Mi a nitrogén? Mire lehet használni? Mennyire káros a nitrogén?

A nitrogén adja a légkör legnagyobb részét, a levegő alatt mégis az oxigént értjük hétköznapi szövegkörnyezetben. Hacsak valaki nem foglalkozik az agráriummal, a nitrogén ritkán jön elő beszédtémaként, pedig egy kifejezetten fontos, mondhatni, létfontosságú elemről beszélünk.

A nitrogén ugyanis a barátunk, persze, csak képletesen szólva. Mégis azt mondhatjuk, hogy nitrogén nélkül aligha volna élet a Földön.

Mi a nitrogén? Hol található meg elemi állapotában?

Azok kedvéért, akiknek már megkopott a kémia tudása (vagy még csak most fognak megismerkedni ezzel a csodálatos tudományággal), jöjjön egy gyorstalpaló.

A nitrogén vegyjele N, rendszáma 7 (azaz hetedik a periódusos rendszerben és hét proton található az atommagjában). Molekulaszerkezete N2, ahol a két nitrogén atomot háromszoros kötés tartja össze: |N ≡ N|.

Elemi állapotában színtelen, szagtalan, íztelen és standard körülmények között többnyire inaktív kétatomos gáz, amely a Föld légkörének 78,09 térfogatszázalékát adja. Azaz minden lélegzetvételnél egy liter levegővel gyakorlatilag nyolc deciliter nitrogént lélegzel be illetve fújsz ki.

A levegőn kívül rengeteg helyen megtaláljuk még, hiszen – becslések szerint – a világegyetem hatodik leggyakoribb eleme. Ott van a földkéregben, a vízben oldva és számos élő szervezetben is megtalálható.

A nitrogén számos vegyületben, például nitrátokban és nitritekben is megtalálható, amelyek fontosak a növények növekedése és az ökoszisztémák egészsége szempontjából.

Milyen tulajdonságai vannak a nitrogénnek?

A nitrogén, bár nem tartozik a nemesgázok közé, meglehetősen közömbös elem – azaz elég nehéz reakcióra bírni.

Az igen erős háromszoros kötést csak nagy energia hatására lehetne felszakítani: például az oxigénnel se nagyon vegyül (ez kifejezetten jó, mert a nitrogén-monoxid és a nitrogén-dioxid is mérgező számunkra), több mint 3000 °C-os hőmérséklet szükséges hozzá – vagy nitrogéngyűjtő baktériumok enzimjei.

Ezek a kis fickók tényleg nem semmik, szobahőmérsékleten elvégzik azt, amihez egyébként az ívfény, vagy a villámlás forrósága szükséges.

A nitrogén azonban az élet minden formája számára nélkülözhetetlen elem, hogy mást ne mondjunk, a DNS és az RNS kulcsfontosságú összetevője, de emellett a nitrogén számos vegyületben, például nitrátokban és nitritekben is megtalálható, amelyek fontosak a növények növekedéséhez és az ökoszisztéma egészségéhez.

Emellett az iparban is nélkülözhetetlen, sőt már évtizedek óta az agrárium egyik legfontosabb kémiai eleme.

Nitrogén kisokos
atomszám	7
atomsúly	14,0067
olvadáspont	-209,86 °C (-345,8 °F)
forráspont	-195,8 °C (-320,4 °F)
sűrűség (1 atm, 0° C)	1,2506 gramm/liter
szokásos oxidációs fokozatok	-3, +3, +5
elektronkonfiguráció	1s22s22p3

Milyen felhasználási területei vannak a nitrogénnek?

A nitrogént számos területen alkalmazzuk, már eltekintve a közvetlen életbenmaradástól. A legismertebbek az alábbiak:

• Műtrágyagyártás,
• Vegyipari felhasználás,
• Hűtőközegként való használata,
• Orvosi felhasználás,
• Autóverseny,
• Tűzijátékok,
• Általában ahol sűrített levegőt is használnak.

A műtrágyagyártást kicsit később részletesebben kifejtjük, mert elég komoly következményei vannak a műtrágya fokozott és általános alkalmazásának. Most röviden: a nitrogén ugyebár a növények növekedéséhez nélkülözhetetlen tápanyag, és a nitrogénalapú műtrágyákat széles körben használják a terméshozamok javítására. A nitrogénműtrágyák ammónium-nitrátból vagy karbamidból készülhetnek, de mindkettőhöz alapvetően nitrogéngáz szükséges.

Vegyipari felhasználás: az ammónia

A nitrogént ammónia előállításához használják, amelyből utána műtrágyát, robbanóanyagokat és más vegyi anyagokat gyártanak. A nitrogénből salétromsavat is előállítanak, amelyet ugyancsak műtrágya, robbanóanyag és színezékek gyártásához használnak.

