Dušik

Dušik,₇N

Dušik uperiodnom sistemu
↓ ↓ → →
Hemijski element,Simbol,Atomski broj	Dušik, N, 7
Serija	Nemetali
Grupa,Perioda,Blok	15, 2,p
Izgled	bezbojni gas
Zastupljenost	0,03%
Atomske osobine
Atomska masa	14,0067 (14,00643 – 14,00728)u
Atomski radijus(izračunat)	65 (56) pm
Kovalentni radijus	75 pm
Van der Waalsov radijus	155 pm
Elektronska konfiguracija	He2s22p3
Broj elektronauenergetskom nivou	2, 5
1. energija ionizacije	1402,3 kJ/mol
2. energija ionizacije	2856 kJ/mol
3. energija ionizacije	4578 kJ/mol
4. energija ionizacije	7475 kJ/mol
5. energija ionizacije	9444,9 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	gas
Kristalna struktura	heksagonalna
Gustoća	1,250 kg/m3
Magnetizam	dijamagnetičan$\chi _{m}$= −6,7 · 10−9)
Tačka topljenja	63,05 K (−210,1°C)
Tačka ključanja	77,15K (−196°C)
Molarni volumen	(čvrst) 13,54 · 10−6m3/mol
Toplota isparavanja	5,58kJ/mol
Toplota topljenja	0,72kJ/mol
Pritisak pare	1000Papri 53 K
Brzina zvuka	333,6 m/s pri 298,15 K
Specifična toplota	1040 J/(kg · K) kod 298 K
Specifična električna provodljivost	0S/m
Toplotna provodljivost	0,02583 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	−3, −2, −1, 1, 2,3,4, 5
Oksid	N2O, NO, N2O3,NO2,N2O5(jako kiseo)
Elektrodni potencijal	?
Elektronegativnost	3,04 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER(MeV) PR 13N sin 9,965 min ε 2,220 13C 14N 99,634% Stabilan 15N 0,366 % Stabilan 16N sin 7,13 s β- 10,419 16O
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Simbol nepoznat
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R:nema oznaka upozorenja R S:9-23
Ako je moguće i u upotrebi, koriste seosnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Dušik,nitrogeniliazot(latinski:nitrogenium) jestehemijski elementsa atomskim brojem 7 i hemijskim simbolomN.Simbol je izveden iz njegovog latinskog nazivanitrogenium(odnosno iz starogrčkog νιτρον nitron -soda,šalitra,i γενος genosporijeklo). Slavenski nazivdušikdobio je jerguši(duši) disanje i plamen, a slično porijeklo vodi i nazivazot(grč.azotikos- koji ne podržava život). Uperiodnom sistemunalazi se upetoj glavnoj grupii 2. periodi. Spada unemetale.U elementarnom obliku dušik postoji isključivo u obliku dvoatomskihmolekula(dinitrogen, N₂). Sa 78% udjela je jedan od osnovnih sastojakazraka.U Zemljinoj kori neorganski dušik se javlja rijetko u spojevima; izuzetak su depoziti šalitre.

Tokomevolucijeuekosistemimase formirao ciklus dušika: kao osnovni sastojakbjelančevinai mnogih drugih prirodnih supstanci, dušik je nezamjenjiv za živa bića, a oni ga u svojim energetski intenzivnim životnim procesima (kao što jefiksiranje dušika) vežu i pretvaraju u bioraspoloživi dušik. To se naprimjer dešava pod uticajemenzimau takozvanom željezo-sumpornom klasteru, koji je kofaktor enzimanitrogenaze.

