A nitrogén jelenléte alapvetően határozza meg mindennapjainkat: egy színtelen, szagtalan gáz, mely a földi légkör 78%-át alkotja. Minden lélegzetvétellel magunkhoz vesszük.
A levegő legnagyobb összetevője, mégis, sokáig fogalma sem volt róla az emberiségnek, hogy egyáltalán létezik. Alig 250 éve fedezte fel és írta le Rutherford skót tudós 1772-ben.
Hogyan fordul elő és milyen tulajdonságai vannak a nitrogénnek?
A nitrogén vegyjele: N. Rendkívül gyakori kémiai elem, molekuláris állapotban N2 úgynevezett permanens gáz, kis, apoláris molekulaszerkezetű gáz, melynek forráspontja rendkívül alacsony. Elemi állapotú, vagyis nem molekuláris, szabad Nitrogén a Földön rendkívül ritka.
A nitrogén leggyakrabban gáz halmazállapotú, de hűtéssel lehet folyékony állapotúvá tenni. Érdekességképpen megjegyezzük, hogy extrém magas hőmérsékleten és nyomáson szilárd, polimer kristályos anyaggá válik, ez a tetranitrogén, vagyis a nitrogéngyémánt, melyet 2002-ben fedeztek fel.
A nitrogén alapvető tulajdonságai
- Atomszám (protonok száma az atommagban): 7
- Vegyjele (az elemek periódusos rendszerében): N
- Atomtömeg (az atom átlagos tömege): 14,0067
- Sűrűség: 0,0012506 gramm köbcentiméterenként
- Halmazállapot szobahőmérsékleten: gáz
- Olvadáspont: -210 °C
- Forráspont: -195,79 °C
- Izotópok száma (ugyanazon elem atomjai különböző neutronszámmal): 16, köztük 2 stabil
- Leggyakoribb izotópok: Nitrogén-14 (előfordulása: 99,63%)
Háromféle halmazállapotban is megtalálható a Földön a nitrogén:
Nitrogéngáz
A nitrogéngáz rendkívül stabil kémiai tulajdonságú, színtelen, szagtalan, nem éghető, az égést nem táplálja.
Folyékony nitrogén
A nitrogén forráspontja -196 °C, ezért nehéz cseppfolyós állapotúvá tenni, viszont ebben az állapotában rendkívül jól szállítható, illetve kiváló hűtőanyag. A mélyhűtött, cseppfolyós gázt duplafalú, vákuumszigetelt tartályokban szállítják, illetve kisebb térfogat esetén orvostechnikai, vagy élelmiszeripari, laboratóriumi használatra az úgynevezett Dewar edényekben.
Nitrogénvegyületek
A nitrogén felfedezése előtt is tudták már, hogy léteznek vegyületek, anyagok a levegőben, melyek nem táplálják a tüzet (az égést) és belélegezve elpusztulnak az állatok. Nevezték fojtó levegőnek, égett levegőnek is.
Mi a nitrogén jelentősége a Föld életében?
Napjainkra a nitrogén gáz, illetve főképp a nitrogénvegyületek felhasználása az ipar és a mindennapi élet számtalan területén megtalálható. Mezőgazdaság, műtrágyagyártás, tűzvédelem, csomagolástechnika, hűtőipar, gyógyszergyártás, vegyipar, robbanóanyagok … elképesztően sok területen használunk nitrogént, köszönhetően – a nitrogénnek.
Ugyanis nitrogén nélkül élet sem volna.
A nitrogén az élet kulcsa
A nitrogén kulcsfontosságú eleme a nukleinsavaknak, vagyis a DNS-nek és az RNS-nek. A DNS egy olyan önreprodukcióra képes anyag, amely szinte minden élő szervezetben jelen van, mint a kromoszómák fő összetevője, és a genetikai információ hordozója.
Az RNS (Ribonukleinsav) egy, az élő sejtekben jelen lévő nukleinsav, amely a DNS utasításait hordozó hírvivőként működik, és amely minden biológiai molekula közül a legfontosabb ugyanis minden élőlény számára létfontosságú információkat hordoz.
A DNS hordozza a genetikai információt, azaz minden, az adott életforma kialakításának biológiai utasításait.
Mire használjuk a nitrogént?
A nitrogén felhasználása attól függ, milyen halmazállapotban van, illetve mely vegyületet alkotja.
Magát a tiszta nitrogén gázt leginkább a semlegessége, az éghetetlensége, stabilitása és az élő mikroorganizmusok elpusztítása miatt használják.
A leggyakrabban azonban az alábbi formákban ismerték már az ókortól kezdve:
- Salétromsav (HNO₃ kálium-nitrát),
- Királyvíz, az arany valódiságának kimutatására (salétromsav és sósav keveréke),
- Ammónia NH3,
- Ammónium-klorid (NH4Cl), más néven szalmiák só.
