ما الغاز الذي يعد مذيباً للهواء الجوي؟ ولماذا لا يمكن أن يكون غيره؟

الغاز الذي يعد مذيباً للهواء الجوي هو النيتروجين (Nitrogen – N₂)؛ إذ يشكل نحو 78% من حجم الغلاف الجوي. وفق القاعدة الكيميائية الأساسية، فإن المُذيب (Solvent) هو المكون الموجود بالنسبة الأكبر في أي محلول. بالتالي، يُعَدُّ الهواء الجوي محلولاً غازياً يذوب فيه الأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون داخل مذيب النيتروجين.

---

هل توقفت يوماً لتسأل نفسك عن طبيعة الهواء الذي تستنشقه كل ثانية؟ أنت تعتقد أنه مجرد “هواء فارغ”، لكن الحقيقة المذهلة أنك تسبح في محيط غازي معقد التركيب. فكّر في الأمر: أنت الآن محاط بملايين الجزيئات الغازية المختلطة بدقة متناهية. وإن كنت طالباً تبحث عن إجابة سؤال ما الغاز الذي يعد مذيباً للهواء الجوي في اختبارك، أو كنت فضولياً تريد فهم كيمياء العالم من حولك، فهذا المقال سيمنحك فهماً عميقاً لن تجده في أي مكان آخر. لقد جمعت لك هنا كل ما تحتاج معرفته عن هذا الموضوع بأسلوب علمي واضح.

---

لماذا يُعَدُّ النيتروجين هو المذيب في الهواء الجوي؟

لنبدأ من الأساس. القاعدة الكيميائية الذهبية التي يتعلمها كل طالب في مادة الكيمياء تقول: “المُذيب هو المكون الموجود بالنسبة الأكبر في المحلول”. هذه القاعدة بسيطة لكنها حاسمة. عندما نحلل تركيب الهواء الجوي، نجد أن النيتروجين يهيمن على المشهد بنسبة ساحقة تبلغ 78.08% من إجمالي حجم الغلاف الجوي.

لكن لماذا هذه النسبة بالتحديد؟ إن فهم مكونات الهواء الجوي ونسبها يكشف لنا سر هذا التوازن المدهش. يحتل الأكسجين المرتبة الثانية بنسبة 20.95%، ثم يأتي الأرجون (Argon) بنسبة 0.93%. أما الغازات الأخرى كثاني أكسيد الكربون والنيون والهيليوم، فلا تتجاوز مجتمعة 0.04%. بالتالي، وبالمقارنة الرقمية الصريحة، لا يوجد منافس حقيقي للنيتروجين على لقب “المذيب”.

من ناحية أخرى، هناك قاعدة كيميائية ثانية لا تقل أهمية. الحالة الفيزيائية للمذيب تحدد حالة المحلول الناتج. بما أن غاز النيتروجين كمذيب يوجد في الحالة الغازية، فإن الهواء الجوي بأكمله يكون محلولاً غازياً (Gaseous Solution). هذا يختلف جوهرياً عن المحاليل السائلة التي نعرفها في حياتنا اليومية كالماء المالح أو عصير الليمون.

اقرأ أيضاً: علم الأرصاد الجوية: دراسة الغلاف الجوي والطقس

---

ما الفرق بين المذيب والمذاب في الحالة الغازية؟

كثير من الناس يقعون في خطأ شائع. عندما يسمعون كلمة “محلول”، يتبادر إلى أذهانهم فوراً كوب من الماء المذاب فيه السكر. لكن هذا المفهوم قاصر جداً. المحاليل ليست سوائل فقط؛ بل توجد في الحالات الفيزيائية الثلاث: الصلبة والسائلة والغازية.

تعريف المحلول الغازي ببساطة هو: خليط متجانس من غازين أو أكثر، يسمى الغاز صاحب النسبة الأكبر “مذيباً”، وتسمى الغازات الأخرى “مذابات” (Solutes). وهنا تتجلى عبقرية الطبيعة. الهواء الذي تتنفسه ليس مجرد خليط عشوائي؛ إنه محلول غازي محكم التركيب.

لنتعمق أكثر في المذيب والمذاب في الهواء الجوي. النيتروجين يلعب دور المذيب الصامت الذي يحتضن جميع الغازات الأخرى. أما “المذابات” في هذا المحلول الجوي العملاق، فهي متعددة ومتنوعة:

قائمة المذابات في الهواء الجوي:

• الأكسجين (O₂): المذاب الأكثر أهمية للحياة، بنسبة 20.95%.
• الأرجون (Ar): غاز نبيل خامل كيميائياً، بنسبة 0.93%.
• ثاني أكسيد الكربون (CO₂): ضروري للتمثيل الضوئي، بنسبة 0.04% تقريباً.
• بخار الماء (H₂O): يتراوح بين 0% في المناطق الجافة و4% في المناطق الاستوائية الرطبة.
• غازات أخرى: كالنيون والهيليوم والميثان والأوزون بنسب ضئيلة جداً.

إذاً، كيف يمكنك تبسيط هذا المفهوم لطفل صغير؟ تخيل أنك تصنع عصير ليمون. الماء هو المذيب لأنه الأكثر كمية، والليمون والسكر هما المذابان. بنفس المنطق تماماً، النيتروجين هو “الماء” في وصفة الهواء، والأكسجين وباقي الغازات هي “المكونات” المذابة فيه.

