Stikstof

Stikstof (voorgestel in die periodieke tabel as “N”) is ’n kleurlose en reuklose niemetaal. Stikstof kom in die grond voor, dit is in die water wat ons drink, in die lug wat ons inasem, in die kos wat ons eet, dit is ’n komponent van proteïen, en dit is teenwoordig in alle lewende dinge. ¹

Dit is die volopste element in die aarde se atmosfeer. Wetenskaplikes beraam dat 78% van die aarde se atmosfeer uit stikstof bestaan. ² Dit is ook die sewende volopste element in die heelal – ná waterstof, helium, suurstof, koolstof, neon en yster. ³

Stikstof is lewensbelangrik vir die aarde se oorlewing, maar soos met enige ander element, is ’n oormaat daarvan ook skadelik.

Wanneer en deur wie is dit ontdek?

Wetenskaplikes het lank reeds die stof ammoniumchloried (NH₄Cl) geken. Stikstof is ’n bestanddeel hiervan, maar hulle het dit nie geweet nie. Hulle het dit “salammoniak” of “salmiak” genoem, en dit was ’n belangrike bestanddeel van bemesting (voedsel vir plante). ⁴ Die Antieke Egiptenare het al salammoniak gemaak deur ’n mengsel van diere se mis, sout en urine te verhit. ²

Die gas stikstof is vir die eerste keer in 1772 geïdentifiseer. Die meeste bronne dui aan dat die jong student Daniel Rutherford in sy navorsing vir sy doktorsgraad stikstof eerste ontdek het. Hy het suurstof en koolstofdioksied uit lug verwyder en toe bewys dat die gas wat oorbly nie ontbranding of lewende organismes kon ondersteun nie. ⁵

Eintlik was Rutherford net die eerste om sy bevindinge te publiseer. In dieselfde jaar het ander bekende wetenskaplikes ook navorsing oor stikstof gedoen. ’n Sweed met die naam van Wilhelm Scheele het bewys dat lug uit twee gasse bestaan. Die een het hy “vuurlug” genoem, omdat dit kon brand en die ander “vuil lug”, want dit is wat oorgebly het nadat die “vuurlug” opgebruik is. Die “vuurlug” was natuurlik suurstof, en die “vuil lug” was stikstof. Nog twe­­e Britse navorsers, Henry Cavendish en Joseph Priestley, wat saam met Scheele suurstof ontdek het, het ook in dieselfde jaar stikstof as ’n gas geïdentifiseer. ⁴

Waar kom dit voor?

Soos ons hier bo aangedui het, maak stikstof ongeveer 78% van die aarde se atmosfeer uit. Stikstof kom in water en in die grond voor, in die vorm van nitrate en nitriete, en stikstof kom in alle lewende organismes en hul uitskeidingstowwe voor. Dit vorm ook deel van die boustowwe van selle: deoksiribonukleïensuur (DNS) en proteïen. Stikstof kom ook in dooie plant- en diermateriaal voor. Die element is dus ’n lewensbelangrike skakel in alle lewe op aarde. ¹

Die stikstofsiklus

Stikstof beweeg die hele tyd deur al hierdie lewende en nielewende dinge. Wetenskaplikes verwys na hierdie beweging van stikstof van die atmosfeer af deur ’n hele klomp lewende en nielewende dinge tot dit weer in die atmosfeer afgeskei word, as die stikstofsiklus. ⁶

Die stikstofsiklus bestaan uit verskillende fases, en soos wat die stikstof deur die fases beweeg, verander die verbindings waarin stikstof voorkom. ⁶ Hierdie proses is noodsaaklik omrede plante nie vrye stikstof (N₂) uit die atmosfeer kan opneem nie.

Stikstofbinding: Dit is die proses waar vrye stikstof in die atmosfeer (N₂) omgeskakel word tot bruikbaarder stikstofverbindings. Bakterieë, asook weerlig, speel ’n belangrike rol in hierdie proses. Die bakterieë wat vir hierdie proses verantwoordelik is, staan bekend as stikstofbindende bakterieë. Weerlig laat diatomiese stikstofmolekules (N₂) in die atmosfeer opbreek waar dit dan met suurstof verbind om nitrate (NO₃) te vorm. Hierdie nitrate is wateroplosbaar en word deur neerslag, soos reën of hael, in die grond gespoel waar plante dit op hierdie manier kan inneem deur hul wortels. Weerlig dra ongeveer 5-8% tot stikstofbinding by. ⁷

Ontbinding: Bakterieë wat in die grond en op plantwortels voorkom, absorbeer die stikstof en skei in die proses ammonium (NH₄) en ammoniak (NH₃) uit. Hierdie bakterieë staan bekend as saprofitiese bakterieë. ⁸

Nitrifikasie: Bakterieë breek die ammonium en ammoniak af tot stikstofnitriet (NO₂) en stikstofnitraat (NO₃). Bakterieë wat vir hierdie proses verantwoordelik is, word nitrifiserende bakterieë Hierdie stikstofverbindings kan nou in die weefsel van alge en hoër plante opgeneem word. Mense en diere se liggame kan nie stikstof uit die atmosfeer opneem of dit self maak nie, maar ons liggame kan die stikstofverbindings wat plante gemaak het, opneem. Hierdie drie prosesse neem stikstof uit die atmosfeer uit en dra dit oor na ekosisteme.

