Lämmastik ümbritseb meid kõikjal

Elame keskkonnas, millest suur osa koosneb lämmastikust, kuid sellegipoolest on ta meie jaoks anonüümne element, mille olemasolu on märkamatu. Sellest on natuke kahju, sest lämmastikul on palju häid omadusi. Õigupoolest on lämmastiku puhul tegemist paljudel juhtudel hädavajaliku ainega.

Väike spermaampull pannakse veeldatud lämmastikuga täidetud terasmahutisse. Mahutist tuleb auru ja see näeb välja nagu ulmefilm, kuid see on vaid üks näide biokeemia rakendamisest. Biokeemik teab, et seemnerakud taluvad kokkupuudet jääkülma veeldatud lämmastikuga ja jäävad külmunud olekus ellu vähemalt viieks aastaks.

Sellele, et lämmastikku saadakse õhust, spermapanga töötajad ilmselt eriti ei mõtle. Nende, nagu ka paljude teiste ettevõtete jaoks on veeldatud lämmastik lihtsalt oluline abiaine selle jahutava toime tõttu. Lämmastiku keemispunkt on –196 °C, mis tähendab, et see läheb veeldatud olekust gaasilisse väga madalal temperatuuril. Kui mõelda, et vee keemispunkt on 100 °C, on erinevus ligikaudu 300 °C. Keev lämmastik kasutab suures koguses energiat. See võtab energiat ümbritsevast keskkonnast, mis selle tulemusel jahtub. Kuna jahtumine on märkimisväärne, kasutatakse seda tehnoloogiat laialdaselt näiteks pinnase külmutamiseks, kui maa all teostatakse suuri ehitustöid. Külmutatud maapind muutub kivikõvaks, takistades seega tõhusalt põhjavee sisseimbumist. Seda meetodit kasutati näiteks Kopenhaagenis maa-alustel metroo ehitustöödel.

Hoidub ühendite moodustamisest

Meie hingatav õhk koosneb suures osas lämmastikust. Lämmastik on keemiline element, mis moodustab umbes 78% atmosfääri koostisest. Aegade alguses oli see protsent veel palju suurem.

Lämmastiku esinemine jääb suuresti tähelepandamatuks. Õhus sisalduv lämmastik on (õnneks!) nähtamatu, sellel pole lõhna ega maitset ning see ei põle. See pole kuigi silmatorkav isegi siis, kui see muutub jahtudes vedelikuks. Nimelt on see ka vedelikuna värvitu.

Kui elementi iseloomustada inimlike omadussõnadega, on lämmastik ka keemilise ainena pisut „häbelik“. Lämmastikule ei meeldi moodustada ühendeid teiste ainetega. See on lausa nii tõrges, et keemikud peavad seda peaaegu inertgaasiks, st gaasiks, mis ei moodusta keemilisi ühendeid teiste ainetega.

Selle omaduse tõttu kasutatakse lämmastikku ka tööstuses. Kui toidupakendil on silt „Pakendatud gaasikeskkonda“, on selle peamine element sageli lämmastik. Seda seetõttu, et puhta lämmastikuga ümbritsetud toode on hästi kaitstud bakterite ja muude mikroorganismide eest, mis tavapäraselt vajavad elutegevuseks hapnikku. Paljudes tööstusharudes kasutatakse gaasilist lämmastikku õhust hapniku väljasurumiseks, mida nimetatakse inertimiseks. Inertimine on kasutusel ka naftakeemiatööstuses, kus lämmastiku kontsentratsioon välistab tule- ja plahvatusohu, eemaldades mahutitest ja torudest hapniku.

Maapealne ringlus
Vähesest aktiivusest hoolimata moodustab lämmastik siiski mõne ainega ühendeid. Lämmastik on nimelt üks elusorganismide ehitusplokkidest, moodustades muuhulgas väga olulise osa valkudest. Looduse jaoks on osutunud keeruliseks selliste meetodite väljatöötamine, mis suudaks lämmastikku atmosfäärist – Maa suurest lämmastikureservuaarist –välja suruda.