Napjainkban elsősorban az agrárium (növénytermesztés) és az ipar használja a nitrogén különböző vegyületeit vagy magát a tiszta gázt.
Széles körben elterjedt az alkalmazása a pozitív tulajdonságai miatt: kíméli a környezetet, tiszta formájában ártalmatlan az egészségre, olcsó előállítani és nem oxidáló szer. Főbb területei (forrás: Wikipédia):
- Inert, steril atmoszféra előállítására, tisztán vagy szén-dioxiddal keverve; hogy megőrizze a csomagolt vagy ömlesztett élelmiszerek frissességét (késlelteti az avasodást és egyéb oxidatív károsodásokat). A tiszta nitrogént, mint élelmiszer-adalékanyagot az Európai Unió az E941-es E-számmal jelöli
- A hagyományos izzólámpákban, mint az argon olcsó alternatívája
- Elektronikus alkatrészek, mint például tranzisztorok, diódák, és integrált áramkörök gyártásához
- Rozsdamentes acél gyártásához
- Tűzveszélyes folyadékokkal töltött tartályok tetején, biztonsági intézkedésként (nitrogénpárna)
- Közúti és légi járművek gumiabroncsainak töltésére
- Az üzemelés körülményeitől függően használják nem cseppfolyósodó inert gáztöltetként is, például légrugókban, tűzoltó palackokban
- Ammóniagyártáshoz.
Lássunk most a legfontosabb felhasználási módjait.
Nitrogén a növénytermesztésben
A nitrogén a növények üzemanyaga, amelyet azok aminosavak, fehérjék, klorofill, nukleinsavak és enzimek szintéziséhez használnak fel. A növényeknek minden más tápanyagnál és kémiai elemnél több nitrogénre van szükségük.
A növények a fejlődésükhöz szükséges nitrogént nem tudják egyszerűen a levegőből kivonni. Ahhoz, hogy a nitrogén a növények gyökerein keresztül felszívódjon, meg kell azt kötni, vagyis nitrát (NO3) vagy ammónium (NH4) ion formában kell azt a talajba vagy egyéb tápközegbe juttatni.
Míg az őshonos, vagyis a környezeti feltételekhez legjobban alkalmazkodott növényeket általában kevésbé érinti a nitrogénhiány, az olyan betelepített vagy ültetett növények esetében, mint például a zöldség- és gabonanövények, szükség lehet magas nitrogéntartalmú tápanyagpótlásra.
Nitrogén az élelmiszeriparban
A nitrogéngáz rendkívül jó csomagolási töltőanyag, könnyű, olcsó és környezet-semleges. A zacskós élelmiszerek, például a burgonyaszirom, őrölt kávé, müzli csomagolását is többnyire nitrogén gázzal fújják fel.
Ennek három kiemelt előnye van; egyrészt fizikai védelmet, egyfajta párnázatot ad a könnyen morzsolódó, törékeny terméknek, másrészt látszólagosan tömeget is növel, ami miatt azt többnek érzi a vevő. A nitrogén legfőbb pozitívuma azonban az, hogy az így lezárt csomagolásban védőgázként funkcionál, meggátolva a beltartalom esetleges avasodását, egyben steril környezetet is biztosít.
A hermetikusan lehegesztett csomagolásban akár évekig is kitarthat a védelem, ugyanakkor kinyitva a nitrogéngáz nyomtalanul elillan.
Nitrogéngáz a tűzvédelemben
A nitrogéngáz egy a gázzal oltó tűzoltórendszerek és tűzoltó berendezésekben használt, környezetbarát, nem éghető, Inert gáz, ami sokoldalúan használható. Biztonsággal alkalmazzák létfontosságú létesítményekben, lakóépületekben ugyanis nem csak az elektronikai berendezésekre, de az emberi életre is veszélytelen. A nitrogénes tűzoltó rendszerek tiszta nitrogént használnak, ez a légkörben is természetesen előforduló inert gáz.
A nitrogén tűzoltószerként az adott helyiségbe beáramolva az ott lévő oxigéntartalmat olyan szintre csökkenti, amelyen a tűz már kialszik, de még nem veszélyezteti az esetlegesen a helyiségben tartózkodó személyek biztonságát. A nitrogén mindeközben nem bomlik el, és a használata során, ha a nitrogéngáz tűznek van kitéve, nem keletkeznek melléktermékek sem.
Hogyan zajlik a nitrogén előállítása?
A nitrogéngáz nem tartozik a globális felmelegedést okozó gázok közzé és az ózonréteget sem károsítja. A nitrogéngáz még csak nem is egy másik gyártási folyamat mellékterméke, hanem egyenesen a levegőből állítják azt elő, és tűzoltóanyagként való felhasználását követően egyszerűen visszakerül a levegőbe.
