Gandrīz viss ir slāpeklis

Mēs dzīvojam atmosfērā ar lielu slāpekļa daudzumu, tomēr slāpeklis ir diezgan mazpazīstams elements. Tas nav īpaši taisnīgi, jo slāpeklim ir daudz lielisku īpašību. Faktiski slāpeklis ir pamatelements.

Neliela ampula ar spermu tiek ievietota tērauda tvertnē ar šķidro slāpekli. No tvertnes plūst tvaiks, un tas izskatās pēc kadra no zinātniskās fantastikas filmas, taču tas ir tikai praktisks bioķīmijas izmantošanas piemērs.
Bioķīmiķis zina, ka sperma var pārciest šķidrā slāpekļa saldējošo iedarbību un izdzīvot sasaldētā stāvoklī vismaz piecus gadus.

Spermas bankas personāls ikdienā īpaši nepiedomā pie tā, ka slāpeklis tiek iegūts no gaisa. Viņiem šķidrais slāpeklis ir vienkārši svarīgs formulas elements tāpat kā daudziem citiem uzņēmumiem. Daudzi no speciālistiem izmanto šķidrā slāpekļa iespaidīgās dzesēšanas īpašības. Slāpeklis sasniedz vārīšanās punktu pie mīnus 196 °C, un tas nozīmē, ka šajā ārkārtīgi zemajā temperatūrā slāpeklis pāriet no šķidrā uz gāzveida stāvokli. Salīdzinājumam, piemēram, ūdens, kā visi labi zinām, sasniedz vārīšanās punktu pie 100 °C — tā ir gandrīz 300 °C starpība! Vārošs slāpeklis patērē enerģiju, daudz enerģijas. Tas iegūst enerģiju no apkārtējās vides, kas attiecīgi atdziest. Faktiski apkārtējā vide kļūst ārkārtīgi auksta. Šī metode tiek plaši izmantota, piemēram, lai sasaldētu augsni, veicot apjomīgus būvdarbus zem zemes. Sasaldētā augsne kļūst cieta kā akmens, neļaujot sevī iekļūt gruntsūdeņiem. Šī metode tika izmantota, piemēram, metro būvniecības laikā Kopenhāgenā.

Nepatika pret savienojumu veidošanu

Gaiss, ko mēs elpojam, pārsvarā sastāv no slāpekļa. Slāpeklis ir ķīmiskais elements, un aptuveni 78% no atmosfēras sastāv no šī elementa, turklāt pasaules pirmsākumos sastāva procentuālais līmenis bija daudz lielāks.

Var teikt, ka slāpekļa pastāvēšana ir mazliet nemanāma. Slāpeklis gaisā (par laimi!) ir neredzams, tam nav smaržas un garšas, un tas nedeg. Slāpekļa izskats nav īpaši uzkrītošs, pat pēc atdzišanas līdz šķidram stāvoklim. Tas vienkārši kļūst par bezkrāsainu šķidrumu.

Ja ķīmiskā elementa raksturošanai varētu izmantot cilvēciskās īpašības, no ķīmijas skatpunkta slāpekli varētu dēvēt par mazliet kautrīgu. Slāpeklim raksturīga nepatika veidot savienojumus ar citām vielām. Slāpeklis ir tik atturīgs, ka ķīmiķi to uzskata gandrīz par inertu gāzi. Inerta gāze ir tāda gāze, ko raksturo tās stabilitāte un atturēšanās veidot ķīmiskus savienojumus.

Šī slāpekļa īpašība tiek izmantota arī rūpnieciskā līmenī. Ja uz pārtikas produkta etiķetes ir rakstīts “Iepakots aizsargatmosfērā”, galvenais elements bieži vien ir slāpeklis. Tas ir tādēļ, ka brīdī, kad produkta individuālo atmosfēru veido tīrs slāpeklis, produkts ir lieliski aizsargāts pret baktērijām un citiem mikroorganismiem, jo to izdzīvošanai parasti ir nepieciešams skābeklis. Skābekļa izspiešanai no gaisa slāpeklis tiek izmantots daudzās rūpnieciskās nozarēs. Šis process tiek dēvēts par inertēšanu. Tas tiek izmantots arī naftas produktu ražošanas nozarē (eļļa/degviela), kurā slāpekļa koncentrācija novērš ugunsgrēku un sprādzienu riskus, izvadot skābekli no tvertnēm un caurulēm.

Virszemes aprites ķēde
Neraugoties uz slāpekļa inertumu, ar atsevišķām vielām tas tomēr veido savienojumus. Un paveic arī vērtīgu darbu. Slāpeklis ir viens no dzīvības pamatelementiem un tostarp ir ļoti svarīgs olbaltumvielu komponents. Taču dabai ir bijis ļoti sarežģīti radīt metodes slāpekļa izspiešanai no atmosfēras, kas ir Zemes lielākā slāpekļa noliktava.