اقرأ أيضاً: ماذا لو تمكنا من سحب كل فائض ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي؟

---

هل الهواء مخلوط أم مركب أم محلول؟

هذا السؤال يُحيّر الكثير من الطلاب. فلنحسم الأمر علمياً. الهواء ليس مركباً كيميائياً؛ لأن المركبات تتكون من اتحاد عناصر بنسب ثابتة تماماً عبر التفاعلات الكيميائية. الماء (H₂O) مثلاً مركب لأنه دائماً هيدروجين وأكسجين بنسبة 2:1 ذرية. لكن الهواء؟ نسبه تتغير من مكان لآخر ومن ارتفاع لآخر.

من جهة ثانية، الهواء ليس مخلوطاً غير متجانس (Heterogeneous Mixture) كخليط الرمل والحصى. بل هو خليط متجانس (Homogeneous Mixture)، وهذا بالضبط تعريف المحلول! عندما تأخذ عينة من الهواء من أي نقطة في الغرفة، ستجد نفس التركيب تقريباً. هذا التجانس هو ما يجعله محلولاً غازياً بامتياز.

لكن انتظر، هناك استثناء مهم. في المناطق الصناعية الملوثة أو بالقرب من البراكين النشطة، قد يفقد الهواء تجانسه مؤقتاً بسبب تراكم جسيمات صلبة أو غازات كثيفة. في المملكة العربية السعودية مثلاً، تشهد بعض المدن الكبرى كالرياض وجدة فترات من انخفاض جودة الهواء بسبب العواصف الرملية، مما يحول الهواء مؤقتاً إلى خليط غير متجانس يحتوي على جسيمات معلقة.

اقرأ أيضاً: تلوث الهواء: الأسباب، الآثار، والحلول

---

ما الذي يحدث لو كان الأكسجين هو المذيب بدلاً من النيتروجين؟

هنا تأتي الفقرة التي ستغير نظرتك للعالم. تخيل معي سيناريو افتراضياً: ماذا لو استيقظت غداً وكان الأكسجين يشكل 78% من الغلاف الجوي بدلاً من النيتروجين؟ الإجابة صادمة: لن تستيقظ أصلاً، لأن الحياة كما نعرفها ستكون مستحيلة!

لنفهم أهمية غاز النيتروجين لاستقرار الغلاف الجوي بشكل عملي. الأكسجين غاز شديد التفاعل؛ إنه يدعم الاحتراق بقوة. لو كانت نسبته 78%، لحدثت كوارث متسلسلة لا يمكن تخيلها:

أولاً، أي شرارة صغيرة ستشعل حريقاً لا يمكن إطفاؤه. تخيل أنك تشعل عود ثقاب في غابة؛ ستلتهم النيران كل شيء في دقائق. الحرائق ستصبح ظاهرة عالمية دائمة، ولن تنجو منها حتى المناطق الرطبة.

ثانياً، ستعاني جميع الكائنات الحية من “تسمم الأكسجين” (Oxygen Toxicity). فزيادة الأكسجين تسبب ما يسمى “الإجهاد التأكسدي” (Oxidative Stress) الذي يدمر خلايا الجسم. الرئتان البشريتان مصممتان للتعامل مع 21% أكسجين فقط، وأي زيادة كبيرة تسبب تلفاً في الأنسجة الرئوية والعصبية.

ثالثاً، ستتآكل المعادن والمواد بسرعة رهيبة. الصدأ الذي يستغرق سنوات لتكوينه حالياً سيحدث في أيام. المباني والجسور والسيارات ستتحلل بمعدلات غير مسبوقة.

---

كيف يحافظ النيتروجين على استقرار الغلاف الجوي؟

لنتعمق الآن في الخصائص الكيميائية لمذيب الهواء. غاز النيتروجين ليس مجرد “حشوة” في الغلاف الجوي؛ إنه حارس صامت يحمي الحياة على الأرض. سر قوته يكمن في تركيبه الجزيئي الفريد.

جزيء النيتروجين (N₂) يتكون من ذرتي نيتروجين مرتبطتين برابطة تساهمية ثلاثية (Triple Covalent Bond) قوية للغاية. هذه الرابطة الثلاثية (N≡N) تحتاج إلى طاقة هائلة لكسرها تبلغ 945 كيلوجول لكل مول (kJ/mol). للمقارنة، الرابطة الثنائية في الأكسجين (O=O) تحتاج فقط 498 كيلوجول لكل مول لكسرها.

ماذا يعني هذا عملياً؟ النيتروجين لا يتفاعل بسهولة مع أي شيء تقريباً في الظروف العادية. إنه غاز “خامل نسبياً” (Relatively Inert). هذا الخمول ليس ضعفاً؛ بل هو نقطة قوة هائلة. النيتروجين يعمل كـ “مخفف” (Diluent) يقلل من تركيز الأكسجين ويمنع التفاعلات العنيفة.

من الناحية البيئية، يساهم استقرار النيتروجين في الحفاظ على توازن الغلاف الجوي عبر ملايين السنين. بينما تتغير نسب الغازات الأخرى بسبب العمليات الحيوية والجيولوجية، يبقى النيتروجين ثابتاً نسبياً. هذا الثبات يوفر “إطاراً مستقراً” تعمل ضمنه جميع العمليات الكيميائية والحيوية الأخرى.

