Det meste er nitrogen

Vi lever i en atmosfære med masser af nitrogen – ikke desto mindre er nitrogen et forholdsvis anonymt grundstof. Det er lidt synd – for nitrogen har masser af gode egenskaber. Og trods sit dystre kaldenavn, kvælstof, er det i øvrigt livsvigtigt.

En lille ampul med sædceller sænkes ned i en stålbeholder fyldt med flydende nitrogen. Det damper op fra beholderen og ser i det hele taget lidt science fiction-agtigt ud, men egentlig er det blot et eksempel på anvendt biokemi.
For biokemikeren ved, at sædcellerne tåler det iskolde møde med flydende nitrogen, og at sæden i nedfrosset tilstand kan overleve i mindst fem år.

At nitrogenen stammer fra luften, er næppe noget personalet i sædbanken til hverdag spekulerer på. For dem er flydende nitrogen blot et vigtigt hjælpestof, ligesom det er for en lang række andre virksomheder. Mange af dem udnytter netop flydende nitrogens formidable evne til at køle. Nitrogen koger ved minus 196°C, det overgår med andre ord fra flydende fase til gasfase ved denne meget lave temperatur. Til sammenligning koger vand som bekendt ved plus 100°C – så der er altså næsten 300°C til forskel! Og når flydende nitrogen koger, bruger det energi – masser af energi. Energien stjæler det fra omgivelserne, som på den måde bliver kolde. Meget kolde endda. Teknikken bliver f.eks. brugt i stor skala til at dybfryse jord, når der skal foretages store anlægsarbejder under jorden. Den frosne jord bliver stenhård, og på den måde hindrer man effektivt grundvand i at trænge ind. Metoden blev bl.a. anvendt under Metrobyggerriet i København.

Indgår nødig forbindelser

Langt det meste af den luft, vi indånder, består af nitrogen. Nitrogen er et grundstof, og ca. 78% af atmosfæren består af dette grundstof – i tidernes morgen var indholdet endda meget højere.

Nitrogen lever på mange måder en lidt anonym tilværelse. Luftens nitrogen er (heldigvis!) usynligt, det lugter ikke af noget, det smager ikke af noget, og det kan ikke brænde. Ikke engang når det køles så langt ned, at det bliver flydende, bliver dets udseende specielt påfaldende, for så bliver det bare til en farveløs væske.

Kemisk set er nitrogen også lidt genert, hvis man da kan bruge et så menneskeligt udtryk om et grundstof. Fakta er, at nitrogen ikke er meget for at indgå forbindelser med andre stoffer. Faktisk er det så tilbageholdende, at kemikerne næsten betragter det som en ædelgas – en ædelgas er en gas, der netop er kendetegnet ved sin stabilitet og sin uvillighed til at danne kemiske forbindelser.

Denne egenskab ved nitrogen bliver også udnyttet industrielt. Når der på en fødevare står ”Pakket i beskyttet atmosfære”, er hovedbestanddelen ofte nitrogen. For når varen først er omgivet af sin egen lille atmosfære af rent nitrogen, er den godt beskyttet mod angreb fra bakterier og andre mikroorganismer, da de som regel skal bruge oxygen for at overleve. I mange dele af industrien anvendes gasformig nitrogen således til fortrængning af luftens oxygen, hvilket benævnes inertering. Det sker ligeledes i den petro-kemiske industri (olie/benzin), hvor tilførsel af nitrogen eliminerer brand- og eksplosionsfare ved at fortrænge oxygen fra tanke og rør.

Et kredsløb på Jorden
Trods sin uvillighed indgår nitrogen dog forbindelser med visse andre stoffer. Og godt det samme. For nitrogen er en af livets byggesten og indgår bl.a. som en meget vigtig bestanddel af proteiner. Men det har været svært for naturen at udvikle metoder, der kan vriste nitrogen fra atmosfæren – klodens store lager for nitrogen.