A robbanékonyságának látszólag ellentmond, hogy a tiszta nitrogént elsősorban hűtésre használják, folyékony állapotában. Ezenkívül a nitrogénnek köszönhetjük a Nobel-díjat is. Persze, csak közvetve.

Nitrogén nélkül nincs Nobel-díj

A nitrogénből már viszonylag korán nitroglicerint (tudományosabb néven glicerin-trinitrátot) hoztak létre, ami egy rendkívül robbanékony anyag lett – és ez rengeteg sérüléshez vezetett. Alfred Nobel viszont felfedezte, hogy ha kovafölddel keveri, akkor stabilizálja az anyagot, viszont még mindig gyúlékony marad.

Ez az anyag lett a trinitrotoluol, jól ismert rövidítéssel TNT, amiből a dinamit is készült, megreformálva az egész bányaipart. Nobel meggazdagodott és díjat alapított, amit azóta is a legkiválóbb tudósok kaphatnak meg.

A nitrogénnel gyógyítani is lehet

A nitrogént az orvostudományban számos gyógyszer alkotóelemeként használják fel, például nitroglicerin formájában, amelyet az angina pectoris és a szívelégtelenség kezelésében az erek tágítására használnak. A dinitrogén-oxidot enyhe érzéstelenítőként is használják.

Gumiabroncsok felfújása nitrogénnel

A nitrogént a gumiabroncsok felfújására használják, mivel száraz és nem gyúlékony gáz, valamint a hőmérséklet-változás hatására sokkal kevésbé tágul és húzódik össze, mint a levegő, ami segít egyenletesen tartani a gumiabroncsok nyomását.

Tegyük hozzá, ennek majdhogynem nulla szerepe van a hétköznapi autók esetében: az a minimális nyomáskülönbség, ami egy átlag 30-40 km/h-val közlekedő személyautónál tapasztalható, nagyjából semmit sem jelent.

A versenyeken azonban, ahol pár százalék eltérés már érdemben befolyásolja a futamidőt, értelmet kap a levegő helyett tiszta nitrogént használni.

Mire használják a folyékony nitrogént?

A nitrogén viszonylag alacsony hőfokon már gázneművé válik, ezért a folyékony halmazállapot eléréséhez rendkívül alacsony hőmérsékletre (-196 °C vagy -320 °F) hűtik le, majd sokszorosan szigetelt tárolókba töltik, méghozzá jó okkal: mert olcsó, gáz formájában (ha van mellett elég oxigén is, mert persze önmagában a tiszta nitrogén fulladást okozhat) az élőlényekre veszélytelen, kiváló hűtőközeg.

Földi körülmények között cseppfolyósításnak nevezett eljárással lehet elérni, amelynek során a nitrogéngázt hőcserélők, kompresszorok és tágítók sorozatán vezetik át, hogy fokozatosan lehűtsék és összenyomják a gázt. A folyamat jellemzően több lépést és hűtési ciklusok kaszkádját foglalja magában a folyékony nitrogénhez szükséges alacsony hőmérséklet eléréséhez.

A folyékony nitrogént gyakorta alkalmazzák kriogén céllal, általában szupravezetők és más anyagok rendkívül alacsony hőmérsékletre hűtésére. A nitrogént biológiai minták, például vér- és szövetminták alacsony hőmérsékleten történő tartósítására is használják – és ebből fakadóan a nitrogént élelmiszer tartósítására és hűtőközegként is használják a különféle hűtőrendszerekben.

Az orvostudományban a folyékony nitrogént krioterápiára használják a bőrelváltozások, például a szemölcsök eltávolítására, valamint a rákot megelőző és rákos sejtek eltávolítására.

Fém zsugorítása: A folyékony nitrogént fémek zsugorítására használják gyors lehűtés és a fém összehúzódása révén.

Mennyire hatékony a nitrogén műtrágya?

A nitrogénalapú műtrágyák nagyon hatékonyak és jól használhatók a terméshozamok javításában és az élelmiszer-termelés növelésében. Ennek fő oka a nitrogén már említett szerepe a természetben: éppen úgy elengedhetetlen anyag a növények növekedése során, mint a szén.

Normális esetben, a nitrogén körforgás révén, a termőtalajban folyamatosan megújul a nitrogéntartalom, így a növények újabb és újabb nemzedékei elegendő mennyiséghez juthatnak.

Eltekintve a természetben is előforduló különböző krízishelyzetektől (aszály, árvíz, talajerózió, stb.), az intenzív, mélyszántásos, monokultúrás növénytermelés is durván rombolja a talaj termőképességét. Az ökológiai gazdálkodás szerepe többek között éppen emiatt értékelődik fel.

