Kväve

Kväve eller nitrogen (latin: Nitrogenium) är grundämnet med tecknet N och atomnummer 7. Kväve förekommer rikligt i atmosfären som allotropen kvävgas (N₂) där den står för cirka 78 % av volymen.

Kväve
Nummer 7 Tecken N Grupp 15 Period 2 Block p
N ↓ P Kol ← Kväve → Syre     [He] 2s2 2p3             7N                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Flytande kväve Urladdningsrör Emissionsspektrum
Generella egenskaper
Relativ atommassa	14,0067 (14,00643–14,00728)[1][2] u
Utseende	Färglös i gasform
Allotroper	Kvävgas (N2)
Fysikaliska egenskaper
Densitet vid 0 °C och 101,325 kPa	1,251 g/L
– flytande, vid kokpunkten	0,808 g/cm3
Aggregationstillstånd	Gas
Smältpunkt	63,15 K (−210 °C)
Kokpunkt	77,355 K (−195,795 °C)
Trippelpunkt	63,151 K (−209,999 °C) 12,52 kPa
Kritisk punkt	126,192 K (−146,958 °C) 3,3958 MPa
Molvolym	13,54 × 10−6 m³/mol
Smältvärme	0,36 kJ/mol
Ångbildningsvärme	5,58[3] kJ/mol
Specifik värmekapacitet	1 040 J/(kg × K)
Molär värmekapacitet	29,124 J/(mol × K)
Ångtryck Tr. (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k Te. (K) 37 41 46 53 62 77
Atomära egenskaper
Atomradie	65 pm
Kovalent radie	75 pm
van der Waalsradie	155 pm
Elektronaffinitet	7 kJ/mol
Jonisationspotential	Första: 1 402,3 kJ/mol Andra: 2 856 kJ/mol Tredje: 4 578,1 kJ/mol Fjärde: 7 475 kJ/mol (Lista)
Elektronkonfiguration
Elektronkonfiguration	[He] 2s2 2p3
e− per skal	2, 5
Kemiska egenskaper
Oxidationstillstånd	5, 4, 3, 2, 1, −1, −2, −3
Oxider (basicitet)	N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 (starkt sur)
Elektronegativitet	3,04 (Paulingskalan) 3,066 (Allenskalan)
Diverse
Kristallstruktur	Hexagonal
Ljudhastighet	333,6 m/s
Värmeledningsförmåga	0,02583 W/(m × K)
Magnetism	Diamagnetisk
Magnetisk susceptibilitet	−6,7 × 10−9[4]
Brytningsindex	1,000298
Identifikation
CAS-nummer	7727-37-9
EG-nummer	231-783-9
Pubchem	947
ATC-kod	V03AN04
RTECS-nummer	QW9700000
Historia
Namnursprung	Från grekiska nitron och -gen, vilket betyder ”niterbildande”.[5][6]
Upptäckt	Daniel Rutherford (1772)
Namngivare	Jean-Antoine Chaptal (1790)
Stabilaste isotoper
Huvudartikel: Kväveisotoper Nuklid NF t1/2 ST SE (MeV) SP 13N {syn.} 9,965 min β+ 2,22 13C 14N 99,634 % Stabil 15N 0,366 % Stabil 16N {syn.} 7,13 s β− 10,419 16O β− + α 17O
Säkerhetsinformation
Säkerhetsdatablad: Sigma-Aldrich
Globalt harmoniserat system för klassifikation och märkning av kemikalier GHS-märkning av farliga ämnen enligt EU:s förordning 1272/2008 (CLP) på grundval av följande källa: [7] Gasflaska
H-fraser	H280
P-fraser	P403
NFPA 704 0 3 0
SI-enheter och STP används om inget annat anges.

Egenskaper

Kvävgas är färglös och kemiskt trögreaktivt beroende på att dess två atomer i molekylen (N₂) binds med en trippelbindning som är svår att lösa upp. Vid hög energitillförsel, till exempel elektriska urladdningar, sönderdelas kvävgasmolekylen dock till enskilda atomer som lätt reagerar – vid elektrisk urladdning i luft (kväve, syre och spår av andra gaser) bildas flera kväveoxider, bland annat kväve(mon)oxid NO och kvävedioxid NO₂. Dessa bildas också vid flera typer av förbränning och kemiska industriella processer och kallas då ofta ”NOx”. Vid reaktion med vatten bildar dessa gaser salpetersyrlighet HNO₂ och salpetersyra HNO₃, vilka kan ge ett stort bidrag till försurning av miljön vid nederbörd. Dikväveoxid N₂O (Lustgas, äldre benämning kväveoxidul) används som bedövningsmedel vid t.ex. förlossningar.

