Stikstof – leven met element 7!

Deze quiz gaat over het chemische element stikstof, zijn eigenschappen, gebruik en voorkomen in het dagelijks leven. Neem diep adem en start de quiz!

Net zoals bij veel elementen komt het word "stikstof" uit het oude Grieks. Met welk algemeen zout wordt die naam geassocieerd?

Correct! Wrong!

De ontdekking wordt meestal toegeschreven aan de Schotse wetenschapper Daniel Rutherford die in 1772 stikstof ontdekte. In dezelfde periode werd stikstof ook gevonden door de Britse wetenschapper Henry Cavendish en de Zweedse wetenschapper Carl Scheele. De naam “stikstof” werd ongeveer 20 jaar na de ontdekking voorgesteld nadat was bepaald dat het ook voorkomt in salpeterzuur en nitraatzouten.

We worden voortdurend blootgesteld aan stisktof! In welke vorm vindt deze blootstelling plaats?

Correct! Wrong!

Ongeveer 78% van de lucht die we inademen is stikstof. Het is veruit de grootste component van onze atmosfeer. Zuurstof is met 21% nummer twee en de overige gassen samen zijn goed voor de resterende 1%. De samenstelling van de atmosfeer werd pas aan het einde van de achttiende eeuw bepaald toen men dacht dat er vier gassen zijn die de atmosfeer bepalen: stikstof, zuurstof, kooldioxide en waterdamp. Het inerte gas argon, waarvan 0.9% in de atmosfeer zit werd pas in 1894 ontdekt. Ofschoon de actuele gehaltes van de gassen significant veranderen met het veranderen van de atmosferische druk (lagere concentraties op grotere hoogtes) blijven de onderlinge verhoudingen nagenoeg constant. Het zijn voornamelijk de gehaltes CO2 die veranderen maar van dit gas komt slechts 0.04% voor in de atmosfeer.

Wat hebben wrattenverwijdering en het diepkoelen van computers met elkaar gemeen? Vloeibare stikstof. Maar hoe koud is die eigenlijk? In ieder geval véél kouder dan waar ook op Aarde!

Correct! Wrong!

Vloeibare stikstof heeft een kookpunt van -196 °Celsius. Het is een kleurloze vloeistof. Het wordt bewaard in goed geïsoleerde containers en Dewarvaten. Huisartsen gebruiken vaak een spray met ene hele fijne spuitmond om vloeibare stikstof op een wrat te spuiten. De extreem lage temperatuur zorgt voor een cryogene brand die de cellen van de wrat vernietigd. Als er voorzichtig mee wordt omgespringen dan kan vloeibare stikstof ook gebruikt worden voor wetenschappelijke presentaties. Zo kunnen bijvoorbeeld bananen worden bevroren in de stikstof en als je die daarna laat vallen dan breken ze in stukken uit elkaar. Maar voorzichtigheid is geboden want cryogene brandwonden kunnen veel ernstiger zijn dan hete brandwonden.

Stikstofgas of beter gezegd, distikstofgas is extreem niet-reactief. Welk kenmerk van het distikstofmolecuul veroorzaakt deze grote inertheid? N is het symbool voor stikstof en een binding is de aantrekkingskracht tussen twee atomen.

Correct! Wrong!

De drievoudige stikstof-stikstofbinding betekent dat er veel energie nodig is om de twee stikstofatomen te scheiden in stikstofgas. Hoe meer energie er nodig is om deze chemische bindingen te breken hoe onwaarschijnlijker het is dat het molecuul zal reageren en dus hoe inerter het is. De drievoudige binding heeft drie elektronenparen die de twee stikstofatomen bij elkaar houdt. Los van distikstof zijn drievoudige bindingen niet erg gebruikelijk. De enige andere algemene voorbeelden zijn cyanide en het gas acetyleen dat vaak wordt gebruikt om mee te lassen. In acetyleen komt een drievoudige koolstof-koolstofbinding voor.

Stikstof zit in de lucht die we inademen maar lost het ook op in water?

Correct! Wrong!

Net zoals alle gassen lost stikstofgas gemakkelijk op in water. De exacte hoeveelheid die opgelost kan worden is afhankelijk van de temperatuur van het water en, maar in mindere mate, de zoutconcentratie van het water. Anders dan de meeste vaste stoffen (zoals keukenzout en suiker) betekent een hogere temperatuur dan je minder gas er in kan oplossen. Je kan dit zelf controleren door water aan de kook te brengen. Voor het kookt zie je een boel kleine belletjes. Dit is het gas (waaronder ook stikstof) dat niet langer oplosbaar is in het hete water.