Ticiet vai nē, bet viena no šīm slāpekļa izspiešanas metodēm ir pērkona negaiss. Zibens uzsilda apkārtējo gaisu tik lielā mērā, ka slāpeklis, vienkārši izsakoties, aizmirst par savu kautrību un izveido ķīmiskus savienojumus ar skābekli. Šie savienojumi kļūst par nitrātiem, un tos izmanto augi. Slāpekļa savienojumi nokļūst atmosfērā arī vulkānu izvirdumu laikā.

Tomēr zibens un vulkānu radītais pieejamais slāpekļa daudzums ir neliels. Tāpēc daudzas augu sugas pašas ir ķērušās pie lietas. Šīs sugas ir izstrādājušas spēju iegūt slāpekli no gaisa. Vai, citiem vārdiem: šie augi ir padarījuši sevi par atsevišķu baktēriju mājvietām, un šīs baktērijas spēj piesaistīt slāpekli no atmosfēras. Baktērijas parasti uzturas auga sakņu gumā. Aptuveni 190 augu sugas ir izkopušas šo burvju spēju, un zināmāko vidū ir zirņi un pupas. Pateicoties šiem augiem, slāpeklim ir nodrošināta efektīva bioloģiskā ķēde. Augu apstrādes rezultātā slāpeklis pārtop olbaltumvielās, kuras apēd dzīvnieki – vai mēs! Tā dēvētā urīnviela tiek izdalīta ar urīnu un satur – uzminiet ko? Pareizi: slāpekli. Taču tas joprojām ir ķīmisks savienojums, un slāpeklis atgriežas atpakaļ atmosfērā, kad urīnviela ir noārdījusies.

Pārāk liels slāpekļa daudzums var izjaukt dabisko līdzsvaru, jo slāpeklis ir efektīvs mēslojums, kas izraisa aļģu veidošanos ezeros, fjordos un jūrā.

Gaiss ir jēlmateriāls

Rūpniecības pasaulē slāpeklis ir zināms kā gāze. Šis nosaukums ir saistīts gan ar faktu, ka šī gāze ir gaisa sastāvā, taču tas norāda arī uz to, ka gāzi iespējams iegūt no parasta gaisa, ko izmanto kā jēlmateriālu. Tas notiek pakāpeniskas gaisa saspiešanas un atdzesēšanas ceļā, procesā, kas zināms kā Linde process. Šī procesa beigās gaiss ir tik auksts, ka pārvēršas šķidrumā, un pēc tam slāpekli iespējams atdalīt no citām gāzēm, skābekļa un argona.

Agrāk, kad nebija tehniski iespējams ražot slāpekli, tika izmantota endogēna gāze: gaiss no, piemēram, akmeņogļu gāzes sadedzināšanas, kurā skābekļa sastāvs pēc degšanas ir ļoti zems, tādā veidā padarot endogēno gāzi neaktīvu. Lieliem rūpniecības uzņēmumiem piederēja endogēnās gāzes ģeneratori pašu ražotnēs, turpretī šobrīd slāpeklis tiek ražots centralizēti un izplatīts uz dažādām ražotnēm.

Arvien vairāk pieaug gāzveida un šķidrā slāpekļa izmantošana. Gāzveida slāpeklis tiek parasti izmantots procesos, kuros skābekļa klātbūtne izraisa nevēlamas ķīmiskas reakcijas. Šķidrais slāpeklis tiek lietots dzesēšanai un saldēšanai, un tā izcilās īpašības, piemēram, tiek izmantotas saistībā ar automašīnu riepu otrreizēju pārstrādi; ārkārtīgi aukstais gaiss padara gumiju līdzīgu stiklam, pēc tam riepas tiek sapresētas granulātā, kas tiek izmantots gumijas, tērauda un tekstilizstrādājumu ražošanā.

Ātri sasaldējot krāsu, tā pati nolobās, tāpēc šķidro slāpekli izmanto arī krāsas noņemšanai. Nelielas metāla vai gumijas daļiņas liešanas veidnēs var radīt lielas problēmas, taču tās var novērst, liešanas veidnes sasaldējot. Nelielās daļiņas pēc tam nokrīt.

Arvien pieaugošs pieprasījums pēc augstākas kvalitātes pārtikas rūpniecībā nozīmē arī šķidrā slāpekļa izmantošanas pieaugumu, taču viens no pēdējā laikā atklātajiem izmantošanas veidiem ir strāvas padevē. Pirmais supervadītāju strāvas kabelis tika izmēģināts 2001. gadā Amagerā, Dānijā, un tas tika izmantots parastā strāvas padevē. Faktiski šis kabelis ir 30 metru garš, taču būtisks nav tā garums, kas nav īpaši ievērojams, bet kāda cita īpašība: kabeļa temperatūra ir mīnus 190 °C, un šādā temperatūrā nepastāv elektriskā pretestība, ietaupot milzīgu enerģijas daudzumu. Nav lieki jāskaidro, kā šis kabelis tiek atdzesēts, jo ir pašsaprotami, ka šeit iesaistīts slāpeklis.

Teksts: Ib Salomon
Attēli: Shutterstock, Linde Brand Portal