Stikstof (element)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Stikstof / Nitrogenium
Periodiek systeem
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Algemeen
Naam Stikstof / Nitrogenium
Symbool N
Atoomnummer 7
Groep Stikstofgroep
Periode Periode 2
Blok P-blok
Reeks Niet-metalen
Kleur Kleurloos
Chemische eigenschappen
Atoommassa (u) 14,0067
Elektronenconfiguratie [He]2s2 2p3
Oxidatietoestanden -3 - +5
Elektronegativiteit (Pauling) 3,04
Atoomstraal (pm) 70
1e ionisatiepotentiaal (kJ·mol−1) 1402,34
2e ionisatiepotentiaal (kJ·mol−1) 2856,11
3e ionisatiepotentiaal (kJ·mol−1) 4578,19
Fysische eigenschappen
Dichtheid (kg·m−3) 1,2506
Smeltpunt (K) 63,3
Kookpunt (K) 77,4
Aggregatietoestand Gas
Smeltwarmte (kJ·mol−1) 0,36
Verdampingswarmte (kJ·mol−1) 2,79
Van der Waalse straal (pm) 155
Kristalstructuur Hex
Molair volume (m3·mol−1) 17,3
Geluidssnelheid (m·s−1) 333,6
Specifieke warmte (J·kg−1·K−1) 1040
Warmtegeleiding (W·m−1·K−1) 0,0258
SI-eenheden en standaardtemperatuur en -druk worden gebruikt,
tenzij anders aangegeven
Portaal  Portaalicoon   Scheikunde

Stikstof is een scheikundig element met symbool N en atoomnummer 7. Stikstof is een niet-metaal uit de stikstofgroep (groep Va). Losse atomen van dit element zijn zeer reactief en verbinden zich direct met andere stikstofatomen. Hierbij wordt meestal distikstof gevormd (N2 of moleculaire stikstof), wat de gangbare verschijningsvorm van stikstof is. Op kamertemperatuur verkeert N2 in gasvorm.

Nuvola single chevron right.svg Zie ook het artikel over moleculaire stikstof

Losse atomen stikstof worden ook wel in statu nascendi genoemd.

Ontdekking[bewerken]

Verbindingen van stikstof zoals salpeter waren al in de oudheid bekend. De alchemisten kenden salpeterzuur onder de naam aqua fortis, dapper water. 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.

Toepassingen[bewerken]

De toepassing van stikstofverbindingen is bijzonder groot. Ammoniumverbindingen 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. Cyaniden 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, dat wil zeggen in het doorgeven van signalen van de ene zenuwcel naar de andere. Bovendien wordt vloeibare stikstof ook gebruikt in de computerwereld om zeer extreme overklok-resultaten te behalen.

Ook in de vorm distikstof of N2 is stikstof erg interessant voor de industrie.

Stikstofchemie[bewerken]

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.

Nuvola single chevron right.svg Voor de meest gangbare eigenschappen en toepassingen van stikstofgas, zie het artikel over distikstof

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 nitriden 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 eenkristallen 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. Dit gas is erg goed oplosbaar in water en vormt daarin een base, ammonia: NH4OH. Deze Brønstedt base is niet erg stabiel, maar vormt wel de grondslag voor een klasse zouten, de ammoniumverbindingen. Het ammonium ion NH4+ 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.

Oxidatiegetal +III[bewerken]

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

Oxidatiegetal +V[bewerken]

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.

Andere verbindingen[bewerken]

Naast stikstoftrioxide N2O3 en stikstofpentoxide N2O5 bestaan er nog andere oxiden: lachgas N2O, stikstofmonoxide NO en stikstofdioxide NO2 (ook wel 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.

Organische chemie van stikstof[bewerken]

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.

Verschijning[bewerken]

Moleculaire 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.

Isotopen[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie Isotopen van stikstof voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
Meest stabiele isotopen
Iso RA (%) Halveringstijd VV VE (MeV) VP
13N syn 9,965 min β+ 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.

Toxicologie en veiligheid[bewerken]

Bij het gebruik van vloeibare stikstof moet men oppassen voor cryogene brandwonden en voor verstikking. Door de toenemende hoeveelheid stikstof in de lucht zal de fractie zuurstof kleiner worden, wat verstikking tot gevolg kan hebben. Een bijkomend gevaar is dat zuurstoftekort vaak niet op tijd opgemerkt wordt, dus goede ventilatie is essentieel. Ook moet voorkomen worden dat vloeibare stikstof te lang zuurstof uit de lucht kan condenseren: er blijft dan een residu met een grote hoeveelheid vloeibare zuurstof, een zeer krachtig oxiderende 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.

Cyaniden 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.

Externe links[bewerken]


Zoek dit woord op in WikiWoordenboek