Typpi – olennainen kaasu kaikkialla

Elämme ilmakehässä, jossa on paljon typpeä – siitä huolimatta typpi on suhteellisen tuntematon alkuaine. Tämä on hieman harmi, sillä typellä on paljon hyviä ominaisuuksia. Typpi on itse asiassa olennainen alkuaine.

Pieni siittiöitä sisältävä ampulli lasketaan nestemäistä typpeä sisältävään teräsastiaan. Astiasta nousee höyryä, ja se näyttää kuin suoraan tieteiselokuvasta, mutta on vain esimerkki soveltavasta biokemiasta. Siittiö kestää jääkylmää nestemäistä typpeä ja voi säilyä jäädytettynä vähintään viisi vuotta. Spermapankin henkilökunta kuitenkaan tuskin tulee päivittäisessä työssään ajatelleeksi sitä, että typpi on saatu ilmasta. Heille nestemäinen typpi on yksinkertaisesti tärkeä apuaine, samoin kuin monille muillekin yrityksille. Monet yritykset hyödyntävät nestemäisen typen erinomaista jäähdytyskykyä. Typpi saavuttaa kiehumispisteensä miinus 196 °C:ssa, mikä tarkoittaa, että sen olomuoto muuttuu nestemäisestä kaasumaiseksi tässä erittäin alhaisessa lämpötilassa. Vertailun vuoksi mainittakoon vesi, joka kuten tiedämme, saavuttaa kiehumispisteen plus 100 °C:ssa. Ero on lähes 300 °C! Kiehuva typpi kuluttaa energiaa – ja paljon. Se vie energiaa ympäristöstään, joka sen seurauksena kylmenee. Itse asiassa erittäin paljon. Tätä tekniikkaa käytetään laajalti esim. maaperän jäädyttämiseen, kun tehdään suuria rakennustöitä maan alla. Jäädytetty maa muuttuu kivikovaksi ja estää siten tehokkaasti pohjaveden vuotamisen sisään. Tätä menetelmää käytettiin esim. Kööpenhaminan maanalaisen rakentamisessa.

Ei mielellään muodosta yhdisteitä
Valtaosa hengittämästämme ilmasta koostuu typestä. Typpi on alkuaine ja muodostaa n. 78 % ilmakehästä. Aikojen alussa sen määrä ilmakehässä oli vielä paljon suurempi.

Typen olemassaolo on monella tapaa hieman tuntematon. Ilmassa oleva typpi on (onneksi!) näkymätöntä, hajutonta, mautonta ja palamatonta. Se ei ole erityisen huomattavaa, vaikka se jäähtyykin niin paljon muuttuessaan nestemäiseksi. Se muuttuu yksinkertaisesti värittömäksi nesteeksi.

Jos inhimillistä ilmaisua voitaisiin käyttää alkuaineesta, typpeä voisi kemiallisesta näkökulmasta kuvata hieman ”ujoksi”. Tosiasia on, että typpi ei halua muodostaa yhdisteitä muiden aineiden kanssa. Se on todella niin haluton muodostamaan yhdisteitä, että kemistit pitävät sitä lähes inerttinä kaasuna. Inertti kaasu on kaasu, jolle on ominaista vakaus ja haluttomuus muodostaa kemiallisia yhdisteitä.

Tätä typen ominaisuutta käytetään hyväksi myös teollisuudessa. Kun elintarviketuotteen etikessä lukee ”Pakattu suojakaasuun”, suojakaasun pääasiallinen aine on usein typpi. Kun tuote on puhtaan typen ympäröimä, se on hyvin suojattu bakteereilta ja muilta mikro-organismeilta, jotka yleensä tarvitsevat elääkseen happea. Monet teollisuuden alat käyttävät kaasumaista typpeä hapen vähentämiseen ilmassa. Tätä kutsutaan inertoinniksi. Tätä tapahtuu myös petrokemian teollisuudessa (öljy/polttoaine), jossa typpipitoisuus eliminoi tulipalo- ja räjähdysvaarat poistamalla happea säiliöistä ja putkista.

Troposfääri
Haluttomuudestaan huolimatta typpi muodostaa yhdisteitä tiettyjen muiden aineiden kanssa. Ja tekee hyvää työtä. Tämä johtuu siitä, että typpi on yksi elämän rakennuspalikoista. Se on esimerkiksi erittäin tärkeä proteiinien rakenneosa. Luonnon on kuitenkin ollut vaikeaa kehittää menetelmiä, joilla typpeä voidaan vapauttaa ilmakehästä – maapallon suuresta typpikaasuvarastosta.

