Stikstof

Stikstof is een scheikundig element met symbool N en atoomnummer 7. Losse atomen van dit element zijn zeer reactief en verbinden zich direct met andere stikstofatomen. Hierbij wordt meestal stikstofgas gevormd (N₂). Stikstof is een kleurloos niet-metaal. De eigenschappen die in dit artikel worden genoemd gelden dan ook vooral voor deze stof, dat bij kamertemperatuur een gas (N₂) is.

Losse atomen stikstof worden ook wel "in statu nascendi" genoemd.

[bewerk] Ontdekking

Verbindingen van stikstof zoals salpeter waren al in de oudheid bekend. De alchemisten kenden salpeterzuur onder de naam aqua fortis. Het mengsel van salpeterzuur en zoutzuur was bekend onder de naam aqua regia, koningswater, omdat het in staat was zelfs goud in oplossing te doen gaan. De ontdekking van het element zelf gaat terug op Daniel Rutherford in 1772. Hij noemde het noxious air, schadelijke lucht, omdat de vlam er in dooft. Ook de Nederlandse benaming stikstof verwijst naar het feit dat een proefdier in pure stikstof geplaatst, daarin stikt. Rond dezelfde tijd bestudeerden ook Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish en Joseph Priestley stikstof onder benamingen als verbrande lucht en gedephlogistiseerde lucht.

De Latijnse naam voor stikstof is nitrogenium, de Grieken noemen het nitron en het Egyptische woord is ntr, dat god betekent.

[bewerk] Toepassingen

Stikstof gas wordt veel toegepast om materialen tegen corrosie door zuurstof, water of kooldioxide te beschermen en als verpakkingsgas voor levensmiddelen (E941). Het wordt uit lucht gewonnen door koudgastechnologie. Lucht wordt vloeibaar gemaakt en door gefractioneerde destillatie wordt het zuivere stikstof daaruit verwijderd. Vloeibare stikstof wordt veel toegepast, bijvoorbeeld in een koude val. Dit is een vat dat omgeven wordt door vloeibare stikstof en waar de vluchtige componenten in een gasstroom uit worden opgevangen om te voorkomen dat zij in een pomp terechtkomen bijvoorbeeld. Zelfs in de landbouw wordt vloeibare stikstof gebruikt, bijvoorbeeld om hooibroei tot staan te brengen. Een andere toepassing is het invriezen van biologische materialen, bijvoorbeeld bevruchte eicellen in een vruchtbaarheidskliniek. Stikstof wordt ook gebruikt voor medische doeleinden, bijvoorbeeld een wrat bevriezen, waardoor de schadelijke cellen uiteindelijk doodgaan en de wrat weg gaat.

De toepassing van stikstofverbindingen is bijzonder groot. Ammonium verbindingen en nitraten zijn belangrijke kunstmeststoffen. Ammoniumnitraat zelf is naast een kunstmeststof in combinatie met een koolwaterstof zoals dieselolie of kerosine als koolstofbron een veelgebruikt, goedkoop explosief. Nitraten zijn ook een onderdeel van buskruit en nitroglycerine, het product van de reactie tussen glycerine en nitreerzuur (salpeterzuur plus zwavelzuur) is een bekend explosief. Cyanides worden gebruikt in de mijnbouw voor het uitlogen van goud. Ammonia is bekend als schoonmaakmiddel. Ammoniak is de basis voor de productie van salpeterzuur. Aniline, een organische verbinding met een -NH₂ groep, is de basis voor de chemie van veel kleurstoffen. Stikstofoxide NO speelt een grote rol als neurotransmitter, d.w.z. in het doorgeven van signalen van de ene zenuwcel naar de andere.

[bewerk] Opmerkelijke eigenschappen

Stikstof is een niet-metaal uit de stikstofgroep en een reukloos en kleurloos gas dat 78% van de aardatmosfeer uitmaakt. Het gas bestaat uit twee-atomige moleculen N₂ met een drievoudige binding, die het molecuul een grote stabiliteit verleent. Het is daarom relatief inert maar kan via het Haber-Boschproces tot ammoniak NH₃ en via het Ostwaldproces tot salpeterzuur HNO₃ gebonden worden. Stikstofbinding kan door elektrische ontlading (bliksem) of door micro-organismen geschieden en is van belang voor de vruchtbaarheid van landbouwgronden.

Hoewel het element een vrij hoge elektronegativiteit bezit (3,0 op de schaal van Pauling) is het gas dankzij de stabiele drievoudige binding vrij inert. De vloeistof kookt bij 77K, bij 63K vormt zich een vaste stof, waarin echter nog steeds de moleculaire N₂ structuur te herkennen valt. Bij zeer hoge drukken echter (ongeveer 240 GPa.) vormt zich een halfgeleidende modificatie met waarschijnlijk een netwerkstructuur. Onder deze omstandigheden gedraagt het element zich dus meer als de andere leden van de pnicogeen-groep.