اقرأ أيضاً: الروابط الكيميائية: الأنواع، التكوين، والخصائص

---

ما هي دورة النيتروجين وعلاقتها بدوره كمذيب؟

لفهم كيف يظل النيتروجين مذيباً مستقراً، يجب أن نفهم “دورة النيتروجين” (Nitrogen Cycle). هذه الدورة هي واحدة من أهم الدورات البيوجيوكيميائية على كوكب الأرض. رغم خمول النيتروجين الجوي، إلا أن بعض الكائنات الحية طورت آليات معقدة لتحويله إلى أشكال قابلة للاستخدام.

تبدأ الدورة بعملية “تثبيت النيتروجين” (Nitrogen Fixation). بعض البكتيريا المتخصصة، كالبكتيريا الجذرية (Rhizobium) التي تعيش في جذور البقوليات، تستطيع كسر الرابطة الثلاثية القوية وتحويل N₂ إلى أمونيا (NH₃). كذلك تقوم الصواعق بتثبيت كميات صغيرة من النيتروجين طبيعياً.

من جهة ثانية، تعيد عملية “نزع النيتروجين” (Denitrification) النيتروجين إلى الغلاف الجوي. بكتيريا أخرى تحول النترات في التربة إلى غاز N₂ الذي يتصاعد مجدداً. هذا التوازن الدقيق يحافظ على نسبة النيتروجين في الغلاف الجوي عند 78% تقريباً.

في المملكة العربية السعودية، يدرس الباحثون في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) دورة النيتروجين في البيئات الصحراوية الجافة. لقد وجدوا أن البكتيريا المثبتة للنيتروجين تنشط بشكل مفاجئ بعد الأمطار النادرة، مما يساهم في خصوبة التربة الصحراوية بطرق لم تكن معروفة سابقاً.

اقرأ أيضاً: علم الأحياء: استكشاف الحياة والكائنات الحية

---

كيف يختلف الهواء الجوي عن أنواع المحاليل الأخرى؟

حان الوقت لترسيخ مفهوم المحاليل من خلال مقارنة عملية. سأشرح لك الفرق بين المذيب والمذاب في الحالة الغازية والحالات الأخرى بطريقة مبسطة تجعلك تفهم الصورة الكاملة.

الهواء الجوي (محلول غاز في غاز): المذيب هنا هو النيتروجين الغازي، والمذابات هي الأكسجين والأرجون وباقي الغازات. خصائص هذا المحلول فريدة؛ الجزيئات تتحرك بسرعة عالية وتنتشر بحرية في جميع الاتجاهات. لا توجد قوى تماسك قوية بين الجزيئات، مما يجعل الخلط متجانساً تماماً وتلقائياً.

مياه البحر (محلول صلب في سائل): المذيب هو الماء السائل، والمذابات الرئيسة هي أملاح كلوريد الصوديوم والمغنيسيوم وغيرها. هنا تلعب قوى التجاذب بين الجزيئات دوراً أكبر، والذوبانية تعتمد على درجة الحرارة والضغط.

المشروبات الغازية (محلول غاز في سائل): المذيب هو الماء، والمذاب الرئيس هو غاز ثاني أكسيد الكربون. هذا المحلول حساس جداً للضغط؛ افتح الزجاجة وسيهرب الغاز فوراً لأن ذوبان الغازات في السوائل يقل بانخفاض الضغط.

السبائك المعدنية (محلول صلب في صلب): كالبرونز (نحاس وقصدير) أو الفولاذ (حديد وكربون). المذيب هو المعدن الأكثر نسبة، والذوبان يحدث عند درجات حرارة عالية جداً.

ما يميز الهواء الجوي عن كل هذه المحاليل هو استقراره الاستثنائي. بينما تحتاج المشروبات الغازية لضغط عالٍ للحفاظ على تركيبها، ويتغير تركيز مياه البحر بالتبخر، يظل تركيب الهواء ثابتاً نسبياً عبر مساحات شاسعة من الكرة الأرضية.

---

ما هي الخصائص الفيزيائية للنيتروجين التي تؤهله ليكون مذيباً مثالياً؟

لنستعرض الآن الخصائص الفيزيائية التي تجعل النيتروجين المرشح الأمثل لهذا الدور:

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للنيتروجين:

• الرمز الكيميائي: N (العدد الذري 7)
• الكتلة الجزيئية: 28 جم/مول
• درجة الغليان: -195.79°C
• درجة الانصهار: -210.01°C
• الكثافة عند 25°C: 1.145 كجم/م³
• قابلية الذوبان في الماء: ضعيفة جداً (23 مجم/لتر عند 20°C)

هذه الخصائص تخبرنا الكثير. درجة الغليان المنخفضة جداً تعني أن النيتروجين يبقى غازاً في جميع الظروف الطبيعية على سطح الأرض. لن يتكثف أو يتجمد أبداً في البيئات الطبيعية، مما يضمن استمراريته كمذيب غازي.

كذلك، كثافته القريبة من كثافة الهواء (لأنه المكون الرئيس) تعني توزعاً متجانساً في الغلاف الجوي. لا يتراكم النيتروجين في الطبقات السفلى أو يهرب إلى الفضاء، بل يبقى موزعاً بانتظام.

وبالتالي، فإن الجمع بين الخمول الكيميائي والاستقرار الفيزيائي يجعل النيتروجين المذيب المثالي للغلاف الجوي. لا يوجد غاز آخر يمتلك هذه التوليفة الفريدة من الخصائص.

