍ، أسماه «مَغْنِيُوم» ^{[ملاحظة 8]}،^[10] وتحوّلت التسمية فيما بعد إلى «مغنيسيوم». في سنة 1831 نجح الكيميائي الفرنسي أنطوان بوسي من الحصول على المغنيسيوم النقيّ بأسلوب مخبري ولكن بكمّيّات قليلة، وذلك من خلال تسخين كلوريد المغنيسيوم بوجود الكالسيوم للاختزال.

بدأ العمل على تطوير عمليّات صناعية للحصول على المغنيسيوم بواسطة مايكل فاراداي ^{[ملاحظة 9]}، فهو أوّل من تمكّن من الحصول على المغنيسيوم من خلال التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد المغنيسيوم وذلك سنة 1833؛ ثمّ تمكّن روبرت بنزن ^{[ملاحظة 10]} لاحقاً من إنتاج كمّيّات أكبر بنفس الأسلوب باستخدام خلية بنزن. تمكّن هنري إتيان سانت كلير ديفيل ^{[ملاحظة 11]} سنة 1857 بمساعدة من كارون ^{[ملاحظة 12]} من تطوير عملية صناعية لإنتاج المغنيسيوم، وذلك بإجراء اختزال لمزيج من كلوريد المغنيسيوم وفلوريد الكالسيوم باستخدام الصوديوم. إلّا أنّ تلك العمليّات لم تكن ذات جدوى اقتصادية كبيرة.

بما أنّ سبائك المغنيسيوم تتميّز بانخفاض كثافتها، فقد وجدت لها تطبيقاتٍ في مجال بناء العَرَبات، ومن أوائل التطبيقات المستخدمة لذلك الغرض كان بناء هيكل مناطيد زبلين قبل الحرب العالمية الأولى؛ كما شاع استخدامها في بناء هياكل الطائرات في ثلاثينيّات القرن العشرين. أمّا في الحرب العالمية الثانية فقد استُخدمَت خاصّية الاشتعالية المرتفعة للمغنيسيوم في تصميم الأسلحة الحارقة التي كانت تلقى على المدن أثناء المعارك والقصف الجوي.

الاكسجين:

الأُكسجِين^[1] هو عنصر كيميائي رمزه O وعدده الذرّي 8، ويقع ضمن عناصر الدورة الثانية وعلى رأس المجموعة السادسة عشر (المجموعة السادسة وفق ترقيم المجموعات الرئيسية) في الجدول الدوري، والتي تدعى باسم مجموعة الكالكوجين، وهو عنصر مجموعة رئيسي. يصنّف الأكسجين ضمن اللافلزّات، ويكون في الشروط العاديّة من الضغط ودرجة الحرارة على شكل غاز ثنائي الذرّة O₂. ليس له لون أو طعم أو رائحة.

يتميّز الأكسجين الذرّي بنشاطه الكيميائي الكبير، حيث أنّه من المؤكسدات القويّة، ويميل إلى الارتباط مع العناصر الأخرى لتشكيل المركّبات الكيميائيّة، وخاصّة الأكاسيد. كما يعدّ أحد أهمّ العناصر الموجودة في الأرض، وهو واسع الانتشار، حيث يشكّل غاز الأكسجين 20.94% من تركيب الغلاف الجوّي للأرض؛ بالإضافة إلى وجود شكل متآصل منه وهو الأوزون O₃. إنّ أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية هو الأكسجين، حيث يوجد بنسبة 48.9% وزناً، وهو يأتي في المرتبة الثانية بعد الحديد من حيث وفرة العناصر في تركيب الأرض ككل. يوجد الأكسجين الذرّي بوفرة في الكون، حيث يعدّ ثالث عنصر من حيث الوفرة بعد الهيدروجين والهيليوم. هناك ثلاثة نظائر مستقرّة للأكسجين ¹⁶O و ¹⁷O و ¹⁸O، أكثرها وفرةً هو الأكسجين-16، حيث تبلغ وفرته الطبيعيّة 99.8%.

للأكسجين أهميّة حيويّة كبيرة جداً، حيث لا غنى عنه لاستمرار الحياة على سطح الأرض ، فهو أساس عملية التنفّس الخلوي عند الإنسان والحيوانات، كما يدخل في عملية التركيب الضوئي عند النباتات. بالإضافة إلى ذلك فهو أساس عملية الاحتراق، كما يسهم في عمليات التآكل.

