N
Stikstof 


Voorkomen
Wingebieden
Naam
Ontdekking
Bereiding vroeger
Bereiding nu
Toepassingen en toelichting
Verdere toepassingen

 

 

 

VOORKOMEN                       

1,9.10-3 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit stikstof; het is het 34e element in rangorde van voorkomen. Het stikstofgehalte in de atmosfeer bedraagt 78,1 %. Men treft stikstof aan in eiwitten (ca. 15 %) en in een groot aantal mineralen, waarvan salpeter (KNO3) en chilisalpeter (NaNO3) de belangrijkste zijn.

WINGEBIEDEN

Tot in de eerste helft van de twintigste eeuw was men voor de nitraatvoorziening (onder meer voor kunstmest) afhankelijk van mineralen. Een andere belangrijke was 'guano', een afzetting van verdroogde vogelmest, afkomstig van Peru en een aantal eilanden in de Grote Oceaan. De belangrijkste wingebieden voor salpeter zijn Chili (Chilisalpeter!), Peru, India, Bolivia, ItaliŰ, Spanje en Rusland. 

NAAM

De Latijnse naam voor stikstof, nitrogenium, (waarvan ook het symbool is afgeleid) is afkomstig van het Griekse "nitron gennan", wat “vormer van salpeter” (nitraat) betekent. Deze naam werd gegeven vanwege de aanwezigheid van het element in salpeter en salpeterzuur.

A. L. de Lavoisier verkoos de naam azote, afgeleid van het Griekse azotikos, wat “geen leven” betekent, vanwege het feit dat levende organismen in het gas stikken. De naam azote wordt in het Frans nog steeds gebruikt en is ook terug te vinden in namen als azo en azide. Op grond van genoemde eigenschap is ook voor de Nederlandse naam stikstof gekozen. 

ONTDEKKING

Stikstof werd in 1772 door D. Rutherford ge´soleerd uit lucht. De zuurstof werd eerst verwijderd door verbranding met koolstof, waarna het gevormde koolstofdioxide werd gebonden aan een alkalische oplossing. Rutherford zag stikstof nog niet als element, maar als “flogistonrijke lucht”. Pas in 1840, na de ontwikkeling van de verbrandingstheorie van A. L. Lavoisier, werd stikstof als een afzonderlijk element beschouwd. 

In dezelfde periode werd stikstof, onafhankelijk van Rutherford, op identieke wijze door C. W. Scheele, H. Cavendish en J. Priestley ge´soleerd. 

Stikstofverbindingen waren al in de Oudheid bekend. Salmiak (ammoniumchloride) wordt al in de 5e eeuw v. Chr. beschreven in “Historia” van Herodotos.

BEREIDING VROEGER

Stikstof werd bereid door onttrekking van zuurstof en koolstofdioxide aan lucht (zie ontdekking). 

BEREIDING NU

Stikstof wordt bereid door gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht. 

De wereldproductie bedraagt ongeveer 150 miljoen ton per jaar.

 

Zeer zuivere stikstof wordt - incidenteel - op laboratoriumschaal bereid door ontleding van natriumazide:

 

        2 NaN3  →  300║C →  2 Na +  3 N2 

 of van ammoniumnitriet (mengsel van natriumnitriet en ammoniumchloride):

 

        NH4NO2  →  70║C  →  N2  + 2 H2

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING 
Koude-eigenschappen 

Een aantal toepassingen van stikstof als niet-ontleedbare stof (element) zijn gebaseerd op de koude-eigenschappen van vloeibare stikstof (kookpunt -196░C), bijvoorbeeld: 

 

- cryochirurgie 

Cryo betekent: koud. Met vloeibare stikstof worden wratten aangestipt. Hierdoor wordt het vocht onttrokken, sterven de cellen af  en verschrompelt de wrat. Ook voor de behandeling van bepaalde huid- en hals- en bottumoren wordt vloeibare stikstof gebruikt. De meest recente ontwikkeling in de cryochirurgie is de behandeling van bepaalde levertumoren. 

 

- voedselkoelvloeistof

Bij de zeer lage temperatuur kan men het voedsel zeer snel invriezen en op lage temperatuur bewaren. Hierdoor blijven de eigenschappen veel beter behouden dan bij het conventionele invriezen. 

 

Voor het bewaren van weefselculturen, sperma, bloedfracties, hoornvlies en biologisch materiaal maakt men gebruik van vloeibare stikstof.

