Nitrogén

A nitrogén a periódusos rendszer V.A csoportjába tartozó nemfémes elemek egyike. Rendszáma 7, vegyjele N. Vegyértékelektron-szerkezete 2s22p3. A nitrogén elemi állapotban színtelen, szagtalan, íztelen, kevéssé reakcióképes kétatomos gáz. A Föld légkörének 78,09 térfogatszázalékát alkotja. A nitrogént 1772-ben fedezte fel Daniel Rutherford skót orvos, mikor rájött, hogy a levegőből elkülöníthető.

A nitrogén az univerzumban gyakran előforduló elem, becslések szerint a galaxisunkban és a Naprendszerben a hetedik leggyakoribb elem. A szupernóvákban szén és hidrogén fúziójával szintetizálódik. Az elemi nitrogén, illetve a hidrogénnel és oxigénnel alkotott vegyületei illékonyságuk miatt sokkal kevésbé gyakoriak a Naprendszer belső kőzetbolygóin; egészében véve a nitrogén viszonylag ritka elem a Föld kérgében. Azonban – mint a Földön – a nitrogén és vegyületei gázhalmazállapotban gyakran előfordulnak a légkörrel rendelkező bolygók és holdak atmoszférájában.

Számos iparilag fontos vegyület, mint például az ammónia, a salétromsav, a szerves nitrátok (hajtógázok és robbanóanyagok), és a cianidok is tartalmaznak nitrogént. Az elemi nitrogénben lévő rendkívül erős kötés meghatározó jelleggel bír; nehézséget okoz az organizmusoknak és az iparnak egyaránt, hogy a N2 gázt hasznos vegyületekké alakítsa, ugyanakkor gyakran hasznos, nagy mennyiségű energia szabadul fel, amikor ezek a vegyületek elégnek, felrobbannak, vagy nitrogéngázra bomlanak vissza. A szintetikusan előállított ammónia és nitrátok kulcsfontosságú ipari műtrágyák; azonban ezek egyben a legfőbb szennyező anyagok is, melyek a vizek eutrofizációját okozzák.

A legfőbb felhasználási területeken kívül a nitrogénvegyületek sokoldalú szerves anyagok. A nitrogén alkotóeleme olyan változatos anyagoknak, mint a kevlár szövet és cianoakrilát ragasztó. A nitrogén összetevője minden nagyobb farmakológiai gyógyszer osztály – beleértve az antibiotikumok – molekuláinak is. Számos készítmény elő-gyógyszere, vagy imitációja a természetes nitrogéntartalmú jelző molekuláknak: például a szerves nitrátok közé tartozó nitroglicerin és a nitroprusszid képes a vérnyomás kontrollálására, mert azok metabolitja a természetes nitrogén-monoxid. A növényi alkaloidok (gyakran a növény védelmére szolgáló vegyületek) is tartalmaznak nitrogént, így sok jelentős nitrogéntartalmú gyógyszer – mint például a koffein és a morfin – hatással van az állati neurotranszmitterek receptoraira.

Nitrogén előfordul minden élő szervezetben, elsősorban az aminosavakban (és így fehérjékben), valamint a nukleinsavakban (DNS és RNS). Az emberi test mintegy 3 tömegszázalék nitrogént tartalmaz, ezzel az oxigén, a szén és a hidrogén után a negyedik leggyakoribb elem az emberi testben. Az elem mozgását a levegőből a bioszférába és a szerves vegyületekbe, majd onnan vissza a légkörbe a nitrogénciklus írja le.

Története és etimológiája bélyegkép|balra|220px|Nitrogéntöltetű kisülési cső

Régi magyar neve: légeny vagy azót.

A nitrogént hivatalosan Daniel Rutherford skót orvos fedezte fel 1772-ben, aki „kártékony levegőnek” (noxious air) vagy „rögzített levegőnek” (fixed air) nevezte azt. Rutherford számára ismert volt az a tény, hogy a levegő olyan összetevője, amely nem táplálja az égést. Körülbelül ugyanabban az időben Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish, és Joseph Priestley is vizsgálta nitrogént; ők „megégett levegőként” vagy „flogisztikálódott levegőként” utaltak rá. A nitrogéngáz eléggé közömbös volt, belélegezvén az állatok elpusztultak, és a tűz kialudt benne; így Antoine Lavoisier úgy hivatkozott rá, mint „fojtó levegő” illetve „azote”; a görög ἄζωτος (azotos) szó után, melynek jelentése élettelen.Elements of Chemistry, trans. Robert Kerr (Edinburgh, 1790; New York: Dover, 1965), 52. Lavoisier kifejezése a nitrogénre széles körben elterjedt; Magyarországon az „azotum”, „azót” kifejezésekkel illették, olyan szavak mellett, mint a „fojtós matéria, „fojtószer” és „fullasztó”. A nyelvújítás idején, a magyar kémiai műnyelv létrehozására irányuló erőltetett törekvések vezettek a „légeny” szó megszületéséhez; ám ez sok más szóval egyetemben nem honosodott meg, a tudomány képviselői idővel visszatértek a nemzetközi kifejezésekre.