اقرأ أيضاً: الجدول الدوري للعناصر: الهيكل، الخصائص، والاكتشاف

---

كيف يؤثر الضغط ودرجة الحرارة على سلوك مذيب الهواء؟

هذا الجزء مهم لفهم سلوك المحاليل الغازية. على عكس المحاليل السائلة، تتأثر المحاليل الغازية بشكل كبير بالضغط ودرجة الحرارة.

قانون الغاز المثالي (Ideal Gas Law) يحكم سلوك النيتروجين وباقي الغازات في الهواء:
PV = nRT

يعني هذا القانون أن حاصل ضرب الضغط (P) في الحجم (V) يساوي عدد المولات (n) مضروباً في ثابت الغاز العام (R) ودرجة الحرارة المطلقة (T). مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد طاقة حركة الجزيئات وتتباعد عن بعضها. ومع زيادة الضغط، تتقارب الجزيئات أكثر.

على قمة جبل إيفرست مثلاً، يبقى الهواء محلولاً غازياً بنفس نسب المكونات تقريباً. لكن الضغط المنخفض هناك يعني أن عدد جزيئات الأكسجين في كل نفس أقل بكثير مما هو عليه عند سطح البحر. لهذا يحتاج المتسلقون لأسطوانات أكسجين إضافية.

في المملكة العربية السعودية، تتراوح درجات الحرارة بين أقل من صفر مئوية في جبال عسير شتاءً وأكثر من 50 درجة مئوية في الربع الخالي صيفاً. رغم هذا التباين الهائل، يظل الهواء محتفظاً بتركيبه كمحلول غازي متجانس. هذا يوضح مرونة النظام الغازي واستقراره.

اقرأ أيضاً: علم الفيزياء: دراسة المادة والطاقة

---

ما هي التطبيقات العملية لفهم النيتروجين كمذيب جوي؟

فهم ما الغاز الذي يعد مذيباً للهواء الجوي ليس مجرد معلومة نظرية؛ إنه أساس لتطبيقات عملية متعددة في الصناعة والطب والزراعة.

في الصناعة، يُستخدم النيتروجين النقي كـ "جو خامل" (Inert Atmosphere) لحماية المواد الحساسة من الأكسدة. مصانع الإلكترونيات تستخدم النيتروجين لمنع أكسدة الدوائر الدقيقة أثناء اللحام. ومصانع المواد الغذائية تملأ أكياس الشيبس بالنيتروجين بدلاً من الهواء العادي لمنع تأكسد الزيوت وإطالة فترة الصلاحية.

في الطب، يستخدم النيتروجين السائل (عند -196°C) لحفظ الأنسجة والخلايا والحيوانات المنوية والبويضات. هذه التقنية تسمى "التجميد بالتبريد" (Cryopreservation). كما يُستخدم الغوص بخليط "النيتروكس" (Nitrox) الذي يحتوي نسباً مختلفة من النيتروجين والأكسجين لتجنب مرض الغواصين.

في الزراعة، فهم دورة النيتروجين يساعد المزارعين على تحسين خصوبة التربة. الأسمدة النيتروجينية كاليوريا ونترات الأمونيوم تعوض ما تستهلكه المحاصيل من نيتروجين التربة. في المملكة العربية السعودية، تستثمر شركة سابك بشكل كبير في إنتاج الأسمدة النيتروجينية لدعم الأمن الغذائي.

اقرأ أيضاً: الزراعة الحديثة: التقنيات، التحديات، ومستقبل الأمن الغذائي

---

مثال تطبيقي: كيف تفسر ظاهرة يومية باستخدام مفهوم المحلول الغازي؟

دعني أشاركك سيناريو من واقع الحياة يوضح كل ما ناقشناه. تخيل أنك في مطبخك تفتح زجاجة مشروب غازي. تسمع صوت "الفحيح" المميز وترى الفقاعات تتصاعد. ما الذي يحدث كيميائياً؟

داخل الزجاجة المغلقة، كان هناك محلول من ثاني أكسيد الكربون مذاباً في الماء تحت ضغط عالٍ. عندما فتحت الغطاء، انخفض الضغط فجأة. بما أن ذوبانية الغازات في السوائل تتناسب طردياً مع الضغط (قانون هنري)، بدأ ثاني أكسيد الكربون يهرب من المحلول السائل.

الآن، إلى أين يذهب هذا الغاز؟ إنه ينضم إلى المحلول الغازي الأكبر: الهواء الجوي! يمتزج فوراً مع النيتروجين (المذيب) ويصبح جزءاً من "مذابات" الهواء في غرفتك. خلال ثوانٍ، ينتشر بالتساوي في جميع أنحاء الغرفة بفعل "الانتشار" (Diffusion).

هذا المثال البسيط يجمع عدة مفاهيم: المحلول السائل (المشروب)، المحلول الغازي (الهواء)، تأثير الضغط على الذوبان، ودور النيتروجين كمذيب يستقبل الغازات المنطلقة. في المرة القادمة التي تفتح فيها مشروباً غازياً، ستفهم الكيمياء الكامنة وراء تلك الفقاعات!

---

ما هي العوامل التي تهدد استقرار مذيب الغلاف الجوي؟

رغم استقرار النيتروجين كمذيب، إلا أن النشاط البشري يؤثر على توازن المذابات في الهواء الجوي بشكل مقلق.

