النيتروجين السائل في الكيمياء

في الكيمياء يعد النيتروجين السائل عبارة عن شكل من أشكال عنصر النيتروجين الذي يكون باردًا بدرجة كافية لوجوده في حالة سائلة كما أنه يستخدم في العديد من تطبيقات التبريد، والنيتروجين السائل أيضا يعرف بإنه يمتلك بعض الخصائص منها أنه خامل أو لا يتفاعل وعديم اللون كما أنه عديم الرائحة أيضا وغير قابل للتآكل بالإضافة إلى أنه غير قابل للاشتعال وبارد للغاية.

النيتروجين السائل

كما ويشكل النيتروجين الجزء الأكبر من الغلاف الجوي (78٪ من حيث الحجم)، النيتروجين خامل ولن يدعم الاحتراق ومع ذلك فهو لا يدعم الحياة، إذ أنه عندما يتحول النيتروجين إلى سائل فإنه يصبح سائلًا مبردًا، وفيما يلي بعض الحقائق حول النيتروجين السائل ومعلومات مهمة حول كيفية التعامل معه بأمان.

حقائق عن النيتروجين السائل

• النيتروجين السائل هو عبارة عن الصورة السائلة لعنصر النيتروجين الواقع في المجموعة 15 في الجدول الدوري حيث يتم إنتاجه وصناعته بشكل تجاري من خلال عملية التقطير الجزئي للهواء السائل، كما أنه أيضا مثل غاز النيتروجين حيث يتكون من ذرتين من النيتروجين تتشاركان في الروابط التساهمية (N2).

• في الواقع هناك في بعض المرات يتم الإشارة إليه على أنه LN2 أو LN أو LIN.

• رقم الأمم المتحدة (UN أو UNID) هو عبارة عن رمز يتكون من أربعة خانات، ويتم استخدامه من أجل عملية تحديد المواد الكيميائية التي تكون للاشتعال والضارة، ولقد تم إعطاء النيتروجين السائل برقم الأمم المتحدة 1،977 وتحديده.

• تبدأ عملية غليان النيتروجين السائل عند درجة حرارة مقدارها 77 كلفن (أي ما يساوي 195.8 سليسيوس أو ما يساوي −320.4 درجة فهرنهايت)، ويحدث ذلك عند الضغط العادي.

• تبلغ نسبة تمدد النيتروجين من السائل إلى الغاز نسبة 1: 694 مما يعني غليان النيتروجين السائل من أجل ملء حجم بغاز النيتروجين بسرعة عالية.

• وهناك أيضا معلومة عن النيتروجين وهي التالية: أولا أنه غير سام وعديم الرائحة كما وأنه عديم اللون أيضا، وهو غير متفاعل إلى حد ما وغير قابل للاشتعال، ويكون الغاز أخف وزنا نوعا ما من الهواء عندما يصل إلى درجة حرارة الغرفة، كما أنه قليل الذوبان في الماء.

• لقد تم تسييل النيتروجين في أول مرة في الخامس عشر من شهر أبريل 1883 ميلادي بواسطة الفيزيائيين البولنديين زيجمونت وروبليوسكي وكارول أولزيفسكي.

• هناك عملية تخزين وتوظيب للنيتروجين السائل، حيث تكون هذه العملية في حاويات خاصة تكون ذو خاصية عزل، كما أنه يتم التنفيس عنها قليلا من أجل منع تراكم الضغط فيها، كما أنه اعتمادًا على تصميم دورق ديوار، من الممكن تخزينه لساعات أو حتى بضعة أسابيع.

• يعرض LN2 تأثير لايدنفروست مما يعني أنه يمتلك خاصية الغليان بسرعة كبيرة إذ يحيط بالأسطح طبقة عازلة من غاز النيتروجين، وهذا هو السبب في انسكاب قطرات النيتروجين على الأرض.

