Stikstof: Het element

Stikstof is een chemisch element met symbool N en atoomnummer 7. Het is een transparant tweeatomig gas en het lichtste element van de stikstofgroep. Stikstof is een veel voorkomende element in het heelal. Op Aarde vormt het element ongeveer 77% van de atmosfeer en als zodanig het meest voorkomende pure element. Het werd ontdekt als een bestanddeel van lucht door de Schotse arts Daniel Rutherford, in 1772. Veel industrieel belangrijke verbindingen, zoals ammoniak, salpeterzuur, organicnitrates (drijfgassen en explosieven) en cyaniden bevatten stikstof.

Stikstof verbindingen

De sterke drievoudige binding tussen N en N in het molecuul N2 overheerst in de stikstof chemie, waardoor stikstof moeilijk om te zetten is in bruikbare verbindingen. Echter maar tegelijkertijd veroorzaakt vrijkomen van grote hoeveelheden vaak bruikbare energie wanneer de verbindingen verbranden. Synthetisch geproduceerde ammoniak en nitraten zijn belangrijke industriële-n meststoffen. Kunstmest nitraten verontreinigen het milieu. Het Ostwaldproces maakte grootschalige productie van salpeterzuur en nitraat mogelijk, en nam de industriële productie van nitraat voor onder andere explosieven en drijfgassen voor wapens toe. De organische en anorganische zouten van salpeterzuur zijn historisch belangrijk geweest als chemische energie voor oorlogvoering en raketbrandstof. De natuurlijke bronnen zijn verdrongen door de industriële productie, begin twintigste eeuw.

Algemene eigenschappen van het element stikstof

Fysische eigenschappen van het element stikstof

Tripel punt = Toestand (temperatuur en druk) waarbij de vaste-, vloeibare en dampfase van een stof met elkaar in evenwicht is.
Kritisch punt = Toestand in een punt in een fasediagram waarin vloeibare- en gasfase van een stof dezelfde dichtheid hebben en dus niet meer van elkaar te onderscheiden zijn, er is geen scheidingsvlak.

Eigenschappen van het stikstof atoom

Isotopen van het element stikstof

Er zijn twee stabiele isotopen van stikstof: 14N en 15N. De meest voorkomende isotoop is 14N (99,634%) van de tien synthetisch geproduceerde isotopen. 13N heeft een halfwaardetijd van tien minuten en de resterende isotopen seconden of minder.

De stabielste isotopen van het element stikstof

Buiten hun belangrijkste toepassingen als meststof en energiebron is stikstof een onderdeel van materialen als Kevlar weefsel en cyanoacrylaat "super" lijm. Stikstof is een bestanddeel van vele geneesmiddelen, waaronder antibiotica. Industriële processen zoals de Frank-Caro proces (1895-1899) en het Haber-Bosch proces (1908-1913) losten het probleem van het stikstof tekort rond 1900 op. De helft van de voedselproductie is gebaseerd op synthetische stikstofhoudende meststoffen.

Productie van stikstof

Stikstof gas is een industrieel gas geproduceerd door de gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht. Commercieel stikstof is vaak een bijproduct van lucht-verwerking voor bereiding van zuurstof voor staalproductie en andere doeleinden. In een chemisch laboratorium wordt stikstof onder andere bereid door een waterige oplossing van ammoniumchloride met natriumnitriet:

• NH4Cl (aq) + NaNO2 (aq) → N2 (g) + NaCl (aq) + 2 H2O (l)

Zeer zuivere stikstof kan worden bereid door de thermische ontleding van bariumazide of natriumazide:

• 2 NaN3 → 2 Na + 3 N2

Toelichting op de eigenschappen van stikstof

Stikstof is een niet-metaal met een elektronegativiteit van 3.04. Het heeft vijf elektronen in de buitenste schil en is derhalve driewaardig in de meeste stikstofverbindingen. De drievoudige binding in moleculaire stikstof (N2) is een van de sterkst mogelijke verbindingen in de chemie.

Onstabiele allotropen van stikstof uit meer dan twee stikstofatomen zijn geproduceerd in het laboratorium, zoals N3en N4. Onder extreem hoge druk (1,1 miljoen atm) en hoge temperaturen (2000 K), polymeriseert stikstof in kristalstructuur vergelijkbaar met die van diamant, beide hebben extreem sterke covalente bindingen. N4 heeft als bijnaam "stikstof diamant".

Voorkomen van stikstof

Stikstofgas (N2) is het grootste bestanddeel van de aardse atmosfeer (78,082% van het volume van droge lucht, 75,3% van het gewicht in droge lucht). Er bestaan relatief weinig stikstof mineralen, zoals salpeter (kaliumnitraat), Chili salpeter (natriumnitraat) en salmiak (ammoniumchloride).