Historija

Carl Wilhelm Scheele

Prirodni hemijski spojevi dušika, kao što sunitratii soliamonija,bili su poznati se još u antičko doba kada su ih koristili uglavnomalhemičari.Obje vrste spojeva se mogu, pored svojih prirodnih nalazišta kaominerali,dobiti i iz izlučevina. Tako, naprimjer, stari Egipćani su dobijaliamonijum hlorid(salmijak) izdevinogizmetai a šalitra se dugo vremena dobijala od tla sakupljenog izštala.Carl Wilhelm Scheeleje 1771. godine dokazao da je dušik osnovni sastojakzraka.Čistiamonijakprvi put je dobio engleskihemičarJoseph Priestley1774. godine. Sve do početka 20. vijeka šalitra je bila jedini veliki izvor dušikovih spojeva. Nakon uvođenjaFrank–Carovog procesa(dobijanjekalcij cijanamidkoji su razviliAdolph FrankiNikodem Caro) prvi put je uspješno iskorišten dušik iz zraka. Za dobijanjedušične kiselineKristian BirkelandiSam Eyderazvili su proces nazvan po njimBirkeland-Eydeov proces.Ovaj proces je vrlo brzo prevaziđen, aFritz HaberiCarl Boschsu razvili naprednijiHaber-Boschov procesza sintezu amonijaka izvodikai dušika iz zraka. Pored ovog, razvijen je i katalitički Oswaldov proces poWilhelm Ostwalduza pretvaranje amonijaka u dušičnu kiselinu.

Osobine

Molekularni dušik je bezbojni gas bez ukusa i mirisa, koji se na veoma niskim temperaturama (−196 °C)kondenzirau bezbojnu tekućinu. Dušik nije mnogo rastvorljiv u vodi (oko 23,2 mg dušika se rastvara u 1 litru vode na 0 °C) i ne gori. Dušik je jedini element u svojoj grupi periodnog sistema koji se može sam sa sobom spajati preko (p-p)π veza.Dužina ove trostruke veze među atomima iznosi 109,8 pm.

Pri električnom pražnjenju u spektralnoj cijevi sa gasom pri potpritisku od oko 5-10 mbar, molekulske orbitale dušika se dovode do emitiranja svjetlosti pobuđivanjem strujomvisokog naponaod 1,8 kV, jačine 18 mA i frekvencije 35 kHz. Tako se rekombiniranjemioniziranihmolekula gasa emitira karakterističan spektar boja.Kritična tačkadušika se nalazi natemperaturi od −146,95 °C (126,2 K), pri pritisku od 33,9 bar i gustoći 0,314 g/cm³.

Dušik u svojim spojevima uglavnom se spajakovalentnom vezom.U elektronskoj konfiguraciji 2s²p³spajanje tri kovalentne veze vodi ka formiranju potpunog okteta. Spojevi, u kojima se javlja ovaj vrsta veze, su naprimjer:amonijak,amini,hidrazinihidroksilamin.Sami ovi spojevi su trigonalne piramidalne strukture i posjeduju slobodni elektronski par. Preko njega ovi spojevi mogu agirati kao nukleofili i kao baze.

U prirodi rasprostranjeni molekularni dinitrogen N₂je zbog trostruke veze u svojoj molekuli vrlo stabilan i inertan, a sa takvom trostrukom vezom povezana je i visoka energija disocijacije veze od 942 kJ/mol.Zbog toga je po pravilu potrebno dovesti mnogo energije da bi se ove veze prekinule i da bi dušik zatim reagirao sa drugim elementima. Osim toga, također je neophodna i visoka energija aktivacije, koja se opet može smanjiti korištenjem pogodnihkatalizatora.

Polimerni dušik

U augustu 2004. naučnici sa Max-Planck instituta za hemiju uMainzuobjavili su da su uspjeli dobiti novi kristalni oblik dušika, takozvanipolimerni dušiksa jednostavnom vezom, pod pritiskom od preko 110 GPa pri temperaturi preko 2000 K. Ova modifikacija posjeduje jedinstvenu kubičnu strukturu, takozvanucubic gauchestrukturu (doslovnonezgrapna kocka). Zbog njene izrazito velike nestabilnosti, mogućnosti primjene su joj ograničene, ali moguće je planiranje polimernog dušika naprimjer kao eksploziva ili načina skladištenja energije. U tom slučaju, polidušik bio bio daleko najjači, nenuklearnieksploziv.