كانت عملية الاحتراق منذ قرون العصر الحجري أحد أكثر الظواهر فائدةً بالنسبة للإنسان عبر تاريخه، وفي نفس الوقت أحد أكثر الظواهر غموضاً في تفسيرها. انبرى لتفسير هذه الظاهرة عددٌ كبيرٌ من الفلاسفة والعلماء منذ عصور الإغريق وما بعدهم، مثل فيلو البيزنطي، مروراً بعلماء الخيمياء والكيمياء المسلمين في العصور الوسطى، وقدّموا لذلك العديد من التفسيرات، حيث كانت النار أحد العناصر التقليديّة الأربعة التي يتكوّن منها الكون حسب المفهوم السائد آنذاك.

في العصور التالية، ومع بداية عصر النهضة الأوروبية قام ليوناردو دا فينشي بإعادة تجربة فيلو البيزنطي، والتي قام فيها بتنكيس إناء فوق شمعة مشتعلة مع إحاطة عنق الإناء بالماء، فوجد ارتفاع منسوب الماء بشكل تدريجي مع مرور الوقت. لاحظ دافنشي أنّ قسماً من الهواء يُستهلك أثناء الاشتعال وأثناء التنفس. في أواخر القرن السابع عشر برهن روبرت بويل أنّ الهواء ضروري من أجل عملية الاحتراق، إلّا أنّ العالم جون مايو (1641–1679) أظهر فيما بعد وبشكل أدقّ أنّ قسماً فقط من الهواء هو الذي يلزم لعمليّة الاحتراق، وأسماه spiritus nitroaereus.لاحظ مايو أيضاً أن الأنتيموان يزداد وزنه عندما يسخّن، واستنتج من ذلك أنّ المادّة التي أسماها nitroaereus هي التي تتّحد مع الفلزّ. نشر مايو أبحاثه سنة 1668 تحت اسم "De respiratione".^[5]

نظرية الفلوجستون

ظهر في القرن السابع عشر في أوروبا مفهوم وجود مادّة خفيّة وخفيفة تسهم في عملية الاحتراق، وكانت تسمى فلوجستون، والتي كان يزعم أنّها تتحرر عند احتراق المادّة، حيث أنّ الحرارة كانت تفهم على أنّها مادّة.

على الرغم من أنّ إنتاج الأكسجين قد تمّ في تجارب مخبريّة على يدي كل من روبرت هوك وأولة بورك وميخائيل لومونوسوف، إلّا أنّ هؤلاء العلماء لم يتعرّفوا على الأكسجين كعنصر كيميائي مستقل. ويعود سبب ذلك إلى سواد الفكرة الفلسفيّة للاحتراق والمبنيّة على نظرية الفلوجستون، والتي أطلقها الخيميائي يوهان يواخيم بيشر سنة 1667، ثم عدّلت من قبل الكيميائي غيورغ شتال سنة 1731، ممّا ساهم في انتشارها.

كانت نظرية الفلوجستون تنصّ على أنّ المادّة القابلة للاشتعال مكوّنة من قسمين، الأوّل من الفلوجستون، والذي ينطلق عند الاحتراق، والثاني كان يدعى كالكس calx، والذي كان يظنّ أنّه المكوّن الحقيقي للمادّة. بالتالي فإنّ المواد التي كانت تحترق دون أن تترك كثيراً من الرماد كان يظنّ أنّ معظمها مؤلّف من الفلوجستون، مثل الخشب أو الفحم، في حين أنّ المواد غير القابلة للاشتعال والتي تتآكل مثل الحديد، فإنّها تحوي القليل منه. ما عزّز من انتشار هذه النظرية هو عدم معرفة أنّ الغازات المنطلقة من عمليّة الاحتراق لها كتلة، إذ أن معظم المواد التي كانت تحرق كان وزنها ينقص.بالمقابل، مع ازدياد عدد الباحثين في مجال الاحتراق، وملاحظة ازدياد وزن الفلزات عند تآكلها، على الرغم من أنّها حسب نظرية الفلوجستون يجب أن تنقص، كلّ ذلك أدّى إلى تصدّع هذه النظريّة.