Flytende nitrogen brukt til avkjøling for å lage iskrem. Av /iStockphoto. Begrenset gjenbruk

nitrogen

Rein nitrogengass glødar fiolett i eit sterkt elektrisk felt.

images-of-elements.com.
Lisens: CC BY 3.0

Artikkelstart

Nitrogen er eit grunnstoff som er ein fargelaus og luktfri gass. Nitrogen er hovudkomponenten i luft, og alle levande organismar er avhengige av nitrogensambindingar. Nitrogen vart tidlegare kalla kvelstoff på norsk.

Faktaboks

Uttale
nitrogˈen
Etymologi
av gresk, latin ‘salpeterdanner’
Også kjent som

Atomsymbol N og atomnummer 7

Nitrogen er det første grunnstoffet i gruppe 15 i periodesystemet. Atomsymbolet er N, og atomnummeret er 7.

Nitrogenmolekylet har kjemisk formel N2. I tørr luft utgjer nitrogen 78 prosent av volumet.

Det er to stabile isotopar av nitrogen: 14N (99,6 prosent) og 15N (0,4 prosent).

Eigenskapar

Nitrogengass har verken farge, lukt eller smak. Kokepunktet er −195,8 grader celsius (°C).

Ved ein temperatur på 0 °C og eit trykk på 1 standard atmosfære blir løyst 23 milliliter nitrogengass i 1 liter vatn. Ved avkjøling kondenserer nitrogen til ei fargelaus væske med tettleik på 0,808 gram per milliliter (g/mL) ved kokepunktet.

Fast nitrogen dannar kvite krystall med tettleik på 1,026 g/mL ved ein temperatur på −252 °C.

Nitrogen har 7 elektron og nøytron i kjernen. Det er 7 elektron som svirrar rundt kjernen, fordelte på to elektronskal. Alle atom har plass til 8 elektron i skal nummer to. Nitrogen bruker berre fem av desse plassane, så då er det tre ledige plassar, noko som gjer at nitrogen kan inngå kjemiske sambindingar med andre atom. Nitrogengass (N2) reagerer ikkje så lett med andre stoff og fungerer som ein god fortynnar av oksygen i atmosfæren.

Førekomst

Tørr, rein luft inneheld 78,08 volumprosent fritt nitrogen. Luft inneheld òg små mengder nitrogensambindingar, som ammoniakk og nitrogenoksid. Betydelege mengder nitrogen finst i naturgass og i ei viss grad i varme kjelder.

Nitrogen finst hovudsakleg som nitrat i kjemiske sambindingar som finst i naturen. Først og fremst finst det som natriumnitrat (chilesalpeter), i mindre mengder som kalium- og kalsiumnitrat og ammoniumsambindingar. Jord inneheld opp til 1 vektprosent nitrogen i bunden form. I protein, nukleinsyrer, vitamin, hormon med meir er det gjennomsnittleg 16 prosent nitrogen.

Totalt inneheld jordskorpa 25 delar per million (ppm) nitrogen. Viss også atmosfæren og hydrosfæren blir rekna med, aukar nitrogens del til 0,03 prosent.

Kjemiske eigenskapar

Ved vanleg temperatur er nitrogen svært lite reaktivt. Dette kjem av at atoma i nitrogenmolekyla er svært fast bunde til kvarandre. Nitrogenmolekylet har høg bindingsenergi, 941 kilojoule per mol (kJ/mol).

Reaktiviteten aukar med aukande temperatur. Særleg reaktivt er nitrogen når det ligg føre i atomær form. I ein elektrisk lysbue eller i lyn blir nitrogenmolekyl spalta til nitrogenatom.

Nitrogen dannar kjemiske sambindingar i alle oksidasjonstrinn frå –III til +V. Døme på slike sambindingar er –III ammoniakk; –II, hydrazin og –I, hydroksylamin; 0. Sjå òg nitrogenoksid.

Dei viktigaste oksidasjonstala er –III, som opptrer mellom anna i ammoniakk og ammoniumsambindingar, +III som i salpetersyrling, HNO2, og dets saltar, nitrittar, og +V som i salpetersyre, HNO3, og dets saltar, nitrat.

