Verenigingen

Een bijzonder elektronensysteem

KVCV | vrijdag 9 april 2021

In dit derde en laatste deel van de driedelige serie over stikstof gaat Arsène Lepoivre in op toepassingen en de bijzondere elektronenstructuur.

In het vorige deel zagen we hoe stikstof in de vorm van ammoniak toepassing kreeg dankzij Fritz Haber en Carl Bosch. De ammoniaksynthese joeg daarmee de kunstmestrevolutie aan en zorgde voor hogere landbouwopbrengsten. Maar natuurlijk houdt de toepassing van stikstofverbindingen daar niet op. Een selectie van de meest in het oog springende toepassingen:

  • Een van de voornaamste reacties in de aromatische chemie is de ‘nitratie’. Met de tandem zwavelzuur-salpeterzuur vormt men het superreactieve NO2+ waarmee vele belangrijke syntheses van aromatische verbindingen starten, waaronder de bereiding van vele azo-kleurstoffen.
  • Heel bekend zijn zeker de springstoffen TNT (trinitrotolueen) en glyceryltrinitraat ofwel nitroglycerine (een tri-ester van salpeterzuur met glycerine), de werkzame stof in dynamiet.
  • De ‘airbag’ bevat NaN3 (natriumazide), dat bij een bruuske schok supersnel ontbindt en het stikstofgas vormt.
  • Hydrazine (NH2-NH2) is nuttig in vele synthesen maar ook een brandstof in bijvoorbeeld F-16 gevechtsvliegtuigen.
  • Het bewaarmiddel E-941 is het gas dat de luchtdichte plastic verpakking van chips en andere supermarktproducten vult. Het is niks anders dan het onschuldige ‘azote’.
  • Vloeibare stikstof is -196 °C en daarmee een veelgebruikte koelvloeistof. Iedereen kent de opwarming van een fietspomp door het samenpersen van de lucht. Omgekeerd geeft drukverlaging een afkoeling: het Joule-Thompson effect. Dit effect is technisch de manier om lucht trapsgewijs (adiabatisch) te koelen tot de vloeibare toestand. Het kookpunt van zuurstof is 13 °C hoger dan dat van stikstof en kan daardoor selectief uit de vloeibare lucht verdampen terwijl stikstof nog als vloeistof overblijft (het Carl von Linde-apparaat).

Elektronensysteem

Stikstof is in de periodieke tabel van de elementen het zevende element, wat betekent dat het zeven elektronen bezit, twee in de binnenschaal en vijf in wat men de valentieschaal noemt. Hier geldt normaal de octetregel, dit wil zeggen dat dit element nog drie elektronen van een ander element kan opnemen om een stabiele verbinding te vormen. Vandaar dus de verbinding NH3 met drie elektronen van waterstof.

Dezelfde driewaardige binding zit in de vele natuurproducten. Het vrije elektronenpaar van stikstof is daar de bindende kracht tussen moleculen of fragmenten binnen een macromolecuul via interactie met positief geladen waterstoffen of complexvorming met metaalionen, bijvoorbeeld in eiwitten en in de DNA-structuur.

Het basisch karakter van ammonia en aminen vindt men ook in de alkaloïden (nicotine, dopamine, amfetamine, etc.). Vele geneesmiddelen zijn N-verbindingen die vaak als zouten met HCl wateroplosbaar zijn en aldus injecteerbaar in de bloedbaan. Pikant detail: de pH van bloed is ongeveer 8 en neutraliseert het HCl-zout waardoor het medicament weer onoplosbaar wordt. Daardoor kan bij injectie in de arm het medicament lang blijven kleven of zelfs ontsteking veroorzaken.

De verbindingen NO en NO2 daarentegen hebben een heel ander karakter, want ze volgen de octetregel niet. Met de zes elektronen van zuurstof telt men in NO 5+6=11 en in NO2 5+12=17 elektronen. Dus met dit oneven aantal zijn geen volledige duo’s mogelijk en heeft men steeds een ongepaard elektron. Dergelijke stoffen noemt men ‘radicalen’ en zijn zeer reactief. Vandaar ook de reactiviteit van NO met zuurstof en de toxische eigenschappen van NO2.

Ook stikstof als gas N2 heeft een merkwaardige elektronenstructuur. Samen tien valentie-elektronen, netjes in vijf paren verdeeld met in elk atoom een vrij elektronenpaar en de andere drie paren gemeenschappelijk tussen beide atomen in. Normaal zijn dergelijke driedubbele bindingen tussen bijvoorbeeld twee koolstofatomen vrij reactief, maar bij stikstof niet. Het blijft koppig weerstand bieden aan vele agressieve reagentia. Alleen bij hoge temperatuur in verbrandingsmotoren of bij bliksem zal N2 met zuurstof (O2 of een vrij zuurstofatoom) reageren. Zoals eerder beschreven, is ook de reactie met waterstof bij kamertemperatuur al te traag.

Arsène Lepoivre; Dit was het derde en laatste deel van de serie over stikstof.
KVCV

Lid worden van de KVCV? Ontdek de voordelen!

Logo KVCV

KVCV Facebook

De KVCV is ook op Facebook te vinden:

facebook

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van Mens & Molecule.

Meld je nu aan!