De drievoudige binding in stiktofgas is een van de sterkere in de natuur en het kost dan ook erg veel energie deze binding te verbreken. Omgekeerd komt er erg veel energie vrij als de binding gevestigd wordt. Dit is de reden dat in talloze explosieven stikstofbindingen te vinden zijn; als de stikstofgroepen uit deze stoffen vrijkomen, vormen zij onmiddellijk stikstofgas waarbij veel energie in de vorm van een explosie vrijkomt.

Stikstof is redelijk oplosbaar in water en bij hoge drukken neemt de oplosbaarheid toe. Dit veroorzaakt problemen voor duikers, de caisson ziekte. Wanneer zij niet langzaam genoeg naar het oppervlakte terugkeren, ontstaan er stikstof belletjes in hun bloed die de bloedsomloop kunnen blokkeren. De vloeibare vorm is een belangrijke cryogeen materiaal, dat brede toepassing vindt. Vloeibare stikstof kost per liter ongeveer evenveel als melk.

Stikstof heeft een bijzonder rijke en belangrijke chemie, hoewel het zelf niet gemakkelijk met andere elementen reageert. Magnesium is daar bijvoorbeeld een uitzondering op. Wanneer dit metaal eenmaal ontstoken is, brandt het ook in pure stikstof door onder de vorming van een nitride:

3Mg + N₂ => Mg₃N₂

In dit geval treedt het element dus op als de redelijk sterke oxidator die het potentieel is. Stikstof heeft een configuratie 2s²2p³, waarbij drie elektronen ontbreken aan de [Ne] configuratie. In zijn verbindingen kan het element een aantal verschillende oxidatietoestanden aannemen. Wanneer het een nitride vormt neemt het drie elektronen op om de [Ne] configuratie te vormen. Het oxidatiegetal is dan -3. Het kan echter ook als reductor optreden en ofwel 3 ofwel 5 elektronen afstaan.

Er zijn stabiele nitrides bekend van vele metalen, hoewel ze soms niet gemakkelijk te synthetiseren zijn. Een nitride dat onlangs erg in de belangstelling gekomen is is dat van gallium GaN. Dit materiaal is een halfgeleider met een vrij grote bandgap, die als LED gebruikt wordt om ultraviolet en blauw licht te produceren. Het materiaal kan met speciale molecular beam technologie als éénkristallen laagjes gegroeid worden. Met boor is boornitride bekend dat een variant van de diamant structuur heeft, bijna even hard is als diamant en tot bijzonder hoge temperaturen stabiel is.

Met water vormt zich uit magnesiumnitride ammoniak.

Mg₃N₂ + 3H₂O => 2NH₃ +3MgO

Ammoniak is zelf een Lewis base. Het een gas dat erg goed oplosbaar is in water en daarin een base vormt, ammonia: NH₄OH. Deze Brønstedt base is niet erg stabiel, maar vormt wel de grondlag voor een klasse zouten, de ammoniumverbindingen. Het ammonium ion NH₄⁺ ion gedraagt zich in vele opzichten als een lid van de alkalimetaal familie. Ammoniumzouten zijn in het algemeen goed oplosbaar.

Met een alkalimetaal als Natrium treedt ammoniak eerder als een zuur op en onder vrijkomen van waterstof vormt er zich een amide NaNH₂.

2Na + 2NH₃ => 2Na⁺ + 2NH₂^- + H₂

Ammoniak wordt direct uit stikstof en waterstof vervaardigd via het Haber proces.

[bewerk] Oxidatiegetal +3

Een voorbeeld van deze toestand is het zure oxide N₂O₃, dat de grondslag vormt van HNO₂, salpeterigzuur en de daarvan afgeleide zouten, de nitrieten, zoals kaliumnitriet KNO₂

[bewerk] Oxidatiegetal +5

In deze toestand valt het atoom terug op de heliumconfiguratie. Een voorbeeld is het pentoxide: N₂O₅, dat niet bijster stabiel is maar met water salpeterzuur HNO₃ dat de grondslag is voor de nitraten. Nitraten zijn in het algemeen goed oplosbare zouten.

Naast stikstoftrioxide N₂O₃ en stikstofpentoxide N₂O₅ betaan er nog andere oxiden: lachgas N₂O, stikstofmonoxide NO en stikstofdioxide NO₂ (ookwel N₂O₄). Zowel stikstofmonoxide NO en stikstofdioxide NO₂ zijn bijzonder omdat ze radicalen zijn, dat wil zeggen moleculen met een elektron met ongepaarde spin. Meestal zijn radicalen dusdanig reactief dat zij slechts zeer kortlevende tussenproducten in een reactie vormen, maar soms kunnen zij stabiel genoeg zijn om geïsoleerd te worden.