Toepassingen van stikstof

• Stikstofgas heeft vele toepassingen, zoals het vervangen van lucht door (inert) stikstof waar oxidatie ongewenst is.
• stikstof zuiver of gemengd met kooldioxide tot nitrogenate voor behoud van versheid van verpakte levensmiddelen.
• In gloeilampen als alternatief voor argon.
• In fotolithografie.
• Als diëlektricum gas voor apparatuur met hoog voltage.
• De productie van roestvast staal.
• Gebruikt in sommige vliegtuigbrandstof om brandgevaar te verkleinen.
• Op de top van vloeibare explosieven als veiligheidsmaatregel.
• Vulling van auto- en vliegtuigindustrie banden.
• Stikstof gebruikt als vervanging van kooldioxide (vaatjes) van sommige bieren (nitro bier).
• Stikstof tanks worden ook vervangen van kooldioxide als de belangrijkste energiebron voor paintball guns.
• Vloeibare stikstof is een cryogene vloeistof. Bij atmosferische druk kookt bij -195,8 ° C.
• Voornaamste gebruik van vloeibare stikstof is als koelmiddel. Onder andere gebruikt voor de cryopreservatie van bloed, geslachtscellen (sperma en ei) en andere biologische monsters en materialen. Wordt gebruikt voor het koelen van speciale nauwkeurige laboratoriumapparatuur en infrarood detectoren of röntgendetectors om de invloed van het apparatuur op de metingen te elimineren.

Stikstofverbindingen

Moleculaire stikstof (N2) in de atmosfeer is niet-reactief vanwege de sterke drievoudige binding, N≡N. In de natuur, wordt stikstof omgezet in verbindingen door de bliksem en door bepaalde bacteriën. Moleculaire stikstof komt vrij in de atmosfeer door sterven van plant en dier.

Tot de 20e eeuw, de toegang tot stikstofverbindingen voor meststoffen en buskruit via natuurlijke nitraten, zoals Chileense salpeter. Maar eerst de Frank-Caro werkwijze voor het produceren cyanamide, en vervolgens het Haber-Bosch proces voor de productie van ammoniak uit lucht en aardgas.

Ammoniumnitraat is gebruikt als kunstmest en als explosief. Diverse andere genitreerde organische verbindingen, zoals nitroglycerine, trinitrotolueen, andnitrocellulose, worden gebruikt als explosieven en als drijfgassen voor vuurwapens. Salpeterzuur wordt gebruikt als oxidatiemiddel in vloeibare brandstof raketten. Hydrazine en hydrazinederivaten worden toegepast als raketbrandstof.

Stikstof is een bestanddeel van vele geneesmiddelen. Distikstofoxide (N2O) ofwel ‘lachgas’werd ontdekt in de 19e eeuw en gebruikt voor gedeeltelijke verdoving. Andere opmerkelijke stikstof bevattende geneesmiddelen zijn afgeleid van alkaloïden zoals morfine. Geneesmiddelen die stikstof bevatten zijn antibiotica en organische nitraten zoals nitroglycerine en nitroprusside die bloeddruk en hartwerking regelt.

Biologische rol van stikstof

Stikstof is een bouwsteen van aminozuren en nucleïnezuren, essentieel voor alle levensvormen. Stikstof komt vooral voor in aminozuren en in nucleïnezuren (DNA en RNA). Het menselijk lichaam bevat ongeveer 7 % (massa) stikstof, vierde meest voorkomende element in het lichaam na zuurstof, koolstof en waterstof.

Stikstof is aanwezig in alle bekende levende organismen, in proteïnen, nucleïnezuren en andere moleculen. Het maakt tot ongeveer 4% van het drooggewicht van plantaardig materiaal uit en ongeveer 3% van het gewicht van het menselijk lichaam. Het is een groot onderdeel van dierlijk afval (bijvoorbeeld guano), gewoonlijk in de vorm van ureum, urinezuur, ammoniumverbindingen en derivaten van deze stikstofhoudende producten, essentiële voedingsstoffen voor planten.

Veiligheid

• Direct contact met vloeibare stikstof huid veroorzaakt ernstige bevriezingsverschijnselen.
• Snelle afgifte van stikstofgas in een afgesloten ruimte kan zuurstof verdringen en de aanwezigen lopen gevaar te stikken. Dit kan gebeuren met weinig waarschuwingssignalen.
• Bij inhalatie bij hoge (partiële) drukken (meer dan ongeveer 4 bar, d.w.z. duiken tot een diepte van ongeveer 40 meter), stikstof werkt als een anestheticum, (in dit geval een) stikstofnarcose, een tijdelijke semi-verdoofde toestand,vergelijkbaar met wat lachgas veroorzaakt.
• Stikstof lost op in de bloedbaan en in lichaamsvet. Snelle decompressie (bijvoorbeeld duikers die te snel opstijgen), kan leiden tot fatale decompressieziekte (caisson ziekte).