Izotopi

Osim dva prirodnaizotopa¹⁴N i¹⁵N, postoji i nekoliko vještačkih izotopa samasenim brojevima12 do 19. Njihovovrijeme poluraspadaiznosi između 9,97 minuta i 11 milisekundi. Izotop¹⁵N je otkriven 1929. godine, otkrio ga je Stefan Meiring Naudé a već nekoliko godina kasnije korišten je u terenskim probama 1943. godine, koje su izveli naučnici Norman i Werkman. I danas se ovaj izotop koristi na sličan način za biohemijska ispitivanja razmjene dušika u obradivom sloju zemljišta ili u biljkama, ali i za proučavanje pretvaranja bjelančevina u vidu indikatora. Prirodna koncentracija izotopa¹⁵N u atmosferi iznosi 0,3663%. Obogaćivanje dušika¹⁵N je moguće kao i kod drugih izotopa gasovitih elemenata naprimjer putem termodifuznog odvajanja.

Rasprostranjenost

Ciklus dušika

Već u 19. vijeku primijećeno je da veći dio biljne materije sadrži dušik i da je on važni gradivni elemenat svih živih bića. On je jedan od osnovnih elemenata koji grade bjelančevine i bjelančevinaste materije, kao iDNK.Dušik je i osnovni sastojak svihenzima,koji upravljaju metabolizmom kod biljaka, životinja i čovjeka. Stoga je on nezamjenjiv za cjelokupni život na Zemlji.

U zraku

Zemljina atmosferase sastoji iz 78,09% dušika (po zapreminskom udjelu) odnosno 75,53% po masenom udjelu. Međutim, postoji vrlo malehni brojmikroorganizamakoji ga mogu direktno koristiti iz zraka, ugraditi ga u svoju tjelesnu supstancu ili ga prenijeti na biljke. Koliko je poznato,biljkene mogu direktno koristiti gasoviti dušik iz zraka.Prevođenje dušika u oblik u kojem ga biljke mogu iskorištavati dešava se na neki od sljedećih načina:

• Pomoću bakterija koje fiksiraju dušik, a žive u korijenju biljaka iz grupe mahunarki (leguminoza). Te bakterije se hrane biljnim asimilatima. Kaoprotivuslugudaju biljci-domaćinu amonij. On se dobija djelovanjem jednog posebnog enzima, nitrogenaze, trošenjem dosta energije, reduciranjem dušika iz zraka. Takva životna zajednica jesimbioza.Omogućava mahunarkama naseljavanje i slabije kvalitetnih zemljišta, što čovjek iskorištava naročito ekološkim načinom poljoprivredne proizvodnje za obogaćivanje tla neophodnim dušikom. Ovdje leguminoze predstavljaju osnovni izvor dušika.
• Slobodni mikroorganizmi, koji ne žive u simbiozi, daju nesimbiotičke spojeve dušika. Oslanjaju se na sposobnost da takvi mikroorganizmi (naprimjer neke vrste bakterijaAzotobactericijanobakterije) uzimaju dušik iz atmosfere i grade bjelančevine u vlastitom organizmu. U poljoprivredne svrhe uzima se kalkulativni red veličine stvaranja spojeva iz atmosferskog dušika koje daju nesimbiotski mikroorganizmi od 5–15 kg/ha na godišnjem nivou.
• Električno pražnjenje primunjama:U područjima bogatim padavinama, u tlo godišnje može dospjeti 20–25 kg N/ha putempadavina.To se dešava što se pri električnim pražnjenjima tokom munja u zraku spajaju kisik i dušik dajući okside dušika. Oksidi dušika kasnije reagiraju sa vodom dajući dušičnu kiselinu koja zajedno sa kišom pada na tlo. U njemu ona u spoju sa drugim elementima daje nitrate.
• Sintezaamonijaka:HemičariFritz HaberiCarl Boschrazvili su početkom 20. vijeka proces kojim se može dobiti amonijak iz vodika i dušika iz zraka. Po njima nazvan,Haber-Boschov procesomogućio je korištenje neiscrpnih zaliha dušika iz Zemljine atmosfere te je u narednim dekadama taj proces znatno pomogao povećanju prinosa i ekonomičnosti u poljoprivrednoj proizvodnji. Time je također i povećana opskrba hranom stalno rastućeg broja svjetskog stanovništva. Biljke iz apsorbiranog amonijaka proizvode biljne bjelančevine, koje dalje jedući biljnu hranu koristeživotinjei čovjek, a služe im za izgradnju vlastitih bjelančevina. U životinjskom i ljudskom organizmu bjelančevine se najvećim dijelom ponovno razgrađuju te se izlučuju izmetom imokraćom.Procjenjuje se da je do danas u prosjeku gotovo svaki treći atom dušika u biosferi barem jedan put prerađen u industriji vještačkih đubriva.
• Ispusni gasovi vozila: Sagorijevanjem fosilnih goriva (benzina,dieselai slično), korištenjem motornih vozila u atmosferu se ispuštaju spojevi dušika. Pri procesu sagorijevanja goriva u motorima nastaje dušikovi oksidi (NO_x,najvišedušik(IV) oksid,dušik-dioksidNO₂,ali idušik(II) oksid,dušik monoksid,NO u drugi spojevi opće formule NO_x). U prošlosti su ti spojevi direktno otpuštani u okolinu, međutim danas većina motornih vozila imaju ugrađenekatalizatore,koji reduciraju ove spojeve: NO_xse u katalizatorima reducira do amonijaka, koji se dalje u prisustvu vode pretvara u amonij (hemijska ravnoteža amonijaka i amonija u zakiseljenom rastvoru: NH₃+ H₃O⁺⇔ NH₄⁺+ H₂O). Oksidirani spojevi dušika, kao i reducirani spojevi, prenose se zrakom i u značajnoj mjeri utiču naeutrofikacijuokolnih ekosistema.