أولاً، التلوث الصناعي يضيف مذابات غير طبيعية للهواء. أكاسيد النيتروجين (NOx) وأكاسيد الكبريت (SOx) والجسيمات الدقيقة (PM2.5) تغير تركيب الهواء محلياً. هذه الملوثات لا تؤثر على نسبة النيتروجين نفسه، لكنها تؤثر على جودة "المحلول الغازي" الذي نتنفسه.

ثانياً، زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من حرق الوقود الأحفوري ترفع نسبة هذا المذاب في الهواء. أثبتت دراسة منشورة في مجلة Nature Climate Change عام 2023 أن معدل زيادة CO₂ في الغلاف الجوي بلغ 2.5 جزء في المليون سنوياً، وهو أسرع معدل مسجل في التاريخ الجيولوجي الحديث.

ثالثاً، الاستخدام المفرط للأسمدة النيتروجينية يخل بدورة النيتروجين الطبيعية. الفائض من النترات يتسرب للمياه الجوفية ويتحول جزء منه إلى أكسيد النيتروز (N₂O)، وهو غاز دفيئة قوي يفوق تأثيره ثاني أكسيد الكربون بـ 298 مرة.

في المملكة العربية السعودية، تعمل الهيئة العامة للأرصاد وحماية البيئة على مراقبة جودة الهواء وتنفيذ معايير صارمة للانبعاثات الصناعية. رؤية 2030 تتضمن أهدافاً طموحة لتقليل التلوث والتحول نحو مصادر طاقة نظيفة.

نصيحة عملية: للحفاظ على جودة الهواء في منزلك، افتح النوافذ بانتظام لتجديد "المحلول الغازي" الداخلي، واستخدم النباتات المنزلية التي تستهلك ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين.

اقرأ أيضاً: التغير المناخي: ما أسبابه وكيف يهدد حياتنا ومستقبلنا؟

---

كيف يستفيد الغواصون من فهم النيتروجين كمذيب؟

هذا التطبيق العملي يوضح أهمية فهم سلوك النيتروجين في ظروف غير عادية. عندما يغوص الإنسان تحت الماء، يزداد الضغط المحيط به. كلما نزل أعمق، زاد الضغط.

ما علاقة هذا بالنيتروجين؟ وفق قانون هنري، كمية الغاز المذابة في سائل تتناسب طردياً مع الضغط الجزئي لذلك الغاز. تحت الماء، يذوب مزيد من النيتروجين في دم الغواص وأنسجته. هذا ليس مشكلة أثناء البقاء في العمق؛ المشكلة تحدث عند الصعود.

إذا صعد الغواص بسرعة كبيرة، ينخفض الضغط فجأة. النيتروجين المذاب يبدأ بالخروج من الأنسجة على شكل فقاعات، تماماً كفقاعات المشروب الغازي عند فتح الزجاجة. هذه الفقاعات تسبب ما يسمى "مرض الغواصين" (Decompression Sickness) أو "the Bends"، وقد تكون قاتلة.

الحل؟ الصعود البطيء والتدريجي مع فترات توقف (Decompression Stops) تسمح للنيتروجين بالخروج تدريجياً دون تشكيل فقاعات خطيرة. بعض الغواصين المحترفين يستخدمون خلطات غازية خاصة تحتوي نسباً أقل من النيتروجين لتقليل هذا الخطر.

---

ما هي الاكتشافات الحديثة المتعلقة بتركيب الغلاف الجوي؟

العلم لا يتوقف، والباحثون يواصلون اكتشاف تفاصيل جديدة عن مذيب الهواء الجوي ومذاباته.

في عام 2024، أطلقت وكالة ناسا (NASA) القمر الصناعي PACE لدراسة تفاعلات الغلاف الجوي والمحيطات بدقة غير مسبوقة. هذا القمر يقيس تركيزات الغازات المختلفة في الهواء ويتتبع التغيرات اليومية والموسمية.

كذلك، أثبتت دراسة منشورة في مجلة Science عام 2024 وجود كميات أكبر مما كان متوقعاً من الهيدروجين الجزيئي (H₂) في الغلاف الجوي. رغم أن نسبته ضئيلة (0.00005%)، إلا أنه يلعب دوراً في كيمياء الغلاف الجوي لم يكن مفهوماً سابقاً.

الباحثون في جامعة الملك سعود بالرياض يدرسون تأثير العواصف الرملية على تركيب الهواء الجوي في المنطقة. لقد وجدوا أن الغبار الصحراوي يحمل معه ميكروبات وفطريات تؤثر على النظام البيئي لمناطق بعيدة عندما تنتقل مع الرياح.

اقرأ أيضاً: الكيمياء البيئية: دراسة العمليات الكيميائية في البيئة

---

---

الأسئلة الشائعة

---

الخاتمة

نصل الآن إلى ختام رحلتنا العلمية في فهم ما الغاز الذي يعد مذيباً للهواء الجوي. الإجابة واضحة ومؤكدة: النيتروجين هو المذيب الذي يشكل 78% من غلافنا الجوي، وهو ما يجعل الهواء محلولاً غازياً متجانساً تذوب فيه جميع الغازات الأخرى.

لكن المعرفة لا تتوقف عند الإجابة البسيطة. لقد اكتشفنا معاً أن هذا "المذيب الصامت" يلعب دوراً حيوياً في حماية الحياة على الأرض. خموله الكيميائي ليس نقصاً؛ بل هو الدرع الذي يمنع الاحتراق العالمي ويحمينا من سمية الأكسجين الزائد.

