Kväve – en oumbärlig gas som finns i nästan allt

Vi lever i en atmosfär med massor av kväve men ändå är det för många ett relativt okänt grundämne. Kväve har många goda egenskaper och är i flera aspekter till och med ett helt nödvändigt.

När den lilla ampullen med sperma sänks ned i stålbehållaren med flytande kväve, uppstår rökliknande ånga. Det kan verka taget direkt ur en SciFi-film, med det här är bara ett exempel på tillämpad biokemi. Sperman klarar det iskalla mötet med det flytande kvävet och att den kan överleva i fruset tillstånd under minst fem år.

Att kväve hämtas ur luft är knappast något som personalen på spermabanken tänker på dagligen. För dem är kväve bara en viktig beståndsdel, precis som det är för många andra företag. Många av dem utnyttjar den nedkylningsförmågan hos flytande kväve. Kokpunkten för kväve är minus 196 grader Celsius, vilket innebär att den övergår från vätskeform till gasform redan vid den mycket låga temperaturen. Som jämförelse kokar vatten som alla vet vid plus 100 grader Celsius, vilket är en skillnad på nästan 300 grader. Kokande kväve använder energi – mycket energi. Kväve stjäl energi från sin omgivning, som i sin tur kyls ned och blir extremt kall. Tekniken används inom flera olika områden, t.ex. för att frysa ner jord vid vissa konstruktionsarbeten under jord. Den frusna jorden blir stenhård, vilket förhindrar att grundvatten sipprar in. Den här metoden användes t.ex. vid bygget av tunnelbanan i Köpenhamn.

Ogillar att ingå föreningar

Större delen av den luft vi andas består av kväve. Kväve är ett grundämne och utgör ca 78 % av atmosfären – en andel som var betydligt större i tidens begynnelse. På många sätt är kvävet lite anonymt. Luftens kväve är osynligt; det har ingen lukt eller smak och kan inte brinna. När det övergår till flytande form blir det en färglös vätska. Om ett mänskligt uttryck kan användas för ett grundämne, är kväve också lite ”tillbakadraget” i kemiskt hänseende. Faktum är att kväve inte gillar att ingå föreningar med andra ämnen, vilket gör att kemister i princip anser det vara en inert gas, det vill säga en gas som kännetecknas av sin stabilitet och ovillighet att ingå föreningar.

Det här är en egenskap hos kväve som även används inom industrin. Om det på en livsmedelsprodukt står att den är ”Förpackad i en skyddad atmosfär”, är det huvudsakliga ämnet ofta kväve. Det beror på att produkten är väl skyddad mot bakterier och andra mikroorganismer när det rena kvävet i förpackningen omger produkten, eftersom dessa oftast behöver syre för att överleva. Inom många industriella områden används kvävgas för att driva ut syret ur luften. Det här kallas tillverkning av inert gas. Det här görs inom den petrokemiska industrin (olja/bränsle), där kvävekoncentrationen eliminerar brand- och explosionsrisken genom att driva ut syret ur tankar och ledningar.

En jordnära krets

Trots kvävets ovillighet att ingå föreningar med andra ämnen kan det ingå föreningar med några ämnen. Och dessutom göra det bra. Det här beror på att kväve är en av livets byggstenar och bland annat utgör en viktig del av olika proteiner. Naturen, som ofta är uppfinningsrik, har haft svårt att utveckla metoder för att utvinna kväve ur atmosfären – jordens stora kvävelager.
En metod är dock genom åskväder. En blixt värmer upp den omgivande luften så mycket att kvävet kan ingå kemiska föreningar med syret. Detta omvandlas till nitrater som kan användas av växter. Kväveföreningar skickas också ut i atmosfären vid vulkanutbrott.

Mängden tillgängligt kväve som skapas av åska och vulkaner är dock begränsat. Därför har en del växter utvecklat förmågan att utvinna kväve ur luften genom att göra sig själva till värdar för vissa typer av bakterier som kan binda kväve från atmosfären. Bakterierna finns normalt i växters rötter. Det finns runt 190 olika växtsorter som klarar det, där ärtor och bönor är bland de mest kända exemplen. Kvävet ingår därmed i ett effektivt kretslopp tack vare de här växterna. I växterna byggs kvävet in i proteiner som äts av djur och människor. Så kallad urea utsöndras i urinen och den innehåller just kväve. Men kvävet är ändå kemiskt bundet och levereras tillbaka till atmosfären först efter att urinet har brutits ner. För stora mängder kväve kan orsaka obalans längs vägen, eftersom kväve är ett effektivt gödningsmedel som kan orsaka algblomning i sjöar, vikar och hav.

Luft är ett råmaterial

Inom industrin används framför allt kväve i gasform. Eftersom kväve ingår som en beståndsdel i luft kan kväve tillverkas med vanlig luft som råmaterial. Det här görs genom gradvis komprimering och kylning av luften i en så process kallad Hampson-Linde (oberoende av varandra patenterade både W. Hampson and C. von Linde denna metod 1895). I slutet av processen är luften så kall att den övergår i vätskeform, vilket gör att kvävet kan separeras från de andra gaserna, syre och argon.

Tidigare, då det var tekniskt omöjligt att tillverka kväve, användes det som kallas endogen gas, det vill säga luften från förbränning av t.ex. stadsgas. Syreinnehållet i stadsgas är efter förbränning mycket lågt och den endogena gasen är därför inaktiv. Stora industrier hade generatorer för endogen gas på fabrikerna, medan kväve numera tillverkas centralt och distribueras till de olika fabrikerna. Kväve i både gas- och vätskeform används mer och mer. Kväve i gasform används allmänt i processer där förekomst av syre resulterar i oönskade kemiska reaktioner. Flytande kväve används för nedkylning och frysning, där dess egenskaper används vid t.ex. återvinning av bildäck där den extrema kylan gör gummit skört som glas, varefter däcken krossas till granulat och sorteras i gummi, stål och textil. Om man fryser ner färg snabbt flagnar den, så kväve används därför vid färgborttagning. Små metall- eller gummirester i gjutformar kan utgöra ett stort problem inom industrin – men frysning av gjutformen kan ofta lösa problemet, då de små resterna efter frysning faller av.

Ökade kvalitetskrav inom livsmedelsindustrin innebär också att användningen av flytande kväve ökar. Ett annat användningsområde som ökar är inom strömförsörjning. Världens första superledande elkabel togs i drift 2001 i Amager, Danmark, och används i den vanliga strömförsörjningen. Med en längd på 30 meter är kabeln inte så lång, men den skiljer sig från andra elkablar på en viktig punkt: Den håller en temperatur på minus 190 °C och vid denna temperatur finns inget elektriskt motstånd. Det gör att man sparar otroligt mycket energi. Det är kvävet som gör att kabeln kan bli så kall.

Text: Ib Salomon
Foto: Shutterstock, Linde Brand Portal