A ma is használatos nitrogén elnevezés a francia nitrogène szóból származik, amelyet 1790-ben alkotott meg Jean-Antoine Chaptal (1756–1832) francia kémikus, a görög nitron (nátrium-karbonát) és a francia gène (termelő) szavakból. A nitrogént megtalálták a salétromsavban; Chaptal felfogása szerint a nitrogéngáz a salétromsav alapvető része volt. (A salétromsav salétromból (kálium-nitrát) származtatható, melynek régebbi elnevezését (nitre) nátrium vegyületekre is használták).

A nitrogén vegyületei már a középkorban is jól ismertek voltak. Az alkimisták a salétromsavat aqua fortis (erős víz) néven ismerték. A salétromsav és a sósav elegyének neve aqua regia (királyvíz) volt, mert arról volt híres, hogy feloldotta az aranyat (a fémek királyát). A legkorábban katonai, ipari, és mezőgazdasági célokra felhasznált nitrogénvegyület a salétrom volt (nátrium-nitrát és kálium-nitrát), elsősorban puskaporként, majd műtrágyaként hasznosították. 1910-ben John William Strutt felfedezte, hogy egy elektromos kisülés a nitrogéngázban „sárga fényben ragyogó, örvénylő felhő” formájában „aktív nitrogént” eredményez, amely egy egyatomos allotrop módosulatnak tekinthető. Az aktív nitrogén reagált a higannyal, robbanásveszélyes higany-nitridet alkotva.Lord Rayleigh's Active Nitrogen . Lateralscience.co.uk. Hozzáférés ideje: 2011-10-26.

Előállítása A nitrogéngáz ipari gáz, amelyet cseppfolyós levegőből frakcionált desztillációval vagy gáz-halmazállapotú levegőből mechanikus úton állítanak elő (pl. túlnyomásos fordított ozmózisos membrán vagy nyomásadszorpció (pressure swing adsorption) révén). A kereskedelmi nitrogén gyakran az acélgyártáshoz szükséges oxigénkoncentrációt megteremtő iparilevegő-feldolgozás mellékterméke. Palackba sűrítve gyakran nevezik OFN-nek (oxigénmentes nitrogén).

Laboratóriumi körülmények között előállítható például ammónium-nitrit hevítésével, vagy ammónium-klorid vizes oldatának és nátrium-nitrit reakciójával.

Ez utóbbi reakcióban kis mennyiségben NO- és HNO3-szennyeződés is keletkezik. A szennyeződések eltávolíthatók, ha a gázt kálium-dikromát-tartalmú vizes kénsavoldaton vezetik át. Nagyon tiszta nitrogén állítható elő bárium-azid vagy nátrium-azid termikus bontásával.

Tulajdonságai bélyegkép|220px|jobbra|A nitrogén elektronszerkezete A nitrogén nagy elektronegativitású () nemfémes elem. Vegyértékhéján öt elektron található, ennek következtében a legtöbb vegyületében három vegyértékű. Molekulája kétatomos (N2), benne háromszoros kovalens kötés van, melyből egy szigma-kötés és kettő pi-kötés. Ez a hármas kötés az egyik legerősebb. Nem táplálja az égést. Ennek a kötésnek az erőssége meghatározó a természeti és az emberi gazdasági tevékenységek szempontjából, mert megnehezíti a nitrogéngáz más vegyületekké alakítását, de megkönnyíti azok ismételt N2 gázzá alakítását (ez nagy energiafelszabadulással jár).

Légköri nyomáson a molekuláris nitrogén forráspontja 77 K (); olvadáspontja pedig 63 K (); szilárd halmazállapotban allotrop kristályszerkezete béta hexagonális. 35,4 K () alatt a nitrogén köbös kristályszerkezetű allotrop módosulatként van jelen (úgynevezett alfa-fázis). A cseppfolyós nitrogén egy a vízhez hasonló megjelenésű folyadék, ismert kriogén anyag; sűrűsége a vízének 80,8 százaléka (a folyékony nitrogén sűrűsége a forrásponti hőmérsékleten .

A nitrogén kettőnél több atomot tartalmazó allotrop módosulatait, mint például az N3 és N4, laboratóriumban sikerült előállítani. Rendkívül magas nyomáson (1,1 atm) és magas hőmérsékleten (2000 K) a nitrogén egyszeres kötésű, szinklinális (gauche) köbös kristályszerkezetű anyaggá polimerizálódik. (Ilyen körülményeket gyémánt üllővel lehet előállítani). Ez a struktúra nagyon hasonló a gyémántéhoz, mindkettő rendkívül erős kovalens kötéseket tartalmaz; ezért az N4 beceneve a „nitrogén gyémánt”.