Denitrifikasie: Hierdie proses plaas stikstof terug in die atmosfeer. As nitrate in suurstofarm grond beland, byvoorbeeld in moerasse waar die grond vol water is, is daar spesifieke bakterieë wat die nitrate afbreek sodat stikstof weer as ’n gas in die atmosfeer afgeskei word. Hierdie stikstof word dan ook weer deel van die siklus. ⁴ Bakterieë wat vir hierdie proses verantwoordelik is, word denitrifiserende bakterieë genoem.

Wanneer hierdie siklus versteur word, kan stikstof in die natuur opbou. Dit gebeur byvoorbeeld as boere te veel kunsmis in hulle lande strooi en die ekstra stikstof in damme en riviere beland. Te veel stikstof kan veroorsaak dat waterplante en alge te veel en te vinnig vermeerder. As hierdie organismes te vinnig groei, kan dit die water se vloei verhinder, die suurstof in die water opgebruik en sonlig uit die water hou, sodat ander organismes wat ook in die water moes geleef het, soos visse en waterinsekte, vrek. ⁹

Waarvoor word dit gebruik?

• In lewende organismes: Alle lewende organismes het stikstof nodig, want stikstof is die basis van DNS en RNS. ² DNS (deoksiribonukleïensuur) is ’n molekule wat die biologiese inligting bevat wat elke spesie uniek maak. Wanneer die organisme voortplant (kleintjies of ander organismes van dieselfde soort maak), word hierdie inligting na die nuwe organisme oorgedra. ¹⁰ RNS (ribonukleïensuur) is ’n molekule wat onder andere hierdie unieke inligting oor die organisme oordra wanneer die organisme nuwe selle maak. RNS maak seker dat al die selle in die organisme se genetiese inligting ooreenstem. ¹¹
• Stikstof word ook in lewende organismes gebruik om aminosure te maak. Aminosure is die boublokke van proteïenmolekules. Afhangende van hoe hierdie aminosure in kettings verbind, vorm dit verskillende proteïenmolekules wat vir spesifieke take in die liggaam gebruik word: Proteïen vorm die wande van selle, dit kom voor in organe, bloed, hormone en ensieme. Sonder stikstof kan nie een van hierdie dinge gemaak word of bly bestaan nie. ¹²
• In die vervaardigingsbedryf: Stikstof word in die chemiese bedryf gebruik om kunsmis (kunsmatig vervaardigde plantvoedsel) te vervaardig. Dit is ’n belangrike produk vir boere wat met gewasse en ander plante soos mielies, koring, sonneblom, wingerd en aangeplante bos boer, en vir gewone mense wat plante in hul tuine gesond wil hou. ²
• Vervaardigers maak ook salpetersuur, nylon (soort materiaal waarvan onder andere sykouse en valskerms gemaak word), kleurstowwe en plofstowwe van stikstof. Om hierdie produkte te vervaardig, moet die stikstof eers met waterstof reageer om ammoniak te maak. Hierdie proses staan as die Haber-Bosch-proses of slegs Haber-proses bekend. Ongeveer 150 miljoen ton ammoniak word elke jaar vervaardig. ²
• Stikstofgas word gebruik om voedsel te preserveer, soos die lug in pakkies tjips wat eintlik net stikstof is. Dit word ook in die elektronikabedryf by die produksie van transistors en diodes gebruik. Dit word in die tempering van vlekvrye staal en ander staalprodukte gebruik. Tempering is ’n proses waartydens staal verhit word sodat ’n mens makliker daarmee kan werk. ²
• Vloeibare stikstof word dikwels as ’n koelmiddel gebruik, veral in mediese laboratoriums waar middels en biologiese materiaal dikwels by baie lae temperature gestoor moet word. Gevriesdroogde kos (die tipe kos wat bergklimmers en ander ekspedisielede saam met hulle dra omdat dit lig is en lank hou) word ook met hierdie soort stikstof vervaardig. ²

Basiese eienskappe van stikstof

Atoomgetal (getal protone in die kern): 7

Simbool op die periodieke tabel: N

Relatiewe atoommassa (A_r): 14,0067

Fase van materie teen kamertemperatuur: Gas

Kookpunt: -195,795 °C

Smeltpunt: -210,0 °C

’n Nota oor atoommassa

’n Massaspektrometer kan gebruik word om atoommassa akkuraat te bereken. Wetenskaplikes het ’n standaardmassa van 12 ame (atoommassa-eenheid) aan die koolstofatoom (koolstof-12) toegeken. Die massa van koolstof-12 is 1,99 x 10^-26 kg, en ander atome se massa kan relatief tot hierdie atoommassakonstante bepaal word.