Uskotpa tai et, mutta yksi näistä keinoista on ukkonen. Salama lämmittää ympäröivää ilmaa niin paljon, että typpi niin sanotusti unohtaa ujoutensa ja muodostaa kemiallisia yhdisteitä hapen kanssa. Se muuttuu nitraateiksi ja siten kasveille hyödynnettävään muotoon. Typpiyhdisteitä vapautuu ilmakehään myös tulivuorten purkautuessa.

Mutta salamoiden ja tulivuorenpurkausten muodostama typpimäärä on rajallinen. Siksi monet kasvit ovat ryhtyneet toimiin. Ne ovat kehittäneet kyvyn erottaa typpeä ilmasta. Tai pikemminkin: Ne ovat ryhtyneet isänniksi tietyille bakteerityypeille, jotka kykenevät kiinteyttämään ilmakehän typpeä. Bakteerit elävät tavallisesti kasvin juurinystyröissä. Kaiken kaikkiaan tämän kikan taitaa n. 190 erilaista kasvia, joista tunnetuimpia ovat herneet ja pavut. Näiden kasvien ansiosta typpeä muodostuu tehokkaassa biologisessa kierrossa. Kasvien avulla typestä muodostuu eläinten ja ihmisten syötäväksi kelpaavaa proteiinia! Niin sanottu urea erotetaan virtsasta ja sisältää arvaapa mitä? Oikein: typpeä. Mutta se on edelleen kemiallisesti sitoutunut, ja typpi palautetaan takaisin ilmakehään, kun virtsa on hajonnut osiin. Liiallinen määrä typpeä voi aiheuttaa epätasapainoa kiertokulussa, sillä typpi on tehokas lannoite, joka voi aiheuttaa leväkukintoja järvissä, vuonoissa ja meressä.

Ilma on raaka-aine
Teollisuudessa typpi tunnetaan kaasuna. Nimi viittaa siihen, että kaasu on yksi tavanomaisen ilman ainesosista, mutta myös siihen, että kaasua voidaan tuottaa käyttäen tavallista ilmaa raaka-aineena. Tämä tapahtuu ilman asteittaisella puristamisella ja jäähdyttämisellä Linde-prosessina tunnetulla menetelmällä. Prosessin lopussa ilma on niin kylmää, että se muuttuu nestemäiseksi – ja typpi voidaan erottaa muista kaasuista; hapesta ja argonista.

Aikaisemmin, kun typen tuottaminen teknisesti oli mahdotonta, käytettiin ”endogeenistä kaasua”. Esimerkiksi kaupunkikaasun poltossa käytettyä ilmaa, jonka hapen pitoisuus palamisen jälkeen on hyvin alhainen, ja endogeeninen kaasu siten passiivinen. Suurilla teollisuudenaloilla oli tehtaissa endogeenisiä kaasugeneraattoreita. Nykyisin typpeä valmistetaan keskitetysti ja jaetaan useisiin tehtaisiin.

Typpeä käytetään yhä enemmän sekä kaasumaisessa että nestemäisessä muodossaan. Kaasumaista typpeä käytetään yleensä prosesseissa, joissa hapen läsnäolo aiheuttaa ei-toivottuja kemiallisia reaktioita. Nestemäistä typpeä käytetään jäähdytykseen ja jäädyttämiseen, jossa sen erinomaista kykyä hyödynnetään esim. autonrenkaiden kierrätyksessä. Äärimmäinen kylmä tekee kumista haurasta kuin lasi, minkä jälkeen renkaat murskataan rakeiksi ja lajitellaan kumiin, teräkseen ja tekstiiliin.

Nopea jäädytys saa maalin kuoriutumaan, minkä vuoksi nestemäistä typpeä käytetään myös maalin poistamisessa. Pienet metalli- tai kumijäämät valumuoteissa voivat olla merkittävä ongelma teollisuudessa. Tämä voidaan usein ratkaista valumuotin jäädyttämisellä. Pienet jäämät putoavat tällöin pois.

Myös kuluttajien elintarviketeollisuuteen kohdistamat kasvavat vaatimukset lisäävät nestemäisen typen käyttöä, ja yksi viimeisimmistä käyttötarkoituksista on sähkönjakelu. Ensimmäinen suprajohtava sähkökaapeli maailmassa otettiin käyttöön vuonna 2001 Amagerissa, Tanskassa, ja sitä käytetään tavallisessa sähkönjakelussa. 30 metrin syvyydessä, kaapeli ei itse asiassa ole niin pitkä, mutta eroaa muista sähkökaapeleista yhdessä olennaisessa kohdassa: Sen lämpötila on miinus 190 °C, mikä tarkoittaa että sähkövastusta ei ole, minkä ansiosta säästyy uskomattoman paljon energiaa. Ei liene tarpeen selittää, miksi kaapeli kylmenee niin paljon. Se on tietenkin typen ansiota.

Teksti: Ib Salomon
Kuvat: Shutterstock ja Linde Groupin kuva-arkisto