U tlu

U površinskom obradivom sloju zemljišta nalazi se više od 95% ukupnog dušika u vidu organski vezanog dušika u živoj korijenskoj masi, uginuloj biljnoj masi, humusnim materijama i živim bićima u tlu. Ostatak od manje od 5% je neorganski dušik u oblikuamonijaili nitrata i u veoma malehnoj količini kao nitriti. Ovaj mineralni udio dušika se određuje u proljeće prije đubrenja N_minmetodom. Ukupna količina dušika u tlu dosta zavisi od udjelaugljika.Na njega može uticati klima, vegetacija, vrsta tla, konfiguracija terena i mjere koje poduzimaju poljoprivrednici, kao što je obrada zemljišta.

U biljkama

Dušik se ugrađuje u proizvode fotosinteze, između ostalog za sintezu bjelančevina i tako omogućava i podržava rast. Među najvažnijim ulogama dušika je ta što je on nezamjenjivi sastojak u građimolekuladezoksiribonukleinske kiseline ihlorofila.U zavisnosti od vrsta, udio dušika u suhoj supstanci iznosi 2-6% odnosno u prosjeku 1,5%.Uzimanje dušika u biljke dešava se u najvećoj mjeri u obliku soli amonija ili nitrata. Nedostatak dušika i dušikovih spojeva u biljaka izaziva simptome kao što su usporeni rast, svijetlozelena boja listova (stariji listovi postajuhlorotičnii opadaju prije vremena), preuranjeno cvjetanje i požutjelo lišće. Međutim i prekomjerne količine također izazivaju određene simptome: prekomjerni rast, tamnozeleno lišće, zakasnjelo cvjetanje, biljke su slabije otporne na bolesti imraz,biljna tkiva postaju spužvasta i mehka i slično.