Föreningar

Kväve har fem elektroner i sitt yttersta elektronskal. Därmed kan det i sitt grundtillstånd bilda tre kovalenta bindningar. Förlorar den en elektron kan den bilda fyra, som i ammoniumjonen. Kväve bildar inte anjoner direkt. Kvävets viktigaste föreningar är:

• Ammoniak (NH₃) – en färglös, giftig och illaluktande gas med kokpunkt −33 °C, som används i kemiindustrin för bland annat framställning av gödselmedel och sprängämnen. Vidare används ammoniak som kylmedium i större kylanläggningar. I vattenlösning är den en svag bas.
• Ammoniumsalter – ammoniak bildar tillsammans med syror ammoniumsalter, vilka då innehåller den positiva jonen NH₄⁺, vilken kemiskt påminner om en alkalimetalljon. Ett exempel är ammoniumnitraten NH₄NO₃, vilket används som gödselmedel.
• Salpetersyra (HNO₃) – en färglös vätska som stelnar vid −42 °C och kokar vid 84 °C. Det är en stark syra som vid reaktion med metaller bildar nitrater innehållande den negativa jonen NO₃⁻. Salpetersyra används som råvara för tillverkning av gödsel och sprängämnen.
• Aminosyrorna – utgör de viktigaste byggstenarna för livet. De har aminogrupp NH₂ kopplad till kolvätekedjor. Kväve är således av yttersta vikt för den organiska kemin.
• Vätecyanid (HCN) – en mycket giftig gas eller vätska. Den används som råvara för tillverkning av plaster och pigment.

Användning

Kväve används på grund av sin reaktionströghet som skyddsgas vid metallurgiska processer, och i vissa glödlampor, ofta blandat med argon.

Kväve används som förpackningsgas i livsmedel för att bevara varan man förpackar och har E-nummer E941. Även en blandning av kväve och koldioxid är vanlig för detta ändamål, och användningsområdet inkluderar exempelvis kött, charkprodukter och öl.^[8]

Ett av de största användningsområdena för kväve är tillverkning av ammoniak. Ammoniaken produceras genom sammanslagning av kväve och väte i en process som kallas Haber-Boschprocessen. I Haber-Boschprocessen blandas kväve och väte i proportionerna 1:3 och utsätts för 200 atmosfärer tryck och leds vid 400 °C förbi en katalysator av järnoxid varvid ammoniak bildas.

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Ammoniaken kan sedan användas för att bilda salpetersyra genom att ledas över en koppar- eller platinakatalysator tillsammans med syrgas. Ammoniak används även för framställning av bland annat konstgödsel (ammonium- och nitratsalter) samt sprängämnen (ammoniumnitrat) samt som kylmedel.

Jordbruk

Kväve är ett nödvändigt grundämne i allt liv, bland annat som en beståndsdel i aminosyrorna – proteinernas byggstenar. Detta är viktigt när vi ser på jordbrukets förändring. Innan 1920-talet fanns enbart kväve i form av gödsel från djur. Tillgång på kväve var en begränsande faktor för jordbruket. Mer kväve får grödorna att växa sig större men kvävefixering i naturen tar lång tid och gödsel från djur innehöll en mindre del kväve. Den större delen av kvävet försvann med djuret som mjölk och kött. Med Haber-Boschprocessen upptäckte man konstgödsel. Detta blev det nya sättet för jordbruket att få grödorna att växa sig stora. Detta fick produktionen av vår mat att öka trefaldigt. Hälften av allt kväve som finns i människokroppen kommer från syntetiskt kväve.

Kvävgas i däck

Kvävgas används till att fylla däcken på racerbilar, flygplan, tunga transportfordon och även till vanliga passagerarbilar.^[9]

Flytande kväve

Flytande kväve används för att kyla ner en NMR-magnet.

Flytande kväve är kväve i flytande form. Den kan betecknas LN₂. Flytande kväve kokar vid 77 K eller −196 grader Celsius.