Ved høge temperaturar reagerer nitrogen direkte med metall og dannar nitrid.

Nitrogen blir løyst interstitielt i mange av innskotsmetalla, og det har særleg høg løselighet i metalla i gruppe 4 (titan, zirkonium og hafnium). Innskotsmetalla dannar òg nitrid med tilnærma støkiometrisk samansetning. Døme på slike er titannitrid, TiN, wolframnitrid, W2N, og andre.

Blant nitrogens reaksjonar med ikkje-metall er særleg reaksjonane med hydrogen og oksygen viktige. Reaksjon med hydrogen gir ammoniakk:

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

Reaksjon med oksygen gir nitrogenoksid, til dømes

N2(g) + O2(g) → 2NO(g)

Reaksjonen utført i lysbuer med ein temperatur på cirka 3000 °C danna grunnlaget for Birkeland-Eydes metode.

Framstilling

I industriell skala blir framstilt nitrogen av luft. Lufta blir avkjølt til flytande luft, og nitrogen skilst frå den andre hovudkomponenten i luft, oksygen, ved fraksjonert destillasjon. Fordi kokepunktet til nitrogenet (−195,8 °C) er noko lågare enn oksygenets (−183 °C), er nitrogen meir flyktig enn oksygen og fordampar fortrinnsvis i dei første fraksjonane.

Ein kjemisk metode til teknisk framstilling av nitrogen i luft er å binde oksygenet ved reaksjon med karbon ved å brenne kol i luft:

(4N2 (g) + O2(g))luft +C(s) → 4N2(g) + CO2(g)

Deretter blir karbondioksidet fjerna frå gassblandinga. Ved å bruke mindre luft, brennast karbonet til karbonmonoksid, CO:

(4N2 (g) + O2(g))luft + 2C(s) → 4N2 (g)+ 2CO(g)

Ei slik blanding av nitrogen og karbonmonoksid blir kalla generatorgass. Nitrogenet kan framstillast ved å fjerne karbonmonoksidet. Nitrogen som er framstilt av luft ved å fjerne oksygenet, inneheld òg edelgassane som finst i lufta.

I laboratoriet kan nitrogen framstillast ved å leie luft over glødande kopar. Her blir oksygenet bunde som koparoksid, CuO, Cu2O.

Nitrogen utan edelgassane kan framstillast ved å spalte ammoniumnitritt. Dette skjer vanlegvis ved å varme opp ei konsentrert løysing av ammoniumnitritt:

NH4+(aq) + NO2(aq) → 2H2O(l) + N2(g)

Vassdampen må fjernast for å oppnå reint nitrogen. Nitrogen kan òg framstillast ved å spalte ammoniakk ved 600 °C i nærvær av ein katalysator.

Bruk

Nitrogen kjem i handelen fylt på stålflasker under høgt trykk eller som flytande nitrogen i dewarbeholdere. Flytande nitrogen må behandlast med varsemd for å unngå frostskadar.

Den viktigaste bruken av nitrogen er i framstilling av ammoniakk. Det tener vidare som utgangsmateriale for framstilling av mange viktige nitrogensambindingar som nitrogenholdige kunstgjødselprodukt, nitrogenoksid, salpetersyre, amin, cyanid, kaliumcyanamid med meir. Sjå òg nitrogengjødsel og nitrogenindustri.

Nitrogen blir òg brukt som verneatmosfære for å hindre oksidasjon av metall, matvarer og oksygenømfintlege kjemikaliar. Flytande nitrogen blir i aukande grad brukt som kjølemiddel og for rask nedfrysing av matvarer og andre stoffar.

Historie

Heilt til langt på 1700-talet vart luft rekna for å vere ein einsarta gass, og det var den svenske kjemikaren Carl Wilhelm Scheele som truleg allereie i 1769 og seinast i 1772 påviste at luft består av minst to gassar. Den eine, som kunne underhalde forbrenninga, kalla han «ildluft» (oksygen), og den andre, som ikkje kunne underhalde forbrenninga, «forderva luft» (nitrogen). Denne oppdaginga vart først offentleggjord i 1777.