De chemische reactiviteit wordt bepaald door de elektronenconfiguratie van de atomen die het element of de verbinding vormen. Wat is de elektronenconfiguratie van elementair stikstof? Hint: het atoomnummer van stikstof is 7 dus er moeten in ieder atoom 7 elektronen zijn.

Correct! Wrong!

De elektronenstructuur is een van de belangrijkste dingen die studenten leren over scheikunde. De Deense natuurkundige Niels Bohr (1885 – 1962) leverde een belangrijke bijdrage aan het beeld over de elektronenconfiguratie. Hij stelde dat elektronen in banen om de kern draaien (genoemd s, p, d en f) en dat deze banen waren gerangschikt op volgorde van toenemende energie. Elektronen vullen eerst de laagste energiebanen. De eerste baan, 1s, bevat 2 elektronen. De volgende is 2s en die bevat ook maximaal 2 elektronen. De derde laagste energiebaan is de 2p-schil en die kan 6 elektronen bevattenen (verdeeld in 3 subnivo’s van elk 2 elektronen). De 7 elektronen van stikstof zijn dus als volgt verdeeld: 1s2, 1s2 en de half gevulde 2p3.

Stikstof zit ook in alle essentiele verbindingen in ons lichaam. In welke van onderstaande klasse van verbindingen komt altijd stikstof voor?

Correct! Wrong!

Stikstof is een essentieel bestanddeel van alle eiwitten. Eiwitten (proteïnen) zijn opgebouwd uit grote hoeveelheden aminozuren. Aminozuren bevatten zowel een carboxylgroep (-COOH) als een amininegroep (-NH2) die zijn gebonden aan een keur van ander atomen die zo zorgen voor een ruggengraat van koolstof. De atomen zorgen voor het onderscheid van de 20 aminozuren die in het menselijke genoom voorkomen.

Een simpele verbinding die we stikstofoxide noemen wordt gebruikt als een eenvoudig verdovingsmiddel. De chemische formule is N2O en dat betekent dat ieder molecuul 2 stikstofatomen en 1 zuurstofatoom bevat. Wat is de algemene naam voor dit stikstofoxide?

Correct! Wrong!

Lachgas wordt sinds het midden van de 19de eeuw gebruikt als een verdovingsmiddel. Als N2O in combinatie wordt gebruikt met zuurstof kan dit bij inhaleren leiden tot een euforisch effect. Hier kot ook de kreet lachgas vandaan. In hoge concentraties is het een hele sterke oxidator die wordt gebruikt in raketbrandstoffen en in verbrandingsmotoren.

Welke stikstofverbinding wordt vaak als een dodelijk gif in detectiveboeken gebruikt?

Correct! Wrong!

Strikt gesproken is cyanide een negatief geladen ion (anion). De chemische formule is CN- waarbij dus 1 koolstofatoom is gebonden aan 1 stikstofatoom (met ene drievoudige binding). Dit anion heeft dus een kation nodig om de lading te neutraliseren. Dat kation kan een algemeen metaalion zijn als natrium (Na+) of kalium (K+) of waterstof (H+). In het laatste geval krijgen we HCN dat beter bekend is als waterstofcyanide of blauwzuur. HCN onderdrukt de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de ademhaling.

Welke op stikstof gebaseerde kunstmest wordt op grote schaal geproduceerd met behulp van het Haber-Bosch proces?

Correct! Wrong!

In het begin van de twintigste eeuw ontwikkelden Fritz Haber en Carl Bosch een procedé om inert stikstofgas om te zetten naar ammoniak. Dit proces heeft er voor gezorgd dat de wereldbevolking voldoende te eten kreeg. Stikstofgas reageert met waterstof in een verhouding 1:3. Hieruit ontstaat ammoniak volgens de reactie N2 + 3 H2 --> 2 NH3. Dit proces vindt plaats onder hoge druk een en temperatuur van 400 – 500 °C. Er wordt tevens gebruik gemaakt van een katalysator. Aangezien het een heel energie-intensief proces is wordt er nog steeds onderzoek gedaan om de efficiëntie van de katalysator te verbeteren. Als bron van waterstof wordt meestal methaan (aardgas) gebruikt.