Flytande kväve används till att kyla snabbt och hålla kallt, bland annat:

• Snabb kylning av mat, så att inte iskristaller bildas som kan förstöra matens celler.
• Kryo-kylning av levande organismer eller av oönskad vävnad inom kryoteknik.
• Kylmedel – exempelvis för att kyla anordningar som i sin tur kyls med flytande helium för att kyla supraledande magneter till nmr-spektroskopi och MRI.
• Kapning av metaller – om metallen kyls med flytande kväve kan det räcka med en liten stöt för att metallen ska knäckas.

Förekomst och framställning

Kväve är den vanligaste gasen i jordens atmosfär följd av syre, men i jordskorpan är kväve mindre vanligt med en halt av i medeltal 25 gram/ton.

Gas	Kokpunkt	Volymprocent i luft vid havsnivå [10]
Kväve	−196 °C	78,073 %
Syre	−183 °C	20,947 %
Koldioxid	−78 °C	0,04 %
Ädelgaser	Varierande	0,94 %

Kväve framställs genom fraktionerad destillation av flytande luft. Den erhålls som en biprodukt vid framställning av den tekniskt viktiga syrgasen (oxygen). Ren kvävgas är därför förhållandevis billig.

Säkerhet

Kontakt med flytande kväve, kylsprejer eller föremål som kyls med flytande kväve kan orsaka köldskador. Hantering av flytande kväve bör ske i öppna ytor eller väl ventilerade rum, då kväve stöter bort syre och orsakar kvävning.

Historia

Kvävet upptäcktes av botanikprofessorn Daniel Rutherford (1772) i Edinburgh, som stängde in möss i en sluten behållare och avlägsnade koldioxiden från den kvarvarande gasen efter djurens död. Han fann att den återstående gasen kvävde eld och dödade djur. ^[11]

Svensken Carl Wilhelm Scheele visade samma år att luft består av två komponenter kallade eldsluft (syre) och skämd luft (resten, det vill säga mest kväve) – fransmannen Antoine Laurent de Lavoisier döpte om den skämda luften till azote och var också den som insåg att kväve var ett grundämne i modern bemärkelse.^[11] Engelsmannen John Dalton presenterade azote som ett grundämne i sin publicerade atomteori (1807). Det internationella namnet nitrogene/nitrogenium tillkom 1790 på grund av upptäckta samband mellan kväve och salpetersyra (νίτρον; grekiska för ”salpeter”). Det svenska namnet kväve föreslogs av Pehr von Afzelius och Anders Gustaf Ekeberg (1795) för dess eldkvävande egenskaper.

Isotoper

Huvudartikel: Kväveisotoper

Naturligt förekommande kväve består av två stabila isotoper: ¹⁴N (99,64 %) och ¹⁵N (0,36 %). Dessutom är 14 kända isotoper instabila (och därmed radioaktiva). De mest stabila av dessa är ¹³N med halveringstid 9,965 minuter, ¹⁶N med halveringstid 7,13 sekunder och ¹⁷N med halveringstid 4,173 sekunder. Alla de resterande isotoperna har halveringstider kortare än en 1 sekund, och de flesta kortare än 110 millisekunder.^[12]

Galleri

• 
  Glödande ultrarent kväve.
• 
  En behållare för flytande kväve.
• 
  Metallkopp med flytande kväve.

Källor

1. Här anges det av IUPAC rekommenderade standardvärdet. Se: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
2. IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
3. Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
4. Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. De angivna värdena har här räknats om enligt SI.
5. Royal Society of Chemistry – Visual Element Periodic Table
6. – Online Etymological Dictionary
7. Kväve i substansdatabasen GESTIS-Stoffdatenbank hos IFA (Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung). Läst 11 mars 2011. (JavaScript krävs)
8. Air Liquide: Förpackning Arkiverad 27 januari 2013 hämtat från the Wayback Machine., läst 2012-12-26
9. ”AGA”. Arkiverad från originalet den 8 mars 2016. https://web.archive.org/web/20160308014605/http://www.aga.se/sv/products_ren/nitrogen_tyres/index.html. Läst 28 februari 2016.
10. På hög höjd är sammansättningen annorlunda
11. Anders Lennartsson, Periodiska systemet, Studentlitteratur, 2011
12. Lawrence Berkeley National Laboratory - Isotoptabell för kväve Arkiverad 12 augusti 2009 hämtat från the Wayback Machine.

Externa länkar

• Wikimedia Commons har media som rör Kväve.
  Bilder & media