Soms kan stikstof in dezelfde verbinding in twee verschillende toestanden voorkomen. Dit wordt een mixed valence verbinding genoemd, een verbinding met gemengde valenties. Een voorbeeld is ammoniumnitraat NH₄NO₃ met zowel -3 and +5. Er zijn andere stikstofverbindingen waar de oxidatietoestand niet in het bovenstaande, vereenvoudigde schema past. Een goed voorbeeld zijn de aziden, zouten met het lineaire ion N₃^-. Dit ion is iso-elektrisch met kooldioxide CO₂. Een cyanide is een verbinding met het anion CN^-. Dit anion is iso-elektrisch met koolmonoxide CO. Het cyanide ion vormt zouten met vele metalen, hun chemie heeft overeenkomsten met de zouten van de halogenen. Ook voor een verbinding als hydrazine N₂H₄ ligt het minder eenvoudig met de oxidatietoestand. Dit molecuul bevat een enkele N-N binding en we kunnen het als een voorbeeld van oxidatiegetal -2 zien.

[bewerk] Organische chemie van stikstof

Stikstof-stikstof bindingen en - nog meer - stikstof-koolstof bindingen die tot ketenvorming leiden zijn bijzonder algemeen en vormen een belangrijk deel van de organische chemie, maar ook van de biochemie. Stikstof is een bijzonder essentieel element voor het leven op aarde. Alle eiwitten bevatten stikstof omdat zij uit aminozuren bestaan. Ook een nucleïnezuur, waaruit DNA en RNA bestaan, bevat stikstof. De binding van stikstof vanuit de lucht kan door sommige organismen tot stand gebracht worden, nl. de stikstofbindende bacteriën. Vlinderbloemige planten zoals soja en boon leven in symbiose met deze organismen, die in de wortelknolletjes op de plantenwortels zitten. Alle andere planten moeten echter de noodzakelijke stikstof verbindingen uit de grond opnemen die daar via bemesting in terecht moet komen. De stikstofkringloop is een belangrijk onderdeel van de biologie.

[bewerk] Verschijning

Stikstof vormt 78% van de dampkring van de aarde. Daarnaast komen stikstofverbindingen als mineralen voor, zoals salpeter. Vaak zijn stikstofhoudende afzettingen van organische herkomst, zoals de guano (vogelpoep). Ook de mest van andere dieren zoals de varkens van bepaalde streken in Nederland bevat stikstof in overvloed.

[bewerk] Isotopen

Meest stabiele isotopen
Iso	RA (%)	Halveringstijd	VV	VE (MeV)	VP
¹³N	syn	9,965 min	EV	2,220	¹³C
¹⁴N	99,634	stabiel met 7 neutronen
¹⁵N	0,366	stabiel met 8 neutronen
¹⁶N	syn	7,13 s	β	10,419	¹⁶O

Er zijn twee stabiele isotopen ¹⁴N en ¹⁵N. Het laatste is vrij zeldzaam, slechts 0,36% van het natuurlijke element bestaat eruit. Isotopenvervanging door ¹⁵N wordt wel toegepast in het ontrafelen van infrarood spectra van organische en biologische verbindingen en in de toepassing van NMR.

[bewerk] Toxicologie en veiligheid

Bij het gebruik van vloeibare stikstof moet men oppassen voor cryogene brandwonden en voor verstikkingsgevaar. Wanneer het stikstof gehalte van de lucht te hoog wordt, werkt dat als narcose en men merkt zelf niet wat er staat te gebeuren. Goede ventilatie is essentieel. Ook moet voorkomen worden dat vloeibare stikstof te lang zuurstof uit de lucht kan absorberen. De stikstof kookt langzaam weg en het restant is vrijwel geheel vloeibare zuurstof, een bijzonder gevaarlijke stof. Nitraten en nitrieten zijn bij verhitting niet stabiel en kunnen tot explosies leiden; dat is vooral zo voor ammoniumnitraat. Deze stof heeft bovendien de neiging onder invloed van vocht uit de lucht een vaste koek te vormen. Bij het verhelpen van dat probleem moet men rekening houden met het ontploffingsgevaar. Cyanides zijn bijzonder giftige verbindingen. Waterstofcyanide is wel gebruikt voor executies van ter dood veroordeelden. Salpeterzuur is niet alleen een erg sterk zuur maar ook een sterke oxidator. Contact met de huid moet vermeden worden. Overmatige bemesting kan tot grote problemen in de rivieren leiden.