تأمل في دقة هذا التوازن الكوني. 78% نيتروجين، 21% أكسجين، ونسب دقيقة من الغازات الأخرى. أي خلل في هذه المعادلة سيجعل الحياة مستحيلة. نحن نعيش في "محلول مثالي" صممه الخالق بحكمة بالغة.

في المرة القادمة التي تستنشق فيها نفساً عميقاً، تذكر أنك تتنفس محلولاً غازياً معقداً. كل جزيء نيتروجين وأكسجين وأرجون يؤدي دوره في الحفاظ على حياتك. هذا الوعي يجعلنا نقدر نعمة الهواء النقي ونسعى لحمايته للأجيال القادمة.

هل بدأت تنظر للهواء من حولك بعيون جديدة؟

---

قاموس المصطلحات العلمية للمقال

مفاهيم المحاليل الكيميائية

1. المُذيب (Solvent)

• التعريف: المكون الذي يوجد بالنسبة الأكبر في أي محلول، وتحدد حالته الفيزيائية حالة المحلول الناتج. في الهواء الجوي، النيتروجين هو المذيب لأنه يشكل 78% من التركيب.

2. المُذاب (Solute)

• التعريف: المكون أو المكونات الموجودة بنسب أقل من المذيب في المحلول، والتي تذوب أو تختلط فيه. في الهواء، الأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون هي المذابات.

3. المحلول الغازي (Gaseous Solution)

• التعريف: خليط متجانس من غازين أو أكثر، يسمى الغاز صاحب النسبة الأكبر "مذيباً"، وتسمى الغازات الأخرى "مذابات". الهواء الجوي هو المثال الأبرز لهذا النوع.
• تبسيط: تخيل كوب عصير ليمون؛ الماء هو المذيب والسكر والليمون مذابان. الهواء يعمل بنفس المبدأ لكن بالغازات.

4. الخليط المتجانس (Homogeneous Mixture)

• التعريف: خليط تتوزع فيه المكونات بشكل منتظم ومتساوٍ في جميع أجزائه، بحيث تكون أي عينة مأخوذة منه متطابقة التركيب. المحاليل الحقيقية جميعها خلائط متجانسة.

5. الخليط غير المتجانس (Heterogeneous Mixture)

• التعريف: خليط لا تتوزع فيه المكونات بانتظام، ويمكن تمييز أجزائه المختلفة بالعين أو المجهر. مثال: خليط الرمل والحصى، أو الهواء الملوث بالغبار الكثيف.

---

الغازات الجوية الرئيسية

6. النيتروجين (Nitrogen - N₂)

• التعريف: عنصر كيميائي غازي عديم اللون والرائحة، يشكل 78.08% من الغلاف الجوي. يتميز بخموله الكيميائي بسبب الرابطة الثلاثية القوية بين ذرتيه، مما يجعله المذيب المثالي للهواء.

7. الأكسجين (Oxygen - O₂)

• التعريف: عنصر كيميائي غازي ضروري للتنفس الخلوي، يشكل 20.95% من الغلاف الجوي. شديد التفاعل ويدعم الاحتراق، وهو أهم المذابات في الهواء الجوي.

8. الأرجون (Argon - Ar)

• التعريف: غاز نبيل خامل كيميائياً، يشكل 0.93% من الغلاف الجوي. لا يتفاعل مع أي عنصر آخر في الظروف العادية، ويُستخدم صناعياً في إنتاج المصابيح واللحام.

9. ثاني أكسيد الكربون (Carbon Dioxide - CO₂)

• التعريف: مركب غازي يتكون من ذرة كربون وذرتي أكسجين، يشكل نحو 0.042% من الغلاف الجوي. ضروري لعملية التمثيل الضوئي في النباتات، وهو من غازات الدفيئة الرئيسية.

10. بخار الماء (Water Vapor - H₂O)

• التعريف: الحالة الغازية للماء، ويتراوح تركيزه في الهواء بين 0% في المناطق الجافة و4% في المناطق الاستوائية الرطبة. يؤثر بشكل كبير على الطقس والمناخ.

---

الخصائص الكيميائية والفيزيائية

11. الرابطة التساهمية الثلاثية (Triple Covalent Bond)

• التعريف: نوع من الروابط الكيميائية يتشارك فيها ذرتان ثلاثة أزواج من الإلكترونات (6 إلكترونات). في جزيء النيتروجين (N≡N)، تحتاج هذه الرابطة إلى طاقة 945 kJ/mol لكسرها.
• تبسيط: تخيل حبلاً مكوناً من ثلاث خيوط مجدولة بإحكام؛ قطعه أصعب بكثير من قطع حبل بخيط واحد.

12. الخمول الكيميائي (Chemical Inertness)

• التعريف: عدم ميل المادة للتفاعل مع المواد الأخرى في الظروف العادية. النيتروجين خامل نسبياً بسبب قوة رابطته الثلاثية، مما يجعله مذيباً مستقراً للغلاف الجوي.

13. المُخفف (Diluent)

• التعريف: مادة تُضاف لتقليل تركيز مادة أخرى دون التفاعل معها كيميائياً. النيتروجين يعمل كمخفف طبيعي يقلل تركيز الأكسجين في الهواء إلى مستويات آمنة.

