Priče o elementima #27: dušik – nemetal burne prošlosti

Dušik, stanovnik sedme„kućice“ periodnog sustava elemenata ima mnogo imena. Francuzi, Rusi i Srbi ga zovu azot, Englezi nitrogen, a Nijemci Stickstoff. Iz engleskog je jezika dobio svoje latinsko ime, nitrogenium, a po latinskom imenu simbol N. No ni druga imena nisu zaboravljena. Azidi su soli hipotetske dušikovodične kiseline, HN₃, a azo-spojevi (i azo-boje) su organski spojevi koji sadrže dvovalentnu skupinu -N=N-. Odakle ta imena? Što ona znače? Ta dva pitanja koja bi možda mogla zanimati dokonog jezikoslovca ili pak nekog jezičnog čistunca, bremenita su značenjem. U njima se ogleda ne samo povijest kemije i kemijske tehnologije nego, možemo slobodno reći, i politička povijest Europe u 19. i 20. stoljeću.

Prvi spomen dušika nalazimo u pismu iz 1772. godine što ga je engleski kemičar Henry Cavendish pisao svome kolegi i sunarodnjaku Josephu Priestleyju. Pisao je da postoje barem dvije vrste „zraka“ u kojima živa bića ginu, a svijeća se gasi. Jedan je zrak „vezan“, a drugi „potrošen“ (consumed). Prvi se „zrak“ može vezati lužinom, a drugi ne može. Taj drugi zrak Cavendish je zvao mefitičnim (zagušljivim) te je kao dobar i strastveni mjeritelj svega, ustanovio da je taj drugi zrak lakši od običnog zraka. Do istog je zaključka došao iste godine i Daniel Rutherford, pa se može govoriti o paralelnom otkriću, s tom razlikom što je Rutherford svoje otkriće ipak objavio u raspravi „De aere fixo dicto, aut mephitico (O zraku zvanom vezani ili zagušljivi)“.

O naravi toga zraka engleski su kemičari imali vrlo mutne pojmove, jer su bili opterećeni flogistonskom teorijom. Oblake je raspršio tek Antoine Laurent Lavoisier. I evo ga: u njegovoj tablici kemijskih elemenata („jednostavnih tvari“) iz 1789. godine nalazimo i azote. Azot je stoga najstarije znanstveno ime kemijskog elementa i elementarne tvari koju udišemo sa svakim udahom zraka – jer u zraku ima 78 % dušika, a to znači mnogo više od bilo kojeg drugog plina.

No što znači azote? To je očito riječ grčkog korijena, pa ako je shvatimo kao a-zoe (ne-život), kako je shvaćaju neki kemičari, ne trebamo se čuditi kako se ti isti čude kako „beživotni kemijski element“ može biti temelj života na Zemlji. Danas se već u osnovnoj školi uči da proteini i nukleinske kiseline sadrže dušik, a kada se malo bolje izuče suvremene teorije o postanku života, bit će da je prva biokemijska reakcija koja je davala energiju praorganizmima koji su se pojavili na Zemlji bila reakcija prevođenja (redukcije) dušika, N₂, u amonijak, NH₃.

Mnogo ćemo biti bliži istini zavirimo li u Klaićev Rječnik stranih riječi pa tamo pronađemo da azot dolazi od grčkog glagola azomai – sahnem. A kako bi drugačije i moglo biti? To kažem zato što aer mephiticus (zagušljivi zrak) i azot zapravo znače jedno te isto, kao i prevedenice dušik i Stickstoff (njem. stickig – zagušljiv). Druga je pak priča o riječi nitrogen. Ona vodi korijen od riječi nitrum, kojom su nekoć zvali kalijev nitrat (KNO₃) ili salitru. (Riječ „salitra“ dolazi pak od lat. sal petrae – sol stijene, koja je u naš jezik ušla preko njemačke riječi Salpeter.)

Ovo posljednje je vrlo važno jer nam kazuje da su nitrati bili prvi izvori dušika. Prirodna ležišta čilske salitre (natrijeva nitrata) davala su sirovinu za proizvodnju umjetnih gnojiva, ali i dušične kiseline koja se dobivala reakcijom NaNO₃ sa sumpornom kiselinom. Tko je mogao uvoziti čilsku salitru, jasno je, nije se trebao bojati za svoja polja, a ni za svoje topove. Dušična („salitrena“) kiselina je naime sirovina za proizvodnju eksploziva, od bezdimnog baruta (nitroceluloze) do nitroglicerina (dinamita), pikrinske kiseline (ekrazita) i trotila (TNT). Štoviše, najstariji eksploziv, crni barut, sadrži nitrate i to u najjednostavnijem obliku: glavni mu je sastojak salitra, a to je dakako kalijev nitrat.

Takvo stanje stvari pogodovalo je pomorskim nacijama, posebice Engleskoj. Ona je svojom jakom trgovačkom flotom mogla dopremati salitru iz Južne Amerike, a moćnom ratnom mornaricom štititi svoje trgovačke putove. Nasuprot tome, kontinentalne europske zemlje time se nisu mogle pohvaliti. Naročito je bila ugrožena Njemačka, koja je stalno strepila od engleske pomorske blokade, pa su njemački kemičari dali sve od sebe da „kolonijalnu robu“ zamijene domaćim proizvodom.

I evo ga: nakon višegodišnjeg rada njemački kemičar Fritz Haber uspio je 1908. godine proizvesti amonijak izravno iz elemenata, spajanjem dušika i vodika. Dušik je dobivao iz zraka, a vodik iz kamenog ugljena kojim je Njemačka obilovala. Reakcijom vodene pare s ugljenom nastaje naime vodik (uz CO ili CO₂, ovisno o uvjetima reakcije), pa treba samo spojiti ta dva plina da bi se dobio treći, amonijak. No to „samo“ i nije bilo „samo“, jer je problem bio u tome što se pri nižoj temperaturi dobiva više amonijaka, ali reakcija spajavanja vodika s dušikom sporije teče. Rješenje je pronađeno u katalizatoru, tvari koja ubrzava kemijsku reakciju ili, točnije, tvari koja ubrzava uspostavljanje kemijske ravnoteže (pri određenim uvjetima tlaka i temperature, razumije se).

Zahvaljujući proizvodnji dušikovih spojeva iz zraka Njemačka je mogla proizvoditi eksplozive i bez nedostupne čilske salitre te tako produžiti ratovanje protiv sila Antante, a usto umjetnim gnojivima suzbiti djelovanje „gladne blokade“. Uspjeh tehnologije proizvodnje amonijaka ogleda se ne samo u Nobelovoj nagradi koju je Haber dobio 1918. godine nego još više u činjenici da se i dan danas amonijak proizvodi na isti način, tehnologijom koju su Fritz Haber i Carl Bosch razvili prije stotinu godina.

Od amonijaka je dalje išlo lako. Amonijak izgaranjem na platinskoj mrežici (katalizatoru!) daje dušičnu kiselinu, a spajanjem amonijaka s dušičnom kiselinom nastaje amonijev nitrat, NH₄NO₃, izvanredno dušično gnojivo, ali i izuzetno opasna, eksplozivna tvar. Eksplozije se uskladištenog amonijevog nitrata 2020. godine u Bejrutu svi sjećamo, no stotinu godina prije Bejruta eksplozija istog umjetnog gnojiva uništila je 1921. prvu tvornicu za proizvodnju amonijaka Haber-Boschovim postupkom u Oppau.

Dušik je, kažu, inertan plin. Niti gori niti podržava gorenje. No to se ne bi nikako moglo reći za njegove spojeve. Žestok je dušik, žestok.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.