N/Stikstof

Toepassingen

Koel- en koudemiddel

Vloeibaar stikstof heeft onder atmosferische omstandigheden een temperatuur van -195,8 °C (de kooktemperatuur). Dat maakt het tot een geschikt een veelgebruikt koelmiddel.

Bloed, sperma, eicellen, stukjes weefsel en ander biologisch materiaal voor medisch wetenschappelijk onderzoek wordt opgeslagen in stikstofgekoelde containers. Vloeibare stikstof wordt ook gebruikt om wratten aan te stippen. Hierdoor sterven de cellen af en verschrompelt de wrat.

Bij de zeer lage stikstoftemperatuur is voedsel snel in te vriezen. Conservering bij die lage temperatuur zorgt er bovendien voor dat de eigenschappen veel beter behouden blijven dan bij het conventionele invriezen. In de moleculaire gastronomie is vloeibare stikstof een onmisbaar hulpmiddel bij nieuwe bereidingsmethoden gebaseerd op lage tempraturen in plaats van hoge.

In de recycling van rubber wordt vloeibaar stikstof gebruikt om het rubber breekbaar te maken.

In de werktuigbouw zijn ringen en flenzen stevig op assen te bevestigen door de as af te koelen met vloeibare stikstof. Ze kunnen daarna alleen nog door snijbranden verwijderd worden.

Ammoniak

Ammoniak (NH₃) vormt de basis van moderne stikstofmeststoffen. In 1913 vond bij BASF in Ludwigshafen de eerste industriële ammoniakproductie plaats volgens het Haber-Bosch proces. Dit is sindsdien eigenlijk nauwelijks gewijzigd.

De wereldproductie van ammoniak bedraagt nu ongeveer tweehonderd miljoen ton per jaar. Volgens schattingen is ongeveer een derde van de wereldbevolking afhankelijk van landbouwproducten geteeld met kunstmest op basis van Haber-Bosch ammoniak. Overigens heeft ammoniak ook minder positieve toepassingen: het vormt de basis voor de vervaardiging van explosieven.

De Duitse chemicus Fritz Haber kreeg in 1918 de Nobelprijs Chemie voor de ontdekking van de syntheseroute naar ammoniak. Landgenoot Carl Bosch chemisch technoloog, ontwikkelde er industrieel proces voor. Hij kreeg de Nobelprijs in 1931.

Het Haber-Bosch proces verbindt stikstof en waterstof. De stikstof is afkomstig uit de lucht, waterstof wordt verkregen door reactie van aardgas (of andere koolwaterstoffen) met stoom. De omzetting tot ammoniak gebeurt bij een druk van 200.10⁵ Pa en een temperatuur van 425 °C met behulp van een katalysator van zeer fijn verdeeld ijzer.

${\mathrm{N}}_2 + 3 {\mathrm{H}}_2 \rightleftharpoons 2 {\mathrm{NH}}_3$Deze reactie is een evenwichtsreactie. Bij de gegeven omstandigheden bevat het gasmengsel ongeveer 15 % ammoniak. Het wordt afgescheiden via condensatie, waarna het overblijvende gas opnieuw naar de reactor gaat.

Kunstmest

Stikstof meststoffen zijn belangrijk voor de groei van planten, die stikstof niet rechtstreeks uit de lucht kunnen opnemen. Voor een ton aardappelen is ongeveer 3,2 kg stikstof nodig, voor een ton graan 18 kg.

De N-meststoffen bevatten meestal ammoniumzouten of nitraten. De nitraten zijn voornamelijk van synthetische oorsprong. Ze komen tot stand via de salpeterzuursynthese ontwikkeld door de Duitse chemicus Friedrich Wilhelm Ostwald (1853 – 1932). Dit proces, dat ook nu nog vrijwel ongewijzigd wordt uitgevoerd, oxideert ammoniak bij hoge temperatuur en druk (850 °C, 5.10⁵ Pa) met behulp van platina als katalysator. Ostwald ontving in 1909 voor deze vinding de Nobelprijs.

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

Deze stikstofmeststoffen worden zelden afzonderlijk toegepast. Behalve stikstof zijn ook fosfor, kalium, calcium, zwavel en magnesium van belang voor de plantengroei. Kunstmest bestaat daarom vrijwel altijd uit een mengsel van meststoffen, afhankelijk van de behoefte. Enkele voorbeelden zijn kalkammonsalpeter (een mengsel van ammoniumnitraat en kalk) en magnesammon (een mengsel van ammoniumnitraat en magnesiumoxide).

Springstof

De meeste springstoffen zijn organische verbindingen met een aantal reactieve -ONO₂ of -NO₂-groepen. Na ontsteking volgt een zeer snelle en heftige reactie waarbij niet alleen veel energie vrijkomt (de reactie is exotherm) maar waarbij ook veel gas ontstaat. In zeer korte tijd ontstaat dus hoge temperatuur en hoge druk: een explosie.

De meest bekende springstoffen zijn:

Dynamiet

Dynamiet is de combinatie van het zeer instabiele glyceryltrinitraat, ook wel nitroglycerine, met een bindmiddel. Puur nitroglycerine ontploft bij de geringste verandering in temperatuur of druk, of door licht stoten. De bekende Zweedse chemicus Alfred Nobel (1833 – 1896) wist het te stabiliseren met kiezelgoer, een poreus gesteente. Tegenwoordig worden andere bindmiddelen gebruikt, meestal gelatineachtige producten.

TNT

Trinitrotolueen (afgekort: TNT) is van zichzelf veel stabieler dan nitroglycerine. Het is één van de meestgebruikte explosieven in militaire toepassingen (bommen, granaten, mijnen) en in industriële toepassingen (zoals mijnbouw). De explosieve kracht van kernwapens wordt uitgedrukt in het equivalent van het aantal ton TNT.

Semtex

Semtex is een kneedbare springstof van een nieuwe generatie. Het is zeer stabiel en dus gemakkelijk te hanteren en te vervoeren. Semtex is alleen met behulp van een ontsteker tot ontploffing te brengen. Het explosief kreeg onder terroristen grote populariteit omdat het lange tijd zeer moeilijk was op te sporen. De Tsjechische producent voegt tegenwoordig een sterk ruikende markeerstof toe.

Semtex is een combinatie van twee springstoffen: RDX (cyclotrimethyleentrinitramine) en pentriet (pentaerythritoltetranitraat). Samengevoegd met een bindmiddel (een polymeer) en een weekmaker vormen die een kneedbare massa.

In Amerika is C4 populair, een aan Semtex verwant explosief met RDX als belangrijkste springstof.

Reduceren uitstoot vrachtauto’s

Om de uitstoot van stikstofoxiden (NO_x) door dieselmotoren te reduceren, wordt ureum {CO(NH₂)₂} aan de uitlaatgassen toegevoegd. Bij het passeren van de katalysator worden de stikstofoxiden omgezet in stikstof en water. Een alternatief voor ureum is het toevoegen van een oplossing van ammoniumformiaat (NH₄HCOO).

Meer toepassingen

Als element

• Bereiden, koelen en zuurstofvrij verpakken van levensmiddelen en farmaceutische producten
• Bereiding en verwerking van metalen, bijvoorbeeld staal en aluminium
• Bevriezen van de grond bij het boren van tunnels
• Bewaren van fruit in een atmosfeer met weinig zuurstof
• Bijsturen van de calorische waarde van aardgas
• Brandbestrijding (o.a. in mijnen)
• Drijfgas in spuitbussen
• Verdunnen van zeer brandbare gassen
• Voorkomen van explosies bij de olie- en gaswinning

In verbindingen