Dobijanje

Shematski prikaz membranskog procesa

Dušik se danas primarno dobija frakcijskomdestilacijomtečnogzrakau postrojenjima za razlaganje zraka po Lindeovom postupku, čime se može dobiti dušik čistoće 99,9999%. Dušik koji sadrži nečistoće ispod 1:10⁹(1 ppb) zahtijeva dodatne korake za prečišćavanje. Da bi se uklonio zaostali kisik postoje biološke metode koristeći klice riže. Dušik stepena čistoće oko 99% može se dobiti dosta troškovno povoljnije putem višestepeneapsorpcije/desorpcijezeolitima.Također postoji metoda decentraliziranog dobijanja dušika putem membranskog procesa. Kod ovog procesa uvodi se zrak pod pritiskom od 5 do 13 bara i propušta se kroz membranu od vještačkih materijala. Difuzijska brzina dušika iargonakroz ovu membranu je mnogo manja od brzina kisika,vodeiugljik dioksida,te se time struja gasova na unutrašnjoj strani membrane obogaćuje dušikom. Precizno podešavajući brzinu prolaska zraka može se i podešavati čistoća dušika (do 99,995% u manjim količinama, a 99% u industrijskom obimu proizvodnje).

Jedna nešto starija metoda je vezivanje kisika iz zraka zagrijavanjemugljai nakon toga ispiranjem i uklanjanjem ugljik dioksida koji time nastaje. Kisik iz zraka se također može izdvojiti tako što se zrak pušta preko usijanogbakraili krozalkalnirastvor pirogalola odnosno natrij ditionita.

U laboratoriji čisti dušik se može dobiti zagrijavanjem vodenog rastvoraamonij-nitritaili rastvora mješavineamonij-hloridainatrij-nitritana oko 70 °C:

$\mathrm {NH_{4}NO_{2}\ } \mathrm {{\stackrel {\Delta T}{\longrightarrow }}\ 2\ H_{2}O+N_{2}}$

Alternativno, moguća je itermolizanatrij azida,koja se koristi za dobijanje spektroskopski čistog dušika.

$\mathrm {2\ NaN_{3}\ } \mathrm {{\stackrel {\Delta T}{\longrightarrow }}\ 2\ Na+3\ N_{2}}$

Upotreba

Spojevi dušika

Dušik se koristi zasintezuamonijaka(Haber-Boschov postupak) i kalcij cijanamida. Osim toga, spojevi dušika su našli raznoliku primjenu u oblasti organske hemije i služe za proizvodnju vještačkih đubriva.

Stonoteniska loptaod celuloida

Mnogieksplozivisu spojevi dušika. Oni su zapravo nitro spojevi ili esteri dušične kiseline. Ukoliko u molekulu nekog spoja ima dovoljan broj nitro grupa kao naprimjer upikrinskoj kiselini,atomi kisika u nitro grupama mogu egzotermno reagirati sa atomima ugljika ili vodika iz iste molekule pobuđivanjem putem udarca ili povećanjem temperature. Time čvrsta supstanca za veoma kratko vrijeme prelazi u gas vrlo visoke temperature, snažno se šireći, rušeći sve oko sebe. Eksplozivi se dakle nalaze u takozvanom metastabilnom stanju. Kod nekih nitro grupa umjesto eksplozije nastaje brzo i nepotpuno sagorijevanje naprimjer kao kod nitroceluloza (među njima iceluloid).

Kao gas

Dušik u cijevi za pražnjenje

Dušik se koristi za punjenje avionskih guma kod velikihaviona.Čisti dušik sprječava da se avionske gume zapale tokom slijetanja ili polijetanja jer se u tim trenucima razvija ogromna toplota.

Dušik služi i kao zaštitni gas pri zavarivanju i kao gas za punjenje lampi. Njegove osobine inertne supstance su od izuzetne važnosti za ovu svrhu. Kao pokretački gas,gas za pakovanje, gas za istiskivanješlaga,vrhnja i drugih namirnica iz boca, dozvoljen je za upotrebu u prehrambenoj industriji, a označava se E-brojemE941.