Bij het recycleren van metalen wordt afgekoeld met vloeibare stikstof, waarna het metaal gemakkelijk kan worden gebroken en tevens een scheiding plaatsvindt van ferro- en non-ferrometalen.

In de werktuigbouw worden ringen en flenzen op assen ‘gekrompen’ door de as af te koelen met vloeibare stikstof. De zo bevestigde onderdelen kunnen alleen nog door snijbranden worden verwijderd.

 

Ammoniakbereiding

Ammoniak werd in 1913 voor het eerst geproduceerd volgens een door F. Haber en C. Bosch (bij BASF in Ludwigshafen) ontwikkeld proces, dat sindsdien nauwelijks is gewijzigd. 

Bij de productie wordt uitgegaan van stikstof en waterstof. De stikstof is afkomstig uit de lucht, de waterstof wordt verkregen door reactie van aardgas (of andere koolwaterstoffen) met stoom. De koolwaterstoffen moeten eerst worden ontzwaveld (anders zou bij de ammoniaksynthese vergiftiging van de katalysator optreden) en worden vervolgens met stoom en lucht over nikkel geleid. Bij hoge temperatuur en druk treden de volgende reacties op:

 

         CH4  + H2O   →   CO   +   3 H2

         CH4  + 2 H2O   →   CO2  +   4 H2 .   (750 ░C, 30.105 Pa) 

en      CH4  +   lucht   →   CO   +   2 H2    +  x N2    (900 ░C en 30.105 Pa)

De verhouding wordt zo gekozen dat er uiteindelijk een stikstof-waterstofmengsel ontstaat, waarin beide gassen in de juiste verhouding voorkomen. 

Het gevormde koolstofmonooxide reageert met stoom als het gasmengsel over een andere katalysator (FeO/Cu) wordt geleid:

CO   + H2O       →     CO2   + H2   

Daarna wordt het koolstofdioxide verwijderd door het gasmengsel door een kaliumcarbonaat­oplossing te leiden:

         CO2  + H2O  + K2CO3   →  2 KHCO3 

Het overgebleven koolstofmonooxide wordt verwijderd door reactie met waterstof:

         CO  +  3 H2   →  (Ni,325C) →   CH4 + H2

Het resterende gasmengsel, bestaande uit 74,3 % waterstof, 24,7 % stikstof, 0,7 % methaan en 0,3 % argon, wordt op 200.105 Pa gebracht en bij 425 ░C over zeer fijn verdeeld ijzer geleid. Het fijn verdeelde ijzer ontstaat doordat de waterstof uit de gasstroom het op een drager aangebrachte, zeer fijn verdeeld Fe3O4 reduceert. Bij de reactie ontstaat ammoniak:

         N2  +  3 H2  →     2 NH3  

De reactie is een evenwichtsreactie. Bij de heersende omstandigheden wordt ca. 15 % ammoniak gevormd, dat door condensatie aan het mengsel wordt onttrokken, waarna het overblijvende gas opnieuw naar de reactor wordt geleid.  

De wereldproductie bedraagt enkele miljoenen tonnen per jaar.

 

(Raket)brandstof

Hydrazine (N2H4) wordt verkregen uit ammonia en een hypochlorietoplossing. Bij zeer snelle stijging van tempetuur en druk ontstaat een verdunde oplossing van hydrazine, dat vervolgens wordt ge´soleerd. Het wordt - meestal samen met methyl- en dimethylhydrazine - gebruikt als brandstof in raketten en ruimtevaartuigen, onder andere in de Russische Saljut-, Kosmos- en Cycloonraketten, in de maanlandingsvaartuigen uit het Apolloproject en in de Arianeraket. In de laatste wordt gebruik gemaakt van distikstoftetraoxide (N2O4) als oxidator.

Andere oxidatoren zijn: vloeibare zuurstof, waterstofperoxide, geconcentreerd salpeterzuur en fluor. Voor jachtvliegtuigen, bijvoorbeeld van het type F-16, dient hydrazine als brandstof voor de generator van het noodsysteem. 

Voor motoren die - meestal kortstondige - hoge prestaties moeten leveren, bijvoorbeeld bij speciale races (zoals dragracing en sprints) en bij sommige modelvliegtuigen wordt hydrazine of nitromethaan (CH3NO2) als brandstof gebruikt.

 

Kunstmest 

Veel soorten kunstmest zijn gericht op het opnemen van stikstof door de plant. De plant is niet in staat stikstof  rechtstreeks uit de lucht op te nemen. De stikstofhoudende meststoffen bevatten stikstof in de vorm van ammoniumzouten of nitraten. Voor 1 ton aardappelen is ongeveer 3,2 kg stikstof nodig, voor 1 ton graan 18 kg. De nitraten worden voor het merendeel synthetisch verkregen, via de salpeterzuursynthese. 