Üks sellistest meetoditest on üllataval kombel äikesetorm. Välgunool soojendab ümbritsevat õhku nii palju, et lämmastik „unustab oma häbelikkuse“ ja moodustab hapnikuga keemilisi ühendeid. Sellest tekivad nitraadid, mida saavad kasutada taimed. Lämmastikuühendid jõuavad atmosfääri ka vulkaanipurske ajal.

Äikese ja vulkaanide käigus moodustuva lämmastiku kogus on siiski piiratud. Seega on tegutsema asunud hulk taimi. Neil on arenenud võime eraldada õhust lämmastikku. Teisisõnu on nad loonud sümbioosi teatud bakteriliikidega, mis suudavad siduda atmosfäärist lämmastikku. Need bakterid asuvad tavaliselt taime juuremügarates. Selliseid taimeliike on umbes 190, neist kõige tuntumad oad ja herned. Tänu neile taimedele on lämmastikust saanud tõhus osa bioloogilises ringluses. Taimede kaudu saavad lämmastikust valgud, mida söövad loomad – või meie! Uriiniga eraldub niinimetatud uurea, mis ka hämmastaval kombel lämmastikku sisaldab. See on aga siiski keemilises ühendis ja lämmastik jõuab tagasi atmosfääri alles pärast uriini lagunemist.

Liigne lämmastiku kogus võib asjad tasakaalust välja viia, kuna lämmastik on tõhus väetis, mis võib põhjustada vetikate vohamist järvedes, fjordides ja meres.

Lämmastiku tooraine on õhk

Tööstuses tuntakse lämmastikku gaasina. Nimetus viitab asjaolule, et gaas kuulub tavalise õhu koostisse, kuid tähendab ka seda, et gaasi saab toota õhust. See toimub õhu järkjärgulise tihendamise ja jahutamise teel, mida tuntakse Linde protsessina. Protsessi lõpuks on õhk nii külm, et veeldub ja lämmastiku saab eraldada teistest gaasidest (hapnikust ja argoonist).

Varem, kui lämmastiku tootmine polnud tehniliselt võimalik, kasutati „endogeenset gaasi“: nt söegaasi põlemisel saadud õhku, mille hapnikusisaldus on pärast põlemist väga madal ja endogeenne gaas seega mitteaktiivne. Suurtööstuste tehastes olid endogeense gaasi generaatorid, kuid nüüd toodetakse lämmastikku kesksetes tootmisüksustes ja veetakse sealt tehastesse.

Gaasilisel ja veeldatud kujul lämmastikku kasutatakse aina rohkem. Gaasilist lämmastikku kasutatakse üldiselt protsessides, kus hapnik põhjustaks soovimatuid keemilisi reaktsioone. Veeldatud lämmastikku kasutatakse jahutamiseks ja külmutamiseks, kus selle erakordset toimet saab rakendada näiteks autorehvide ümbertöötlemiseks: tänu selle ülimadalale temperatuurile puruneb kumm nagu klaas, nii et rehvid tehakse graanuliteks ning eraldatakse siis kummiks, teraseks ja tekstiiliks.

Kuna ka värv hakkab kiirkülmutamisel kooruma, kasutatakse veeldatud lämmastikku ka värvi eemaldamiseks. Valuvormidesse jäänud metalli- või kummijäägid võivad põhjustada tootmises suuri probleeme, kuid seda saab sageli vältida valuvormi külmutamisega. Nii eralduvad jäägid lihtsalt.

Tarbijate kasvavad nõudmised toiduainetööstuse kvaliteedile tähendavad ka seal veeldatud lämmastiku kasvavat tarbimist, kuid üks uusimaid kasutusviise on energiavarustatus. Maailma esimene ülijuhtiv elektrikaabel võeti kasutusele 2001. aastal Taanis Amageris, kus seda kasutatakse tavapärases jaotusvõrgus. 30 meetri pikkune kaabel pole küll pikk, kuid see erineb teistest elektrikaablitest ühes olulises punktis: selle temperatuur on –190 °C ehk temperatuur, mille juures puudub elektritakistus, mis aitab säästa hämmastavas koguses energiat. Pole vaja pikemalt selgitada, kuidas kaabel püsib sellise temperatuuri juures – loomulikult on jälle abiks lämmastik.

Tekst: Ib Salomon
Foto: Shutterstock, Linde Brand Portal