السلامة إثناء استخدام النيتروجين السائل

عند العمل بالنيتروجين السائل فلا بد من الأخذ بالاحتياطات اللازمة للسلامة:

• إن النيتروجين السائل في الواقع بارد بدرجة كافية من أجل إحداث عضة صقيع وتجمد شديدة عندما يلامس الأنسجة الحية، إذ أنه من الواجب عليك أن تقوم بارتداء أدوات السلامة المناسبة عند التعامل مع النيتروجين السائل؛ وذلك من أجل منع ملامسة أو استنشاق البخار شديد البرودة، كما أنه يجب أن تقم بتغطية الجلد وعزله لتجنب التعرض له.

• ونظرًا لأنه يغلي بسرعة كبيرة فإن عملية الانتقال من الطور السائل إلى الطور الغازي من الممكن أن يولد الكثير من الضغط بسرعة كبيرة، لذا يجب ألا تضع النيتروجين السائل في حاوية مغلقة لأنه قد يؤدي ذلك إلى انفجارها.

• عندما يتم إضافة نسب عالية من النيتروجين إلى الجو يؤدي ذلك إلى تقليل الوجود النسبي للأكسجين مما قد يؤول إلى خطر الاختناق، علما أن الغاز البارد منه أثقل من الهواء لذا فإن الخطر يكون أكبر عند الاقتراب من الأرض، ويجب أن يتم استخدام النيتروجين السائل في منطقة جيدة التهوية.

استخدامات النيتروجين السائل

للنيتروجين السائل استعمالات كثيرة وشائعة نوعا ما، حيث أنها تعتمد بشكل رئيسي على درجة حرارة البرودة والتفاعل القليل وتتضمن الأمثلة التالية التطبيقات الشائعة:

1. تجميد ونقل المنتجات الغذائية.
2. الحفظ بالتبريد للعينات البيولوجية مثل الحيوانات المنوية والبويضات والعينات الوراثية الحيوانية.
3. يتم استخدمه كأداة تبريد من أجل الموصلات الفائقة ومضخات التفريغ والمواد والمعدات الأخرى.
4. استخدم في العلاج بالتبريد من أجل إزالة تشوهات الجلد.
5. حماية المواد من التعرض للأكسجين.
6. التجميد السريع للمياه أو الأنابيب للسماح بالعمل عليها عند عدم توفر الصمامات
7. مصدر لغاز النيتروجين الجاف للغاية.
8. العلامات التجارية للماشية.
9. تحضير فن الطهو الجزيئي للأطعمة والمشروبات غير العادية.
10. تبريد المواد لتسهيل المعالجة الآلية أو التكسير.
11. كما أنه يدخل أيضا في المشاريع العلمية المتنوعة بما في ذلك تصنيع الآيس كريم وعملية صنع ضباب النيتروجين والورود المتجمدة بسرعة ومن ثم مشاهدتها تتحطم عند لمسها على سطح صلب.

التأثيرات الصحية للنيتروجين

• يمكن أن ينتج تلف الأنسجة الشديد أو الحروق عن التعرض للنيتروجين السائل أو أبخرة النيتروجين الباردة، وبما أنه لا يمتلك رائحة أو لون وغير مهيج فذلك يعني أنه لا يمتلك خصائص تحذيرية.

• لا يمتلك البشر حواسًا يمكنها اكتشاف وجود النيتروجين، وعلى الرغم من أن النيتروجين غير سام وخامل إلا أنه يمكن أن يكون بمثابة خانق بسيط عن طريق إزاحة الأكسجين في الهواء إلى مستويات أقل من تلك المطلوبة لدعم الحياة.

• إن استنشاق النيتروجين بكميات كبيرة يمكن أن يسبب الدوخة والغثيان والقيء وفقدان الوعي والموت، وقد ينتج الموت عن أخطاء في الحكم أو ارتباك أو فقدان للوعي يمنع إنقاذ الذات، حيث أنه عند انخفاض تركيز الأكسجين قد يحدث فقدان الوعي والموت في ثوانٍ ودون سابق إنذار.