Csakhogy ha nincs mód természetbarát módon gazdálkodni, marad a műtrágyázás: a nitrogénalapú műtrágyák használata segíthet abban, hogy a növények elegendő nitrogénhez jussanak a növekedéshez és a magas terméshozamhoz.

A nitrogénalapú műtrágyák hatékonysága és felhasználhatósága azonban több tényezőtől is függhet, például a talaj típusától, a termény típusától és a kijuttatás módjától. A nitrogénalapú műtrágyák a nagy nitrogénigényű növények, például a kukorica, a búza és a rizs esetében a leghatékonyabbak. Egyes növények, például a hüvelyesek azonban nem igényelnek annyi nitrogént a talajban.

Milyen veszélyei vannak a nitrogén használatának?

A nitrogén használatához számos veszély társul. Ami az egyénre közvetlenül a legsúlyosabb hatással bír, az a fulladásveszély: a nitrogén szagtalan, íztelen és színtelen gáz, amely képes kiszorítani az oxigént egy viszonylag jól szigetelt belső tér (például tartályok vagy silók) levegőjéből.

Ennél sokkal gyakoribb, hogy a nitrogén három másik mód egyikeként okoz kárt:

1. légszennyező anyagként
2. műtrágya részeként
3. robbanószer részeként.

A nitrogén vegyületei károsíthatják a természetet

A nitrogénvegyületek, mint például a nitrátok és nitritek, károsak lehetnek a környezetre, ha a növények nem használják fel hatékonyan, és az esővíz kimossa a föld felső rétegéből, és vagy folyóvízbe mossa, vagy bekerül a talajvízbe. A levegőbe kerülve a szmog és a savas eső kialakulásában is szerepet játszik.

A nitrogén vegyületei rákot is okozhatnak

A nitrátok és nitritek a természetben a talajban, a vízben és egyes élelmiszerekben fordulnak elő. Az ivóvízzel és más táplálékforrásokon keresztül a szervezetbe kerülve a nitrát és a nitrit aminokkal és amidokkal reakcióba lépve N-nitrozovegyületeket (NOC) képezhet, amelyekről ismert, hogy állatokban rákot okoznak, és emberekben is rákot okozhatnak.

A túlzott nitrit- vagy nitrát-expozíció akut szerzett methemoglobinémiát is eredményezhet, egy olyan vérrendellenességet, amelynek következtében a vér elveszíti az oxigénszállító képességét a szövetekhez (anoxia). Ez különösen a 4 hónaposnál fiatalabb csecsemőknél veszélyes.

A nitrogén vegyületei robbanásveszélyesek lehetnek

Ráadásul az ammónia alapú műtrágya önmagában is robbanékony – a legsúlyosabb katasztrófa Bejrútban, 2020-ban következett be, amikor közel 2750 tonna (2,75 kilotonna) ammónia-nitrát műtrágya robbant fel. A robbanásról készült videó a Twitteren elérhető a mai napig.

2750 tonna ammónium-nitrátot tároltak a raktárban már hat éve, bármiféle biztonsági intézkedés nélkül. A jelek nem utalnak arra, hogy valaki szándékosan idézte elő a detonációt – ám ettől még az épület, amely kigyulladt, eltűnt, helyén kráter van, amelybe beömlött a tenger.

Mit kell tudni a nitrogén-dioxidról és a nitrogén-oxidról?

A nitrogén-dioxid (NO2) egy nitrogén- és két oxigénatomból álló kémiai vegyület. Szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú, vörösesbarna színű. A nitrogén-dioxid mérgező gáz és gyakori légszennyező anyag, amely fosszilis tüzelőanyagok, például szén, olaj és földgáz elégetésekor keletkezik. A belső égésű motorok terméke is.

A légkörben a nitrogén-dioxid salétromsavvá (HNO3) és nitrátokká (NOx) alakulhat, amelyek a fentebb említett módokon károsak lehetnek az emberi egészségre és a környezetre. A nitrogén-dioxid hozzájárulhat a talajközeli ózon kialakulásához is, amely a szmog egyik fő összetevője. A nitrogén-dioxidnak való kitettség légzőszervi problémákat okozhat, például köhögést, légszomjat és zihálást. A hosszú távú expozíció a légúti fertőzésekre, például az influenzára és a hörghurutra való fokozott fogékonysághoz is vezethet. A gyermekek, az idősek és a már meglévő légzőszervi betegségben szenvedők különösen érzékenyek a nitrogén-dioxid hatásaira.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, szövegíró. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.