Lintopdrachten overslaan
Verdergaan naar hoofdinhoud
Uitgebreid zoeken
u bevindt zich: Home > Meststoffen > Hoofdelementen
Hoofdelementen
Waar komt stikstof vandaan

De atmosfeer bestaat voor bijna 80% uit gasvormig stikstof, ook wel luchtstikstof of N2. Dit betekent niet dat er altijd genoeg stikstof voor handen is. Luchtstikstof is namelijk niet geschikt voor consumptie. Het moet eerst worden gebonden tot verbindingen die door planten kunnen worden opgenomen. In de vrije natuur zorgen bodembacteriën en bliksem voor stikstofbinding. Daarnaast maakt het Haber-Boschproces het mogelijk om industrieel stikstof te binden.

Het binden van luchtstikstof
Kenmerkend voor luchtstikstof (N2) is de drievoudige binding tussen de twee stikstofatomen. Deze binding is een van de sterkere in de natuur. Bij stikstofbinding (stikstoffixatie) wordt luchtstikstof gebroken tot twee losse stikstofatomen, die vervolgens binden met waterstof of zuurstof. Het kraken van de drievoudige binding kost echter zoveel energie, dat vrijwel geen organisme in staat is om zelf stikstof uit de lucht te binden.

elektronenparen.jpg 

Drie elektronenparen zorgen voor een sterke binding bij luchtstikstof (N2)

Toch zijn er drie mogelijkheden waarop stikstof wordt gebonden uit de lucht en in de stikstofcyclus terechtkomt. Stikstofbindende bacteriën en fotochemische stikstofbinding zorgen voor een natuurlijke binding van stikstof. Daarnaast is er industriële stikstofbinding mogelijk door middel van het Haber-Boschproces.

Stikstofbindende bacteriën
Er zijn enkele bodembacteriën die er in slagen om luchtstikstof te kraken en te binden in ammoniak (NH3). Deze bacteriën bezitten het enzym nitrogenase. Omdat het nitrogenase van de meeste bacteriën extreem gevoelig is voor zuurstof, kan stikstofbinding door deze bacteriën alleen onder anaerobe omstandigheden plaatsvinden.

In de landbouw is vooral de Rhizobium-bacterie (wortelknobbelbacterie) bekend als stikstofbindende bacterie. Deze speciale bacterie groeit in knolletjes aan de wortels van vlinderbloemige gewassen zoals klavers en peulvruchten. Vlinderbloemige gewassen kunnen voor groenbemesting worden ingezet.

De Rhizobium-bacterie haalt stikstof uit de lucht voor de plant, die deze voedingsstof nodig heeft voor groei en fotosynthese. De plant levert op haar beurt koolstof en glucose voor de groei van de bacterie. De glucose – afkomstig van fotosynthese – wordt door de Rhizobium-bacterie gebruikt voor de vorming van ATP, de energiedragers in de nitrogenasereactie: N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP à 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi. Hierbij ontstaat ammoniak dat weer oplost in grondwater waardoor er ammonium (NH4+) wordt gevormd.
 

rhizobium_bacterie.jpg 

De Rhizobium-bacterie groeit in knolletjes aan de wortels van vlinderbloemige gewassen

Fotochemische stikstofbinding
Gasvormig stikstof wordt ook in de atmosfeer op natuurlijke wijze gebonden. De lucht bestaat naast stikstof voornamelijk uit zuurstof (O2). Zoals gezegd is er veel energie nodig om luchtstikstof uit elkaar te breken en er nieuwe verbindingen mee te maken. De elektrische ontladingen van bliksem kunnen de stikstofatomen met zuurstof doen reageren. Dit wordt fotochemische stikstofbinding genoemd.

Er ontstaan dan stikstofoxiden ofwel NOx. De ‘x’ geeft aan dat er meerdere oxiden van stikstof mogelijk zijn. Stikstofoxiden reageren met water tot anorganische zuren, bijvoorbeeeld salpeterzuur (HNO3). Die lossen op hun beurt goed op in water, waarbij nitraat (NO3-) ontstaat. Deze voedingsstikstof komt met de regen in de bodem terecht. Boeren weten al eeuwenlang dat onweer in het voorjaar een goede oogst kan opleveren.

Industriële stikstofbinding
Industriële stikstofbinding is mogelijk sinds de ontdekking van het Haber-Boschproces aan het begin van de vorige eeuw. Bij het proces wordt ammoniak en koolstofdioxide (CO2) geproduceerd uit aardgas (CH4), lucht en stoom. De globale reactie die leidt tot de stikstofbinding is N2 + 3 H2 -> 2 NH3.

De chemicus Fritz Haber wist gasvormig stikstof onder hoge druk en temperatuur te kraken. Carl Bosch wist het proces op te schalen tot industrieel proces. Stikstof bindt zich tijdens het proces aan ijzer dat als katalysator dient. Langsstromend waterstof bindt zich aan de stikstofatomen en weekt ze los van het ijzer. Het proces verloopt in etappes die ieder een beperkte omzetting van zo’n 15% hebben. Maar na herhaaldelijk recyclen van de gassen is de omzetting met 97% nagenoeg compleet.

Ammoniak is een van de belangrijkste grondstoffen van de kunstmestindustrie, maar ook van plastics en geneesmiddelen. Behalve veelzijdig is het Haber-Boschproces ook extreem energiehongerig. Het heeft een hoog aardgasgebruik en brengt CO2 in de lucht. Toch wordt de innovatie nog steeds gezien als één van de grootste uitvindingen aller tijden. Door middel van het Haber-Boschproces wordt ieder jaar 500 miljoen ton stikstofhoudende kunstmest geproduceerd. Met deze kunstmest wordt volgens de FAO meer dan de helft van de wereldbevolking gevoed.
 
Bronnen

  • OCI Nitrogen (2015). Leven van lucht.
  • Carolus, E. (2009). Evolutie van de samenwerking tussen vlinderbloemigen en rhizobiumbacteriën. Wageningen Universiteit.
  • Mulongoy, K. Biological nitrogen fixation. FAO.
  • Wassink, J. (2013). De waterstof-economie zou in de praktijk wel eens een ammonia-economie kunnen worden. Delta TU Delft.​
Hoofdelementen;N - Stikstof;
gerelateerd