I mellomtida hadde den britiske botanikaren Daniel Rutherford i 1772 komme til liknande resultat. Han kalla den gassen som ikkje underheldt forbrenninga for mephitic air, «forpesta luft». Joseph Priestley kalla den same gassen «flogistert luft». Den franske kjemikaren Antoine Laurent Lavoisier var den første som vart klar over at gassen var eit grunnstoff. Han kalla den mofette («giftig luft»), men forandra dette seinare til azote (av gresk azotikos, 'utan liv'), ei nemning som også i dag blir brukt på fransk. Seinare, då ein vart klar over samanhengen mellom gassen og salpetersyre og salpeter, foreslo franskmannen Jean Antoine Chaptal (1756–1832) namnet nitrogène.

Fysiologisk betydning

Nitrogen er eit livsnødvendig grunnstoff fordi det er ein viktig bestanddel i protein, nukleinsyrer, enzym, vitamin og hormon. Nitrogen er viktig for ein rekkje sambindingar som har innverknad på energiomsetninga og funksjonen til nervesystemet vårt. Eit menneske har behov for 4–4,5 kg nitrogen i året. Når vi pustar inn eit oksygenmolekyl, kjem det inn frie nitrogenmolekyl i tillegg. Nitrogen har vanskeleg for å løyse seg i blodet, og dermed forsvinn det ut av lungene når vi pustar ut. Det inngår i eit krinsløp mellom den uorganiske og organiske/biologiske naturen.

På landjorda treng ein ikkje tenkje så mykje på at vi pustar inn nitrogen, men problem kan oppstå ved til dømes dykking. Årsaka er at det er høgare trykk under vatn enn over vatn. Når lufttrykket aukar, blir nitrogenet meir løyseleg. Det kan vere farleg, for nitrogenet følgjer blodbanen og kan kome opp til hjernen. Dykkarsjuka forsvinn når dykkaren kjem opp til overflata att, men oppstiginga må ikkje gå for fort. Når trykket fell, blir nitrogen som var løyst i blodet omdanna til nitrogengass, som kan gi nitrogengassbobler i blodet.

Nitrogensambindingar er viktige for plantane, då plantar kan ikkje hente nitrogen frå lufta, men må hente det frå jordsmonnet. Det var dermed eit stort framsteg då ein lærte å hente nitrogen ut frå lufta og bruke det til å lage kunstgjødsel. Utan kunstgjødsel hadde ikkje jorda gitt oss så store avlingar som vi får i dag. Plantane tek opp nitrogen frå uorganiske nitrogensambindingar, og det blir bygd inn i proteina til plantane (nitrogenassimilasjon). Ved ròte av plantar blir ein del av nitrogenet ført tilbake til jorda i form av uorganiske nitrogensambindingar og blir igjen tilgjengeleg for plantar.

Det frie nitrogenet i lufta deltek òg i krinsløpet ved at nitrogen kan opptakast av enkelte mikroorganismar som lever fritt i jorda, til dømes Azotobacter eller Clostridium, eller i rotknollane til belgplantane (sjå belgplantebakteriar). Omvendt vil nedbrytning av protein gi nitrogen og nitrogenholdige gassar til atmosfæren.

Menneska står i dag for over halvparten av omsetninga av nitrogen i naturen. Mykje bruk av kunstgjødsel kan føre til at det blir danna lystgass, ei sambinding av nitrogen og oksygen. Lystgass har større negativ verknad for klimaet enn CO2 og bidreg til den globale oppvarminga. Lokalt kan nitrogenbalansen forskyvast, til dømes ved intensiv dyrking av plantar eller ved bruk av for mykje kunstgjødsel.

Nitrogen

Atomsymbol N
Atomnummer 7
Atomvekt 14,0067
Smeltepunkt -210,0 °C
Kokepunkt -195,8 °C
Tettleik 1,25046·10-3g/mL
Oksidasjonstal -III, -II, -I, I, II, III, IV, V
Elektronkonfigurasjon [He]2s22p3

Les meir i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg