Nitrogen

Nitrogen
	Basisdata
Navn	Nitrogen
Symbol	N
Atomnummer	7
Utseende	fargeløs
	Plass i periodesystemet
Gruppe	15
Periode	2
Blokk	p
Kjemisk serie	ikke-metall
	Atomegenskaper
Atomvekt	14,0067 u
Empirisk atomradius	65 pm
Kalkulert atomradius	56 pm
Kovalent atomradius	75 pm
Elektronkonfigurasjon	[He] 2s2 2p3
Elektroner per energinivå	2, 5
Oksidasjonstilstander	−3, +2, +3, +4, +5
Krystallstruktur	heksagonal
	Fysiske egenskaper
Stofftilstand	gass
Smeltepunkt	63,14 K (−210°C)
Kokepunkt	77,35 K (−195,8°C)
Molart volum	22,42 · 10−3 m³/mol
Tetthet	1,2506 kg/m³
Hardhet	ingen (gass)
Kritisk temperatur	126,21 K
Kritisk trykk	3,39 MPa
Fordampningsvarme	2,7928 kJ/mol
Smeltevarme	0,3604 kJ/mol
Damptrykk	? Pa
Lydfart	334 m/s
	Diverse
Elektronegativitet etter Pauling-skalaen	3,04
Spesifikk varmekapasitet	1 040 J/(kg·K)
Elektrisk ledningsevne	0 S/m
Termisk konduktivitet	0,02598 W/(m•K)
	SI-enheter & STP er brukt, hvis ikke annet er nevnt. MV = Manglende verdi.

Nitrogen eller tidligere kalt kvelstoff er et grunnstoff med kjemisk symbol N og atomnummer 7.

Historie

Nitrogen (fra latin nitrogenium, der nitrum (fra gresk nitron) betyr salpeter, og genium betyr «å danne») er formelt ansett for å ha blitt oppdaget av Daniel Rutherford i 1772. Det faktum at en andel av luft hindret forbrenning hadde vært kjent for kjemikere sent på 1700-tallet, og det ble av den grunn også kalt kvelstoff. Nitrogen ble også studert samtidig av Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish, og Joseph Priestley som refererte til gassen som «brent luft». Nitrogen var så inert at Antoine Lavoisier kalte den «azote» fra det greske ordet αζωτος som betyr «livløst». Dette navnet brukes fortsatt på fransk. Levende dyr ble kvalt i ren nitrogengass, og det gamle norske navnet «kvelstoff» kommer fra disse egenskapene.

Nitrogenforbindelser var kjent i middelalderen. Alkymistene kalte salpetersyre for aqua fortis (sterkt vann). De tidligste bruk av nitrogenforbindelsen inkluderer salpeter til svartkrutt, og senere til kunstgjødsel.

Egenskaper

Nitrogen er et ikke-metall som har gassform ved romtemperatur, og er fargeløs og luktfri. Mange organiske og uorganiske forbindelser inneholder nitrogen. Grunnstoffet kan ha flere ulike oksidasjonstall i forbindelser. Nitrogen har en elektronegativitet på 3,0. Det har fem elektroner i sitt ytre skall og er derfor trivalent i de fleste forbindelser. Trippelbindingen i molekylært nitrogen (N₂) er en av de sterkeste bindingene vi kjenner til. Molekylært nitrogen har vanskelig for å inngå i nye forbindelser, og nitrogenforbindelser har lett for å brytes ned slik at nitrogenet i forbindelsen går tilbake til nitrogen i molekylær form. Dette har hatt en dominerende innvirkning for den rolle nitrogenet spiller både i naturen og i økonomiske aktiviteter.

Ved atmosfærisk trykk kondenseres molekylært nitrogen ved 77 K (-195,8 °C, og fryser ved 63 K (-210,0 °C). Flytende nitrogen, en væske som minner om vann, med 80,8 % av dets densitet, er et vanlig kryogen.

Faremomenter

Gassen er ikke giftig, men den fortrenger luften og dermed oksygenet og forårsaker kvelning.

Gassen er luktfri og er i vanlig bruk i svært mange sammenhenger. Det som gjør oksygenunderskudd så farlig er at kroppen ikke gir noen pålitelige signaler om at det er for lite oksygen. Det er CO₂ (karbondioksid)-nivået i blodet som styrer åndedrettet, og ikke behovet for oksygen. Dette gjør at bevisstløshet inntreffer uten forvarsel, etterfulgt av kvelningsdød. Ved en slik ulykke må redningsmannskap ha en eller annen form for frisklufttilførsel. Det er ekstremt farlig å satse på at «jeg holder pusten og dette er fort gjort». Risikoen er da stor for at ikke bare én person omkommer, men redningsmannen også.

Isotoper

Naturlig forekommende nitrogen består av to stabile isotoper ¹⁴N (99,64 %) og ¹⁵N (0,36 %). I tillegg er 14 kunstig fremstilte ustabile (og dermed radioaktive) isotoper kjent. De mest stabile av disse er ¹³N med halveringstid 9,965 minutter, ¹⁶N med halveringstid 7,13 sekunder, og ¹⁷N med halveringstid 4,173 sekunder. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 1 sekund, og de fleste kortere enn 110 ms.^[1]

CAS-nummer: 7727-37-9

Forekomst

Nitrogen er den vanligste gassen i atmosfæren (ca. 78 %) fulgt av oksygen, men i jordskorpen er nitrogen ganske uvanlig med 25 gram per tonn.

Gass	Kokepunkt	Volumprosent i luften
Nitrogen	-196 °C	78,073 %
Oksygen	-183 °C	20,947 %
Karbondioksid	-78 °C	0,04 %
Edelgasser	varierer	0,94 %

Nitrogen framstilles gjennom fraksjonert destillasjon av flytende luft. Den utgjør et biprodukt ved den teknisk viktige framstillingen av oksygen. Ren nitrogen er derfor forholdsvis billig.

Viktige forbindelser

Organiske

Amid – en stoffgruppe
Amin – en stoffgruppe
Aminosyrer – en stoffgruppe

Uorganiske

Ammoniakk (NH₃)
Ammonium (NH₄)
Blåsyre eller hydrogencyanid (HCN)
Ulike nitrogenoksid
Salpetersyre (HNO₃)

Nitrogenets kretsløp

Planter, dyr og mennesker trenger nitrogen for oppbygning av proteiner og DNA/RNA. Nitrogen finner man også i klorofyll og en rekke andre biomolekyler. Selv om det meste av lufta består av nitrogengass N₂ (78 %), må alle planter ta opp nitrogen i form av nitrat (NO₃^-) eller som ammonium (NH₄⁺) fra jord og vann.

Siden begynnelsen av industrialiseringen har nitrogenforbindelser av forskjellige slag blitt sluppet ut i naturen. De største bidragene kommer fra forbrenning av fossile energikilder og kunstgjødsel. Som en samlebetegnelse på mange forbindelser snakker en om reaktivt nitrogen, noen eksempler er nitorgenoksider (NO_x), ammonium (NO₃), amoniumnitrat (NO₃^-) og lystgass (N₂O). Enkelt sagt har alle disse stoffene negative konsekvenser for miljø og mennesker om de ikke reagerer og blir til N₂. Konsekvenser er smogdannelse, dimming av troposfæren, forsuring av jord og vann, økt bioproduksjon i skog, på gressmarker og i hav som leder til eutrofiering (overgjøtsling).^[2]

Det lille kretsløpet

Når organismer dør blir de brutt ned av bakterier og sopp. Proteiner og nukleinsyrer blir spaltet til aminosyrer og nukleotider som bakteriene bruker til sin egen vekst, men det nitrogenet som blir igjen blir frigjort som ammoniakk, NH₃. Det frigjør vi også gjennom avføring og ved forbrenning av proteiner.

Ammoniakk er en svak base. Baser tar opp H⁺ (hydrogen-ioner) fra vann, så i vannløsninger vil ammoniakk foreligge som:

NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH^-(aq)

Dette tas opp av planter og kommer på den måten inn i næringskjeden igjen.

Nitrifiserende bakterier

Bakterier som omdanner ammoniakk (NH₃) til nitritt (NO₂^-) og nitrat (NO₃^-). Formålet er å skaffe seg energi til syntese av eget cellemateriale fra CO₂ og vann. Slike bakterier kan altså leve i mørke på bare uorganiske forbindelser, og tilhører de kjemoautotrofe organismene.

Denitrifiserende bakterier

Bakterier som omdanner nitrat (NO₃^-) til nitrogengass (N₂) eller lystgass (N₂O). Formålet er å skaffe seg oksygen til sin egen celleånding. Disse bakteriene kan fjerne næringsstoffene fra jordsmonnet og gjøre forholdene svært karrige etterhvert. Vi finner dem der det er lite oksygen til stede, for eksempel i myrer.