• يجب ألا يدخل الأفراد بما في ذلك عمال الإنقاذ المناطق التي يكون فيها تركيز الأكسجين أقل من 19.5٪ ما لم يتم تزويدهم بجهاز تنفس مستقل أو جهاز تنفس بخطوط الهواء.

• ينتج عن الغازات السائلة أو ذات درجة الحرارة المنخفضة الناتجة عن أي من المواد المبردة المحددة تأثيرات على الجلد مشابهة للحرق، إذ يمكن أن تتسبب درجة حرارة السائل المنخفضة للغاية في حدوث قضمة صقيع شديدة أو تلف العين عند التلامس.

• تشمل أعراض عضة الصقيع تغير لون الجلد إلى اللون الأبيض أو الأصفر المائل إلى الرمادي، وقد يهدأ الألم بعد ملامسة النيتروجين السائل بسرعة، وتصبح العناصر الملامسة للنيتروجين السائل شديدة البرودة، حيث أنه قد يؤدي لمس هذه العناصر إلى تمزق اللحم.

• يمكن لغاز النيتروجين السائل المنطلق في مكان مغلق أن يحل محل كمية كافية من الأكسجين لجعل الغلاف الجوي غير قادر على الحفاظ على الحياة ويسبب الاختناق دون سابق إنذار، وتحدث درجات الاختناق عندما يكون محتوى الأكسجين في بيئة العمل أقل من 20.9٪ من حيث الحجم.

• تصبح التأثيرات الناتجة عن نقص الأكسجين ملحوظة عند مستويات أقل من ~ 18٪، وقد يحدث الموت المفاجئ عند ~ 6٪ محتوى أكسجين من حيث الحجم، ومن الممكن أن يكون هذا الانخفاض في محتوى الأكسجين ناتجًا عن فشل أو تسرب الوعاء المبرد أو خط النقل والتبخير اللاحق للمبرد.

• سيؤدي تدفق الحرارة إلى المبردة من البيئة إلى تبخير السائل، ومن المحتمل أن يتسبب في تراكم الضغط في أوعية الاحتواء المبردة وخطوط النقل، وعند التبخير يتمدد النيتروجين السائل بمعامل 696 ويصبح لتر واحد من النيتروجين السائل 24.6 قدم مكعب من غاز النيتروجين، ويجب توفير تخفيف الضغط الكافي لجميع أجزاء النظام للسماح بإخراج الغازات الروتينية ومنع الانفجار.

تخزين النيتروجين السائل

ديوار

هذا النوع من الحاويات عبارة عن حاوية غير مضغوطة، وعادة ما تكون وحدة قياس سعة الديوار هي اللتر، ويتوفر من خمسة إلى 200 لتر ديوار، ومن الممكن إزالة المنتج من ديوار صغيرة عن طريق الصب بينما تتطلب الأحجام الأكبر أنبوب نقل، وأحيانًا يُشار إلى أسطوانات السوائل المبردة التي تكون عبارة عن أوعية مضغوطة بشكل غير صحيح باسم ديوار.

أسطوانات السائلة المبردة

أسطوانات السائل المبردة هي عبارة عن أوعية ضغط معزولة ومغلفة بتفريغ الهواء، وتأتي مجهزة بصمامات تنفيس أمان وأقراص تمزق لحماية الأسطوانات من تراكم الضغط، وتعمل هذه الحاويات بضغوط تصل إلى 350 رطل لكل بوصة مربعة ولها سعات تتراوح بين 80 و 450 لترًا من السائل.

خزانات التخزين المبردة

قد تكون الدبابات كروية أو أسطوانية الشكل، يتم تثبيتها في مواقع ثابتة كسفن ثابتة، ولقد تم تصميم الخزانات وفقًا لمواصفات ASME للضغوط ودرجات الحرارة المعنية.