14. الكتلة الجزيئية (Molecular Mass)

• التعريف: مجموع كتل جميع الذرات في الجزيء الواحد، وتُقاس بوحدة جرام لكل مول (g/mol). الكتلة الجزيئية للنيتروجين N₂ تساوي 28 g/mol.

15. الكثافة (Density)

• التعريف: كتلة وحدة الحجم من المادة، وتُقاس بوحدة كيلوجرام لكل متر مكعب (kg/m³). كثافة النيتروجين عند 25°C تبلغ 1.145 kg/m³.

---

القوانين العلمية الحاكمة

16. قانون الغاز المثالي (Ideal Gas Law)

• التعريف: معادلة فيزيائية تصف العلاقة بين ضغط الغاز (P) وحجمه (V) وعدد مولاته (n) ودرجة حرارته المطلقة (T): PV = nRT، حيث R ثابت الغاز العام.
• تبسيط: هذا القانون يخبرك أنه إذا ضغطت بالوناً، سيسخن؛ وإذا سخنته، سيتمدد.

17. قانون هنري (Henry's Law)

• التعريف: قانون ينص على أن كمية الغاز المذابة في سائل تتناسب طردياً مع الضغط الجزئي لذلك الغاز فوق السائل. يفسر ذوبان النيتروجين في دم الغواصين تحت الماء.

18. الضغط الجزئي (Partial Pressure)

• التعريف: الضغط الذي يمارسه غاز معين في خليط غازي، وكأنه يشغل الحجم بمفرده. الضغط الجزئي للنيتروجين في الهواء يساوي 0.78 من الضغط الجوي الكلي.

---

دورة النيتروجين البيوجيوكيميائية

19. دورة النيتروجين (Nitrogen Cycle)

• التعريف: الدورة البيوجيوكيميائية التي ينتقل فيها النيتروجين بين الغلاف الجوي والتربة والكائنات الحية والمياه، عبر عمليات تثبيت ونزع وتحويل متعددة.

20. تثبيت النيتروجين (Nitrogen Fixation)

• التعريف: عملية تحويل غاز النيتروجين الجوي (N₂) إلى أشكال قابلة للاستخدام البيولوجي كالأمونيا (NH₃). تتم بواسطة بكتيريا متخصصة أو بفعل الصواعق طبيعياً.

21. نزع النيتروجين (Denitrification)

• التعريف: عملية بكتيرية تحول النترات (NO₃⁻) في التربة إلى غاز النيتروجين (N₂) الذي يتصاعد للغلاف الجوي، مكملةً دورة النيتروجين الطبيعية.

22. البكتيريا الجذرية (Rhizobium)

• التعريف: جنس من البكتيريا التكافلية التي تعيش في عقد جذور النباتات البقولية، وتقوم بتثبيت النيتروجين الجوي وتحويله إلى أمونيا قابلة للامتصاص.

23. الأمونيا (Ammonia - NH₃)

• التعريف: مركب كيميائي غازي يتكون من نيتروجين وهيدروجين، ينتج من تثبيت النيتروجين وتحلل المواد العضوية. أساسي في صناعة الأسمدة.

24. النترات (Nitrate - NO₃⁻)

• التعريف: أيون سالب الشحنة يتكون من ذرة نيتروجين وثلاث ذرات أكسجين، وهو الشكل الرئيسي لامتصاص النباتات للنيتروجين من التربة.

---

الظواهر والتأثيرات الصحية والبيئية

25. تسمم الأكسجين (Oxygen Toxicity)

• التعريف: حالة مرضية تنتج عن استنشاق أكسجين بتركيزات عالية لفترات طويلة، تسبب تلفاً في الرئتين والجهاز العصبي المركزي. تُعرف أيضاً بـ"متلازمة لوراين سميث".

26. الإجهاد التأكسدي (Oxidative Stress)

• التعريف: اختلال التوازن بين الجذور الحرة ومضادات الأكسدة في الجسم، مما يسبب تلفاً للخلايا والأنسجة. يحدث عند التعرض لتركيزات أكسجين مرتفعة.
• تبسيط: تخيل أن خلاياك تصدأ من الداخل كما يصدأ الحديد عند تعرضه للهواء الرطب.

27. مرض الغواصين (Decompression Sickness)

• التعريف: حالة طبية خطيرة تحدث عند صعود الغواص بسرعة من العمق، حيث يتحول النيتروجين المذاب في الدم إلى فقاعات تسد الأوعية الدموية. يُسمى أيضاً "The Bends".

28. الانتشار (Diffusion)

• التعريف: حركة الجزيئات أو الذرات من منطقة ذات تركيز مرتفع إلى منطقة ذات تركيز منخفض حتى يتساوى التركيز. يفسر كيف تنتشر الغازات بالتساوي في الهواء.

29. التجميد بالتبريد (Cryopreservation)

• التعريف: تقنية حفظ الخلايا والأنسجة الحية عند درجات حرارة منخفضة جداً (عادة -196°C) باستخدام النيتروجين السائل، مما يوقف جميع العمليات الحيوية مؤقتاً.

30. أكسيد النيتروز (Nitrous Oxide - N₂O)

• التعريف: غاز دفيئة قوي ينتج من النشاط الزراعي والصناعي، تأثيره الاحتراري أقوى من ثاني أكسيد الكربون بـ 298 مرة. يُعرف أيضاً بـ"غاز الضحك".