Tot ca. 1900 kon salpeterzuur alleen worden bereid door reactie van salpeter (KNO3 of NaNO3) met geconcentreerd zwavelzuur. In 1901 ontwikkelde Ostwald - die in 1904, onder meer voor deze vinding, de Nobelprijs ontving - een productieproces, gebaseerd op de oxidatie van ammoniak.

Bij dit proces, dat ook nu nog vrijwel ongewijzigd wordt uitgevoerd, wordt ammoniak bij hoge temperatuur en druk (850 ░C, 5.105 Pa) geoxideerd met behulp van platina als katalysator. Om het verlies aan katalysator te beperken wordt platina gelegeerd met 10 % rhodium, waardoor de hardheid sterk toeneemt. Om nevenreacties zoveel mogelijk te voorkomen wordt het mengsel slechts gedurende ca. 1 milliseconde in contact gebracht met de katalysator. Bij het proces wordt lucht met ca. 10 % ammoniak over de katalysator geleid, waarbij stikstofmonooxide ontstaat:

 

         4 NH3  +  5 O2  →  4 NO  +  6 H2O            (1)

 

Hierbij wordt een omzetting van ca. 96 % bereikt. Het ontstane stikstofmonooxide reageert bij afkoelen van het mengsel met de overmaat zuurstof tot stikstofdioxide, dat vervolgens in een adsorptiekolom, bij 40 ░C, met water omgezet wordt in salpeterzuur (ca. 60 %):

 

         4 NO  + 2 O2    →  4 NO2                      (2)     

         4 NO2 + 2 H2O  +  O2   →  4 HNO3          (3)

 

totaal:  4 NH3  + 8 O2   → 4 HNO3   +  4 H2

 

Via destillatie kan 68,5 % salpeterzuur worden verkregen (azeotropisch mengsel). Met geconcentreerd zwavelzuur of door destillatie met magnesiumnitraat kan geconcentreerd salpeterzuur worden verkregen. 

Enkele voorbeelden van stikstofhoudende kunstmest zijn: 

ammoniumnitraat, NH4NO3

ammoniumsulfaat, (NH4) 2SO4

Chilisalpeter, NaNO3

diammoniumfosfaat, (NH4) 2HPO4                               

kalksalpeter, Ca(NO3) 2

monoammoniumfosfaat, NH4H2PO4

ureum, CO(NH2) 2   

 

De zuivere stof wordt niet vaak toegepast, wel een mengsel van meststoffen, afhankelijk van de behoefte, bijvoorbeeld:

kalkammonsalpeter (mengsel ammoniumnitraat en kalk)

magnesammon (mengsel ammoniumnitraat en magnesiumoxide).

 

Springstof

De meeste springstoffen hebben met elkaar gemeen dat het organische verbindingen zijn, die een aantal -ONO2 of -NO2-groepen bezitten. Bij ontsteking volgt een sterk exotherme reactie waarbij veel gassen gevormd worden. De reactie verloopt bijzonder snel, waardoor in zeer korte tijd een hoge temperatuur en hoge druk optreedt.

De meest bekende springstoffen zijn:

a. Dynamiet

In de negentiende eeuw was glyceryltrinitraat, ook wel nitroglycerine genoemd, al bekend als zeer explosieve stof. Deze stof is echter moeilijk hanteerbaar en levensgevaarlijk omdat ze bij kleine veranderingen in temperatuur of druk, en bij stoten, onverwacht kan ontploffen. A.Nobel ontdekte dat nitroglycerine ongevaarlijk was, wanneer dit was opgenomen in kiezelgoer, een poreus gesteente. Tegenwoordig worden andere bindmiddelen gebruikt, meestal gelatineachtige producten. De hoeveelheid springstof in het mengsel hangt af van de beoogde toepassing.

De aldus verkregen stof is gemakkelijk te verwerken en kan alleen door middel van detonatie tot ontploffing worden gebracht. De detonatie - eveneens een uitvinding van Nobel - wordt tot stand gebracht door het zeer explosieve knalkwik, Hg(OCN) 2.