Dušik je našao primjenu i u uređajima za točenje pića i sličnih tekućina, kada je zbog građevinskih okolnosti (dugačak transportni put, velika visinska razlika) neophodno povećati pritisak isticanja tekućina. Dušik se u tu svrhu koristi u mješavini sa ugljik dioksidom. Pošto se dušik ne rastvara u piću, piće se može točiti odnosno crpiti pod višim pritiskom bez stvaranja pjene (tj. da se karbonizira). Korištenje dušika za punjenje automobilskih guma je, i pored čestog reklamiranja proizvođača, dosta diskutabilno, jer nije dokazano nikakvo značajnije poboljšanje performansi u odnosu na gume sa običnim zrakom.

Tečni dušik

Zbog svoje nisketačke ključanjatečni dušik (engleski:liquid nitrogenLN) koristi se kao sredstvo za hlađenje ukriotehnologijama.Dušik pri tome hlađenom predmetu oduzima njegovutoplotu isparavanjate ga održava hladnim sve dok god u potpunosti ne ispari. Za razliku od tečnogkisika,koji isparava na −183 °C (90 K), tačka isparavanja tečnog dušika je daljnjih 13 K niža, jer on ključa na -196 °C (77 K) te kisik i druge gasove iz zraka može kondenzirati, što se uglavnom koristi za odvajanje ovih gasova.

Tečni dušik (gustoća 0,8085 kg/L pri −195,8 °C) između ostalog se koristi i kod visokotemperaturnih superprovodnika za postizanje superprovodničkog stanja. Također, on se koristi i za skladištenje bioloških i medicinskih uzoraka poput jajnih ćelija isperme,kao i za trenutno zamrzavanje biološkog materijala. Jedan od primjera je i hlađenje infracrvenih fotoreceptora, radi smanjenja termičkog "šuma" ili uopće da se oni dovedu do nekog poluprovodničkog stanja.

Spojevi

Dušik ulazi u sastav mnogih spojeva kao što su naprimjer: amonijak, dušična kiselina,nitrati,nitritikao i mnogi važniorganski spojevi.Spojevi u kojima se nalazi dušik su:

• amonijakNH₃,spojeviamonija
• hidrazinN₂H₄
• nitridi
  • kovalentni nitridi poputbor-nitridaBN isilicij-nitridaSi₃N₄
  • metalni nitridi kaotitanij-nitridTiN ihrom-nitridCrN
  • nitridi u obliku soli kaolitij-nitridLi₃N imagnezij-nitridMg₃N₂
• azidi i trinitrogenski spojevi
• oksidi:
  • dušik-monoksidNO
  • dušik-dioksidNO₂
  • dušik-suboksidN₂O (dinitrogen-monoksid,gas za smijanje)
  • didušik-tetroksidN₂O₄
  • didušik-pentoksidN₂O₅
• dušikovi halogenidi
  • dušik(III)-fluoridNF₃
  • dušik-jodidNI₃
• Kiseline i njihove soli koje sadrže dušik:
  • dušičasta kiselina(nitritna kiselina) HNO₂i nitriti
  • dušična kiselina(nitratna kiselina) HNO₃i nitrati
  • ortodušična kiselina(nestabilna) H₃NO₄i ortonitrati (stabilni samo u čvrstim materijama)
  • hipodušičasta kiselina(hiponitritna kiselina) H₂N₂O₂i hiponitriti
• cijanovodik,cijanidna kiselinaHCN, i njeni derivati
  • cijanidi u obliku soli poputkalcij-cijanidainatrij-cijanida
  • kovalentni i organski cijanidi (nitril) kao što subrom-cijanidBrCN iliacetonitrilH₃C-CN
• organski amino spojevi
  • amini kao što jespermin
  • aminokiseline, peptidi i bjelančevine
• azo spojevi
  • azobenzol, azo boje kao što jerezorcin žuta
• organski nitro spojevi i esteri nitratne kiseline
  • nitrometan
  • eksplozivikao što sunitroglicerin,TNT i oktanitrokuban
• heterociklični spojevi koji sadrže dušik poputpiridinaiindiga
  • baze nukleinskih kiselina kao što suadenin,timiniliuracil
  • alkaloidi poputmorfinaikofeina