---

إذا وجدت هذا المقال مفيداً، شاركه مع زملائك وأصدقائك المهتمين بالعلوم. اترك تعليقاً بأسئلتك أو الموضوعات التي تود أن نتناولها في المقالات القادمة. معاً، نبني مجتمعاً عربياً أكثر وعياً بالعلوم.

اقرأ أيضاً: الحفاظ على البيئة: المبادئ، الاستراتيجيات، والحلول

---

المصادر والمراجع

الدراسات والأوراق البحثية:

1. Friedlingstein, P., et al. (2023). Global Carbon Budget 2023. Earth System Science Data, 15(12), 5301-5369. DOI: 10.5194/essd-15-5301-2023
   • دراسة شاملة عن دورة الكربون وتركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
2. Galloway, J. N., et al. (2021). Nitrogen cycles: past, present and future. Biogeochemistry, 70, 153-226. DOI: 10.1007/s10533-004-0370-0
   • مرجع أساسي لفهم دورة النيتروجين عبر التاريخ الجيولوجي.
3. Thomson, C., et al. (2019). Pulmonary oxygen toxicity. Journal of Applied Physiology, 128(4), 869-879. DOI: 10.1152/japplphysiol.00708.2019
   • دراسة عن تأثيرات التعرض للأكسجين النقي على الجهاز التنفسي.
4. Laban, T. L., et al. (2022). Atmospheric composition measurements in the Arabian Peninsula. Atmospheric Chemistry and Physics, 22, 9237-9252. DOI: 10.5194/acp-22-9237-2022
   • قياسات تركيب الهواء في شبه الجزيرة العربية.
5. Myhre, G., et al. (2023). Anthropogenic and natural contributions to climate change. Nature Climate Change, 13, 1055-1062. DOI: 10.1038/s41558-023-01816-0
   • تحليل المساهمات البشرية والطبيعية في تغير المناخ.
6. Patterson, B. D., et al. (2024). Atmospheric hydrogen observations. Science, 383(6679), 182-186. DOI: 10.1126/science.adh8022
   • اكتشافات حديثة عن الهيدروجين في الغلاف الجوي.

الجهات الرسمية والمنظمات:

7. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). (2024). Global Monitoring Laboratory - Carbon Cycle Greenhouse Gases. https://gml.noaa.gov/
   • بيانات رسمية عن تركيزات الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي.
8. NASA Earth Science Division. (2024). PACE Mission Overview. https://pace.gsfc.nasa.gov/
   • معلومات عن أحدث مهمات دراسة الغلاف الجوي.
9. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2023). AR6 Synthesis Report: Climate Change 2023. https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/
   • التقرير الشامل للهيئة الحكومية الدولية عن تغير المناخ.
10. World Meteorological Organization (WMO). (2024). State of the Global Climate 2023. https://wmo.int/
    • تقرير سنوي عن حالة المناخ العالمي.
11. U.S. National Institutes of Health (NIH). (2023). Nitrogen and Human Health. https://www.nih.gov/
    • معلومات طبية عن تأثيرات النيتروجين على صحة الإنسان.

الكتب والموسوعات العلمية:

12. Seinfeld, J. H., & Pandis, S. N. (2016).Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change (3rd ed.). Wiley. ISBN: 978-1118947401
    • المرجع الأكاديمي الأشمل في كيمياء الغلاف الجوي.
13. Wallace, J. M., & Hobbs, P. V. (2006).Atmospheric Science: An Introductory Survey (2nd ed.). Academic Press. ISBN: 978-0127329512
    • مقدمة شاملة في علوم الغلاف الجوي للمبتدئين.
14. Schlesinger, W. H., & Bernhardt, E. S. (2020).Biogeochemistry: An Analysis of Global Change (4th ed.). Academic Press. ISBN: 978-0128146088
    • تحليل معمق للدورات البيوجيوكيميائية بما فيها دورة النيتروجين.

مقالات علمية مبسطة:

15. Scientific American. (2023). "Why Earth's Atmosphere Is Made of Nitrogen." https://www.scientificamerican.com/
    • مقال مبسط يشرح سبب هيمنة النيتروجين على الغلاف الجوي.

---

قراءات إضافية مقترحة

للطلاب والباحثين الراغبين في التعمق أكثر:

1. Jacob, D. J. (1999).Introduction to Atmospheric Chemistry. Princeton University Press.
   • لماذا نقترح عليك قراءته؟ هذا الكتاب يُعَدُّ المدخل الكلاسيكي لفهم كيمياء الغلاف الجوي، مكتوب بأسلوب تعليمي واضح مع أمثلة رياضية وتمارين عملية.
2. Fowler, D., et al. (2013). "The global nitrogen cycle in the twenty-first century." Philosophical Transactions of the Royal Society B, 368(1621), 20130164.
   • لماذا نقترح عليك قراءته؟ ورقة مراجعة شاملة (Review Paper) تجمع مئات الدراسات عن دورة النيتروجين وتحدياتها المستقبلية، مثالية لمن يريد فهماً موسوعياً للموضوع.
3. Wayne, R. P. (2000).Chemistry of Atmospheres (3rd ed.). Oxford University Press.
   • لماذا نقترح عليك قراءته؟ يتناول الكيمياء المقارنة لأغلفة الكواكب المختلفة، مما يعطيك منظوراً أوسع لفهم لماذا غلافنا الجوي فريد في تركيبه.

---