Nitrogenbindende bakterier

Bakterier som omdanner nitrogengass (N₂) fra lufta til ammoniakk (NH₃). Formålet er å skaffe seg nitrogenholdige forbindelser til oppbyggingen av egne celler. Til denne gruppa hører nitrogenfikserende blågrønnbakterier som vi finner bl.a. i rismarker, og i knoller på belgplanter. De nitrogenbindende bakteriene lever da i symbiose med planterøttene,- de forsyner seg selv og plantene med tilgjengelige nitrogenforbindelser, og mottar til gjengjeld energirike organiske forbindelser fra planten.

At belgplanter som kløver, erter og bønner forbedrer jorda, har man visst siden oldtiden. Ved å dyrke belgplanter på åkeren med jevne mellomrom og pløye dem ned, kan man tilføre jorda nitrogenforbindelser uten å bruke kunstgjødsel.

Klimapåvirkning fra nitrogen

De viktigste prosessene for direkte påvirkning mellom menneskeskapt reaktivt nitrogen og klimaet er: Utslipp av N₂O, som er en potent drivhusgass, hovedsakelig ved produksjon av kunstgjødsel og forbrenning. Utslipp av NO_x til atmosfæren som skaper ozon (O₃) i troposfæren som gir stor drivhuseffekt, men som også reduserer CH₄ og i tillegg bidrar til aerosoldannelse. En tredje prosess er utslipp av NO₃ i atmosfæren som også fører til dannelse av aerosoler. Aerosoler som har en nedkjølende effekt (reduksjon av strålingspådriv) i seg selv, samt at en indirekte nedkjølende effekt på grunn av skydannelse.^[2]

Anvendelse

Ammoniakk og nitrat blir brukt industrielt til å lage kunstgjødsel.
Innen vitenskapen blir flytende nitrogen brukt som kjølemiddel.
I industrien er det et stort antall anvendelser for nitrogen. Kjøling, frysing og pakking av næringsmidler, inertering offshore og i kjemisk industri, trykksetting osv.
Flytende nitrogen blir ofte brukt som kjøling innenfor ekstremoverklokking på PC.
Som erstatning for luft i dekk.
Nitrogenforbindelsen "Ammonium Nitrate Fuel Oil", ANFO-slurry benyttes som sprengstoff.

Referanser

^ Lawrence Berkeley National Laboratory – Isotoptabell for nitrogen Arkivert 12. august 2009 hos Wayback Machine.
^ ^a ^b Stocker et al: Fifth Assessment Report side 477.

Los Alamos National Laboratory – Nitrogen Arkivert 10. februar 2006 hos Wayback Machine.
Chemistry of the Elements, N. N. Greenwood and A. Earnshaw. ISBN 0-08-022057-6
Biochemistry, R.H. Garrett and C.M. Grisham. 2nd edition, 1999. ISBN 0-03-022318-0
Jahn, GC, LP Almazan, and J Pacia. 2005. Effect of nitrogen fertilizer on the intrinsic rate of increase of the rusty plum aphid, Hysteroneura setariae (Thomas) (Homoptera: Aphididae) on rice (Oryza sativa L.). Environmental Entomology 34 (4): 938-943. [1]
Butch Ward, Poynter Faculty, Al Tompkins – Nitrogen in your tires

Litteratur

Thomas F. Stocker, Dahe Qin, Gian-Kasper Plattner, Melinda M.B. Tignor, Simon K. Allen, Judith Boschung, Alexander Nauels, Yu Xia, Vincent Bex og Pauline M. Midgley (2013). Climate Change 2013, The Physical Science Basis – Working Group I. Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (PDF). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. ISBN 978-1-107-66182-0. doi:10.1017/CBO9781107415324. Arkivert fra originalen (PDF) 25. august 2017. Besøkt 25. august 2017.

Eksterne lenker

(en) Nitrogen – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
(en) Nitrogen – galleri av bilder, video eller lyd på Commons

Ordbokdefinisjonen av nitrogen i Wiktionary

[1] Lawrence Berkeley National Laboratory – Isotoptabell for nitrogen Arkivert 12. august 2009 hos Wayback Machine.

[Stocker477-2] Stocker et al: Fifth Assessment Report side 477.

[1]

[2]