En af dem er – tro det eller lad være – tordenvejr. Et lyn varmer den omgivende luft så meget op, at nitrogenen populært sagt glemmer sin generthed og indgår kemiske forbindelser med oxygen. Den bliver til nitrater, som planterne kan bruge. Også ved vulkanudbrud sendes der nitrogenforbindelser ud i atmosfæren.

Men det er trods alt begrænset, hvor meget tilgængeligt nitrogen, der dannes af lyn og vulkaner, og derfor har en række planter selv taget affære. De har udviklet evnen til at trække nitrogen ud af luften. Eller rettere: De har gjort sig til værter for nogle bakterier, der er i stand til at fiksere nitrogen fra atmosfæren. Bakterierne sidder typisk i plantens rodknolde. I alt findes der omkring 190 slags planter, der mestrer dette magiske trick – nogle af de mest kendte er ærter og bønner. Takket være disse planter findes der et velfungerende biologisk kredsløb for nitrogen. Via planterne bliver nitrogenen bygget ind i proteiner, som spises af dyr – eller af os! Via urinen udskilles såkaldt urinstof, og det indeholder – gæt engang – ja, rigtigt: Nitrogen. Men denne er stadig kemisk bundet, og først når urinen er nedbrudt, bliver nitrogenen leveret tilbage til atmosfæren med tak for lån.

Undervejs kan for store mængder nitrogen dog skabe ubalance, for nitrogen er en effektiv gødning, der kan få alger til at blomstre op i søer, fjorde og havet.

Luften er råvare

Industrielt kaldes nitrogen for en luftgas. Navnet henviser til, at gassen er en af dem, almindelig luft er opbygget af, men også til, at gassen kan fremstilles med ganske almindelig luft som råvare. Det sker gennem trinvis sammenpresning og afkøling af luften ved en proces, der kaldes Linde-processen. Til sidst er luften så kold, at den bliver til væske – og så kan nitrogen separeres fra de øvrige luftgasser, oxygen og argon.

Tidligere, hvor det var teknisk umuligt at fremstille nitrogen, anvendtes “endogas”: luften fra en forbrænding af eksempelvis bygas, hvor iltindholdet efter forbrændingen er meget lavt, og endogassen således inaktiv. Større industrier var i besiddelse af endogas-generatorer på fabrikken, hvor nitrogen nu fremstilles centralt og distribueres til de forskellige fabrikker.

Såvel gasformig som flydende nitrogen får flere og flere anvendelser. Gasformig nitrogen benyttes generelt i processer, hvor tilstedeværelsen af oxygen medfører uønskede kemiske reaktioner. Flydende nitrogen benyttes til køling og frysning, hvor denne fortræffelige evne bl.a. bruges i forbindelse med genbrug af materiale fra bildæk; den stærke kulde gør gummiet skørt som glas, hvorefter dækkene knuses til et granulat, som sorteres i gummi, stål og tekstil.

Når maling lynfryses, skaller den af – derfor bliver flydende nitrogen også brugt til at fjerne maling. I industrien kan små rester af metal eller gummi i støbeforme være et stort problem – men også det kan ofte løses ved at fryse støbeformen. Så springer de små rester af.

I levnedsmiddelindustrien gør øgede forbrugerkrav til kvalitet ligeledes, at brugen af flydende nitrogen er stigende, men én af de nyeste anvendelser er i elforsyningen. På Amager blev det første superledende elkabel i verden, som bruges i den almindelige elforsyning, taget i brug i 2001. Kablet er ganske vist ikke ret langt, bare 30 meter, men det adskiller sig fra andre elkabler på ét væsentligt punkt: Det har en temperatur på minus 190oC – ved den temperatur er der ingen elektrisk modstand, så på den måde spares en hel del energi. Hvordan kablet bliver så koldt, behøver vi nok slet ikke at fortælle – for naturligvis er det nitrogen, der igen er på spil.

Tekst: Ib Salomon
Foto: Shutterstock, Linde Brand Portal