Egyéb (még nem szintetizált) allotrópjai közé tartozik a hexazin (N6, a benzolgyűrű analogonja), és az oktaazakubán (N8, a kubán analogonja). Az előbbiről azt feltételezik, hogy rendkívül instabil; míg az utóbbi az előrejelzések szerint kinetikailag stabil, a molekula szimmetriájából adódóan.

Izotópjai

bélyegkép|balra|250px|A CNO-ciklus áttekintése

A nitrogénnek két stabil izotópja létezik: 14N és 15N. Messze a leggyakoribb a nitrogén-14 (99,634 %), amely a csillagokban termelődik a CNO-ciklus során. A tíz szintetizált izotóp közül a 13N felezési ideje durván tíz perc, míg a többi nem-stabil izotópé másodperc nagyságrendű.

A biológiailag közvetített reakciók (pl. asszimiláció, nitrifikáció és denitrifikáció) határozott ellenőrzés alatt tartják a talaj nitrogéndinamikáját. Ezek a reakciók általában a talaj 15N-dúsulását és a termékek kimerülését eredményezik.

A Föld légkörében lévő molekuláris nitrogén egy kis része (0,73 %) a 14N15N izotopológ (ez tehát két különböző nuklidot tartalmazó nitrogénmolekula); míg a fennmaradó rész szinte teljes egészében 14N2.

A 16N radioizotóp a domináns radionuklid a nyomottvizes, illetve a forralóvizes reaktorok hűtőfolyadékában, azok normál működése esetén. A vízben lévő oxigén-16-ból keletkezik (n,p) reakció révén. Rövid, körülbelül 7,1 másodperces felezési ideje van, de miközben oxigén-16-tá bomlik vissza, nagy energiájú (5–7 MeV) gamma-sugárzást bocsát ki. Emiatt a nyomottvizes reaktor primer hűtőközegének hozzáférhetőségét a reaktor működése alatt korlátozni kell. A nitrogén-16 az egyik legfontosabb alkalmazott eszköz, amellyel a primer hűtőkör szekunder gőzkörbe való csekély szivárgását is azonnal észlelni lehet.

Hasonlóképpen korlátozni kell működés közben a forralóvizes reaktorú atomerőmű gőzköreinek bármelyikének összetevőihez való hozzáférést. A kondenzátorból származó kondenzátumot általában tíz percig állni hagyják, hogy lehetővé tegyék a nitrogén-16 elbomlását. Ez szükségtelenné teszi a tápvíz csővezetékek és szivattyúk leárnyékolását, és a hozzáférésük korlátozását.

Elektromágneses spektruma 220px|bélyegkép|jobbra|Egy üvegcse ultratiszta, izzó nitrogéngáz (<N2)

A molekuláris nitrogén (14N2) nagy mértékben átlátszó az infravörös és látható tartománybeli sugárzás számára, mivel a dipólusmomentuma nulla, és így nem tud kölcsönhatásba lépni az ilyen hullámhosszúságú elektromágneses sugárzással. Ugyanakkor jelentős abszorpció figyelhető meg extrém ultraibolya hullámhosszokon, mintegy 100 nanométertől kezdődően. Ez szorosan összefügg a molekula olyan állapotai közötti elektron-átmenetekkel, melyek során az elektronok nem egyenlő mértékben oszlanak meg az atomok között. A nitrogén abszorpciója vezet a Föld, illetve más bolygók felső légkörében az ultraibolya sugárzás jelentős elnyeléséhez. Ez a jelenség megvédi a földi életet a halálos sugárzásoktól, azonban zavaró körülmény a csillagászati képalkotások során. Hasonló okokból a tiszta molekuláris nitrogén lézerek jellemzően az ultraibolya tartományban bocsátanak ki fényt.

A nitrogén hozzájárul a sarki fény kialakulásához, annak révén, hogy nagy energiájú elektromágneses sugárzás hatására a nitrogén elektronjai magasabb héjakra ugranak (az atom gerjesztett állapotba kerül), majd innen fénykibocsátás mellett alapállapotba kerül vissza (az elektronok alacsonyabb héjakra ugranak). A Föld felső légkörének kék ragyogását (földfény), és a légkörbe belépő űrhajók ablakában látszódó kékes izzást jellemzően nem a molekuláris nitrogén, hanem az oxigénnel egyesülő szabad nitrogénatomok okozzák, mely folyamatban nitrogén-monoxidot (NO) képeznek.

A nitrogéngáz is mutat szcintillációt.

bélyegkép|550px|center|A nitrogén spektruma

Reakciói bélyegkép|150px|jobbra|Az N2 szerkezete