Nobel verkreeg octrooi op deze beide uitvindingen, alsmede op ongeveer 350 andere. Uit de renten van de opbrengsten van deze octrooien worden onder meer de jaarlijkse Nobelprijzen gefinancierd. Deze prijzen worden sinds 1900 jaarlijks toegekend voor chemie, natuurkunde, geneeskunde, literatuur en de vrede.

b. TNT

Trinitrotolueen (afgekort: TNT) is een springstof die voor het overgrote deel voor militaire doeleinden wordt gebruikt, zoals bommen, granaten en mijnen. De explosieve kracht van kernwapens wordt uitgedrukt in het equivalent van het aantal ton TNT. TNT is een zeer stabiele stof en wordt door detonatie tot ontploffing gebracht.

 

c. Semtex

Semtex is een springstof van de nieuwe generatie. Semtex is een combinatie van twee springstoffen, RDX (=cyclotrimethyleentrinitramine) en pentriet (= pentaerythritoltetranitraat), die samengevoegd met een (polymeer) bindmiddel en een weekmaker een kneedbare massa vormen.

Semtex is zeer stabiel, gemakkelijk te hanteren en te vervoeren en kan uitsluitend door detonatie tot ontploffing worden gebracht. Bovendien is het opsporen van deze springstof veel moeilijker dan van klassieke springstoffen. Om deze redenen wordt  Semtex veel gebruikt bij terroristische aanslagen.

VERDERE TOEPASSINGEN

Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element):

bereiden, koelen en zuurstofvrij verpakken van levensmiddelen en farmaceutische producten

bereiding en verwerking van metalen, bijvoorbeeld staal en aluminium 

bereiding metalen in inerte atmosfeer

bevriezen van de grond bij het boren van tunnels

bevriezen van de inhoud van pijpen of leidingen als afsluiters niet werken

bewaren van fruit in een atmosfeer met weinig zuurstof

bijsturen van de calorische waarde van aardgas (afkomstig uit verschillende aardgasvelden)

brandbestrijding (o.a. in mijnen)

drijfgas in spuitbussen

drukregelaar in brandstoftanks (onder andere voor raketten) en in boorputten 

koelen van elektrische kabels

koelen van reactoren in de petrochemie

lasers

maken van PVC-buizen

productie van halfgeleiders

verdrijven van brandbare gassen uit tanks, pijpleidingen en silo's

verdunnen van zeer brandbare gassen

verhogen van de productiviteit van aardgas- en aardolievelden

verwijderen van het giethoofd bij kunststofverwerking

voorkomen van explosies bij de olie- en gaswinning

vulling in gloeilampen 

 

Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding): 

airbag

 NaN3

antisepticum

 BiONO3

bladbemesting

 Mg(NO3) 2

bruine kleurstof in keramiek

 Ni(NO3) 2

conserveren van vleeswaren

 NH4NO3

conserveren, o.a.

E250   NaNO2
 E251NaNO3 
 E252KNO3

drijfgas in spuitbus (o.a. voor slagroom)

 N2

explosieven, vuurwerk

 KNO3

extractiemiddel bij de opwerking van splijtstofstaven van kernreactoren

 Al(NO3)3

galvanotechniek

 CuCN

geneeskunde

  

anesthesie of narcose

 N2O

behandeling van infecties aan de  urinewegen en van bepaalde soorten nierstenen

 NH4Cl

bloeddrukverlager

 NaN3 

cytostaticum of tumorbestrijders, bijv.: cisplatina  of cis-diamminedichloorplatina(II)

 Pt(NH3)2Cl2

losmaken en ophoesten van slijm

 NH4Cl

vaatverwijderaar o.a. bij angina pectoris glyceryltrinitraat graveren van koper

 HNO3

haarverf

 Co(NO3) 2

halfgeleiders

 GaN 
  InN

harsen

 ureum-formaldehydharsen

kathodemateriaal microbatterij

 BC2N  

keramiek met hoge warmtegeleiding t.b.v. elektronica

 AlN

keramische matrijzen

 BN

kleurstof

 Cu(NO3) 2

kunststoffen

 polyamiden/nylons

laboratoriumkroezen

 AlN

lasers

BN
GaN

leerlooien

Al(NO3) 3

munitie

loodazide, PbN6

pigment in verf

CuSCN

pigment voor haarverf/lippenstift

Cu(NO3) 2
BiONO3

radiodiagnostiek (tracer voor onderzoek hart, metabolisme, tumoren)

13N - in ammonia of aminozuren -

slijpschijven

BN

springstof

NaN3

synthetische diamant

BN

textielverf

Pb(NO3)2

vernikkelen

Ni(NO3) 2

vuurwerk

 Cu(NO3)2 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Organische verbindingen, zoals aminozuren, eiwitten, amiden en polyamiden, nitroverbindingen bevatten stikstof.