Dušik: 10 činjenica o plinu koji nas okružuje

Dušik zauzima oko 78 posto volumena Zemljina suhog zraka. Kisik čini približno još 21 posto, a ostatak otpada na druge plinove. Riječ suhi važna je jer znači da je vodena para izostavljena iz te usporedbe. Kada uključimo vlagu, udjeli ostalih plinova mijenjaju se. Broj zato nije tvrdnja da svaki udah na svakome mjestu ima potpuno jednak sastav. To je uobičajen način opisivanja smjese. Plinoviti dušik nema boju ni miris, pa njegov velik udio ne možemo procijeniti samo pogledom u nebo iznad nas. Prisutan je i kada ga osjetila ne izdvajaju.

Dušikov simbol u periodnom sustavu jest N. Atomski broj mu je sedam, što znači da atom dušika ima sedam protona u jezgri. Taj broj određuje element, a ne broj atoma u njegovoj uobičajenoj plinskoj molekuli. Razlika je važna jer N i N2 opisuju različite razine iste teme. N označava element ili atom u kemijskoj formuli. N2 opisuje dva povezana atoma dušika. Čitamo li simbole kao podatke, a ne ukras, mala dvojka dobiva jasno značenje. Sedam određuje atom, dok dva govori koliko ih je povezano u jednoj molekuli plina.

Otkriće dušika obično se pripisuje škotskom znanstveniku Danielu Rutherfordu 1772. godine. Raniji istraživači također su dobivali taj plin, pa priča nije jednostavno natjecanje u tome tko ga je prvi susreo. Rutherfordov rad pripada razdoblju u kojem su znanstvenici učili razlikovati dijelove zraka. To je važna povijesna promjena. Zrak se mogao istraživati kao smjesa, umjesto kao jedna tvar. Dušik je već bio oko njih prije nego što je dobio mjesto u takvu razumijevanju. Otkriće je promijenilo objašnjenje svakodnevnog materijala, a nije promijenilo postojanje plina koji je odavno bio prisutan.

U plinovitom dušiku dva atoma povezana su trostrukom vezom. Njezino raskidanje traži znatan unos energije, što pomaže objasniti zašto plin u običnim uvjetima relativno slabo reagira. Relativno ne znači nikada. Dušik može sudjelovati u reakcijama, ali uvjeti i mehanizmi su važni. Zato ni nebo puno N2 ne daje biljkama automatski spreman izvor iskoristivoga dušika. Količina i kemijska dostupnost nisu ista stvar. Atomi prvo moraju prijeći u druge oblike prije nego što ih većina živih sustava može koristiti. Mala molekulska struktura tako objašnjava mnogo veći problem u okolišu.

Neke bakterije pretvaraju atmosferski dušik u oblike koje živa bića mogu koristiti. U mnogim mahunarkama bakterije koje vežu dušik žive unutar malih zadebljanja zvanih korijenske kvržice. Biljka daje organske spojeve, a bakterije pomažu opskrbi vezanim dušikom. To je partnerstvo, a ne tvrdnja da svaki korijen sam obavlja isti posao. Zato mala kvržica vrijedi pažnje. Važan je rad kemijski i mikrobni, daleko ispod razmjera polja koje gledamo s ceste. Dušik ostaje isti element, ali novi kemijski oblik omogućuje mu sudjelovanje u rastu biljke i stvaranju njezinih tkiva.

Munja može potaknuti reakcije koje atmosferski dušik pretvaraju u dušikove spojeve, uključujući oblike koji mogu dospjeti u tlo. To je prirodan put vezanja dušika uz biološke procese. Ne znači da svaka oluja predvidljivo i dovoljno pognoji neko polje. Ključna je promjena kemijskog oblika. Energija električnog pražnjenja može pomoći prevladati prepreku koja postoji u običnom zraku. Bljesak iznad glave i kruženje hranjivih tvari ispod nje zato su povezani. Dramatičan događaj traje trenutak, dok nastali spojevi ulaze u duža kretanja kroz okoliš. Prizor munje tako ima i manje vidljivu kemijsku stranu.

Haber-Boschov postupak spaja dušik s vodikom kako bi nastao amonijak. Fritz Haber razvio je laboratorijsku metodu, a tim pod vodstvom Carla Boscha prenio ju je na industrijske razmjere. Prvo postrojenje s tim postupkom otvoreno je u Oppauu 1913. Amonijak je postao važna polazna tvar za dušična gnojiva. Priča povezuje molekulski problem s inženjerskim: ostvariti reakciju u laboratoriju nije isto što i neprekidno voditi tvornicu. Postupak nije stvorio element dušik. Pretvorio je obilni plin u spoj koristan za daljnju kemijsku proizvodnju i poljoprivredu te promijenio način opskrbe tim spojevima.

Dušik je sastavni dio proteina i nukleinskih kiselina, a ne samo plin iznad živih bića. Proteini se grade od aminokiselina, dok DNA sadrži dušične baze adenin, timin, gvanin i citozin. Te uloge objašnjavaju zašto organizmi trebaju element u iskoristivim oblicima. Ne znače da sav taj dušik možemo dobiti disanjem atmosferskog N2. Plinska molekula i dušik u biološkim spojevima nalaze se u različitim kemijskim okruženjima. Pratimo li element u te spojeve, tema postaje manje apstraktna. Prisutan je u strukturama koje stanice grade i molekulskim informacijama koje prenose tijekom života.

Pri normalnom atmosferskom tlaku vrelište dušika iznosi približno -196 Celzijevih stupnjeva. Njegov tekući oblik zato je iznimno hladan u usporedbi sa svakodnevnim okolišem i služi za specijalizirano hlađenje. To je promjena agregatnog stanja, a ne pretvorba u novi element. Vrenjem tekući dušik postaje plinoviti dušik. Ni tekućinu ni plin ne treba tretirati kao kućni pokus: velika hladnoća i istiskivanje kisika stvaraju stvarne opasnosti. Zanimljiv je kontrast razmjera. Plin koji nas okružuje pri običnim temperaturama može biti tekućina tek u mnogo drukčijim toplinskim uvjetima i uz odgovarajuću stručnu opremu.

Dušik je potreban životu, ali višak hranjivih tvari može poremetiti vodene sustave. Previše dušika i fosfora može potaknuti rast algi. Tijekom razgradnje organske tvari troši se kisik iz vode, što šteti organizmima kojima je potreban. To je onečišćenje hranjivim tvarima, a ne dokaz da atmosferski plinoviti dušik sam boji vodu zeleno. Kemijski oblik i mjesto ponovno su važni. Tvar korisna za rast može postati problem kada je u vodu stiže više nego što sustav može podnijeti. Isti element tako susrećemo u plodnom polju i u okolišnom izazovu nizvodno.