A nitrogént általában kriogén úton vonják ki (vagyis hűtéssel cseppfolyósítják) a légköri levegőből. Becsült kiskereskedelmi ára 0,89-1,49 euró/gáz m3 között mozog. Tűzoltószerként a terek nitrogénnel történő védelmének átlagos költsége pedig 59,6-119,2 euró/ légtér m3. Ez az árbecslés tartalmazza a hatóanyag, a csővezetékek, a palack és az érzékelő-rendszer költségeit.
Mikor van rá szükség és milyen paramétereit érdemes mérni a nitrogénnek?
A nitrogént számos iparágban használják, többek között szivárgásvizsgálat alkalmával. A szivárgás mérése kiemelten fontos az ipari, gyártási folyamatok során, amelyekhez így magas minőségű szenzorokat és mérőberendezéseket használnak.
A nitrogén tökéletesen alkalmas a különböző szivárgásvizsgálatokhoz való felhasználásra, azonban a nitrogén talán legismertebb alkalmazási formája mégis annak a kőolajiparban a csővezetékek és tárolóedények nyomáspróbájához való felhasználása.
A nitrogén ugyanis egy szagtalan és alacsony nedvességtartalmú inert gáz, ami emiatt például problémamentesen alkalmazható a levegő vagy épp a víz nyomáspróbájához.
A nitrogén monitorozása szintén fontos az ipari gyártás során, de mivel költséges energiahordozó ezért az elosztása, a fogyasztások/áramlások mérése elengedhetetlen.
A nitrogén a hordozható nitrogéngenerátoroknak köszönhetően ideális a különböző helyszíneken végzett vizsgálatokhoz is. Ezek a generátorok lehetővé teszik, hogy akár korlátlan mennyiségű nitrogénkészletet lehessen kényelmesen és gazdaságosan előállítani ott, ahol éppen arra van szükség.
Milyen iparágakban fontos tényező a nitrogénszint?
Számos iparágban lényeges, hogy a vizsgálatok során pontosan meg lehessen határozni az elemi nitrogén koncentrációját.
Az élelmiszeriparban például a nitrogénvizsgálat segít meghatározni az egyes élelmiszerekben lévő fehérje mennyiségét, ami minőségellenőrzés során kiemelten fontos.
A növénytermesztés során és az ipari folyamatok esetében is jó szolgálatot tesznek a modern, nitrogénszintet is kimutató levegőminőség mérő berendezések.
A nitrogén és a steril tisztítás
A nitrogén-oxidot sterilizálásra is használják. A sterilizálási módszer során egy tartályból nitrogén-oxid folyadékot vezetnek be mintegy elgázosítva az adott teret vagy az ott elhelyezett eszközt. A sterilizálás során a nitrogén-oxid folyadékból elpárolgott nitrogén-oxid gáz megsemmisíti a baktériumokat és a vírusokat.
A nitrogén-oxidos sterilizálás így képes megakadályozni az egyes mikroorganizmusok által okozott fertőzések elterjedését például az emberi testben (steril szoba) valamint megóvni a finom precíziós műszereket, alkatrészeket a nem steril környezet okozta károsodásoktól.
Miért fontos az adagolása, áramlásának mérése, szabályozása?
A nitrogén különböző formákban kerülhet a levegőbe, a vízbe, és a talajba. Műtrágyaként például hosszú évtizedek óta szándékosan alkalmazzák a földeken. Azonban miután kibocsátottuk, formája különböző reakciók során megváltozhat, más és más vegyületté állhat össze a légkörben, a vizekben, a talajban és az élőlényekben.
Komoly erőfeszítésekre van szükség a nitrogénszennyezés szintjének megfelelő csökkentéséhez, és pontosan ezért szükséges folyamatosan monitorozni, mennyi nitrogén jut ki a természetbe akár gáznemű halmazállapotban, akár vegyületként.
GYIK
- Hol használják a nitrogént?
A nitrogént tiszta gázként vagy a különböző vegyületeit elsősorban az agrárium (növénytermesztésnél műtrágyaként) és az ipar használja mérőberendezésekben, villanyizzókban, steril környezet kialakításához, vagy akár tűzoltó berendezéseknél.
- Milyen százalékban van jelen a
levegőben?
A természetes légkör 78%-át nitrogén alkotja. Különös tény, hogy bár az ember által igényelt levegő legnagyobb része nitrogén és oxigén keveréke, a két gázt csak keverten, de nem vegyületként képes hasznosítani, azaz a nitrogén-dioxid káros az egészségre.
- Mi a szerepe az iparban?
A nitrogén tökéletesen alkalmas a különböző szivárgásvizsgálatokhoz való felhasználásra, ezenkívül töltőanyagként csomagolásokban, nyomáspróbáknál vagy akár steril tisztításhoz is, nitrogénoxidként. A tiszta nitrogén teljesen környezetbarát.
Kérdése van a témával kapcsolatosan? Vegye fel velünk a kapcsolatot …