Vandag praat wetenskaplikes van die relatiewe atoommassa (A_r). Hierdie waarde het geen eenheid nie, want dit is slegs ’n syfer wat aandui hoeveel maal groter een atoom van die spesifieke element is as een twaalfde van die massa van ’n koolstof-12-atoom. ¹³

Bohr-model

Die Deense wetenskaplike Niels Bohr (1885-1962) het ’n atoommodel voorgestel. ¹⁴ Hierdie model word soms die planetêre atoommodel genoem. Die elektrone beweeg in hul spesifieke energievlakke al óm die kern. Deur die aantal energievlakke en elektrone te tel, kan die atoom maklik uitgeken word. ¹²

’n Atoom is die kleinste deeltjie van ’n chemiese element wat selfstandig of in verbinding met ander atome kan bestaan. Atome bestaan weer uit kleiner deeltjies wat subatomiese deeltjies genoem word. Daar is drie soorte subatomiese deeltjies, naamlik elektrone, protone en neutrone. Die stikstofatoom het ’n atoomgetal van 7. Dit beteken dat die atoom sewe protone het. Atome het ’n neutrale lading, en daarom is daar ook sewe elektrone wat óm die kern beweeg. Dit het ook sewe neutrone wat saam met die protone in die kern voorkom. Stikstof het twee isotope.

Woordbank

assimileer	Om op te neem deur of deel te maak of word van iets.
atome	Die kleinste deeltjie van ’n chemiese element wat selfstandig of in verbinding met ander atome kan bestaan.
atoomgetal	Die getal protone in die kern van die atoom.
atoommassa	Word ook massagetal genoem. Dit is die totale aantal protone en neutrone in die kern van die atoom.
bemesting	Voedsel vir plante.
deoksiribonukleïensuur	DNS is die genetiese materiaal wat die oorgeërfde eienskappe van ’n individu bevat, byvoorbeeld oogkleur en lengte. 20 Die meeste DNS kom in die selkern van liggaamselle voor, waar sommige weer in die mitochondria voorkom. Mitochondria is gespesialiseerde onderdeeltjies van elke sel in die liggaam. Elke mens s’n verskil, behalwe in die geval van identiese tweelinge. 21
diatomiese	’n Molekule wat in sy natuurlike vorm uit twee atome bestaan, byvoorbeeld stikstof. Die syfer 2 word dan n’s die simbool geplaas: N2. Daar is sewe elemente wat diatomies is.
elektrone	Baie klein, negatief gelaaide deeltjies (partikels) wat in die energievlakke van ’n atoom rondbeweeg. Elektrone maak die vorming van chemiese verbindings moontlik. 22
element	Dit is ’n stof wat saamgestel is uit atome wat dieselfde atoomgetal het.
isotope	Enigeen van twee of meer vorme van ’n element wat dieselfde atoomgetal (protone) en eenderse chemiese eienskappe het, maar waarvan die atoommassa en radioaktiewe gedrag verskil. Die aantal protone en elektrone is dus dieselfde, maar die aantal neutrone verskil.
kunsmis	Kunsmatig vervaardigde plantvoedsel.
neutrone	Neutrale deeltjies (partikels) wat geen elektriese lading het nie en saam met protone in die kern van die atoom voorkom. ’n Neutron en proton het dieselfde gewig. 22
periodieke tabel	Dit is die tabel van die elemente, gerangskik volgens toenemende atoomgetal, sodat elemente met soortgelyke eienskappe in dieselfde vertikale kolom voorkom.
preserveer	Bewaar.
protone	Positief gelaaide deeltjies (partikels) wat in die kern van ’n atoom voorkom en die elektrone in posisie hou. Atome het ewe veel protone as elektrone en het dus ’n neutrale lading. 22
ribonukleïensuur RNS	’n Organiese molekule wat uit ‘n groot aantal nukleotiede opgebou is en in die selkern en sitoplasma van selle aangetref word. Dit is verantwoordelik vir die oordrag van genetiese boodskappe van die selkern na die sitoplasma.
tempering	’n Proses waardeur staal verhit word sodat ’n mens makliker daarmee kan werk.
verbinding	Dit is die samevoeging van ongelyksoortige atome tot molekules.

Lees hierdie artikels om nog meer te leer oor stikstof

• Wat weet ons alles oor stikstof?
• Die stikstofsiklus

Kyk hierdie video’s om nog meer te leer oor stikstof

Eienskappe en gebruike van stikstof

Hoe werk die stikstofsiklus?