Stikstofverbindingen 1 - Chemische Basisfeiten

Ir. Frans Scholten (MSc) 

@fransscholten_

Ik begrijp dat chemie voor niet-chemici heel moeilijk te volgen is. Dat geldt natuurlijk ook voor verschillende, zeer uiteenlopende #stikstofverbindingen die uit diverse bronnen in het milieu terecht zijn gekomen. We hebben dan ook helemaal geen stikstofprobleem, want de lucht die wij inademen bevat 78% stikstofgas, maar een probleem met #stikstofverbindingen.

Hierbij de meest belangrijke basisgegevens, sterk versimpeld.

 

Elk atoom (zeg maar een heel klein “bolletje”) heeft een vast, afgesproken symbool:

H	waterstofatoom
C	koolstofatoom
N	stikstofatoom
O	zuurstofatoom
S	zwavelatoom

Enkele atomen die via chemische bindingen aan elkaar verbonden zijn vormen samen een molecuul. Hieronder de meest relevante moleculen voor de discussie over #stikstofverbindingen en klimaatverandering:

Chemische formule	Structuur en achtergronden
H2O	Water, gevormd door 2 atomen waterstof en 1 atoom zuurstof
N2 2 aan elkaar gebonden stikstofatomen	Stikstof, een gas. In de lucht komt N2 in een gehalte van 78% voor en dat ademen we continu in. Ondanks dit hoge gehalte is het volkomen onschadelijk.
NO 1 atoom stikstof met 1 atoom zuurstof	Stikstofmonoxide (mono = 1), een schadelijk zuurvormend gas. De herkomst is vooral verbrandingsmotoren op fossiele brandstof uit industrie, luchtvaart en verkeer.
NO2 1 atoom stikstof met 2 atomen zuurstof	Stikstofdioxide (di = 2), een schadelijk zuurvormend gas. De herkomst is ook verbrandingsmotoren op fossiele brandstof uit industrie, luchtvaart en verkeer. Vaak worden de gassen NO en NO2 samen NOx genoemd. Omdat de verhouding NO tov NO2 vaak onbekend is, zegt men NOx. Bovendien kan NO "spontaan" worden omgezet in NO2. Als x=1 in NOx, is het puur NO, een zuurvormend gas. Als x=2 is het puur NO2, ook een zuurvormend gas. Als x is tussen 1 en 2 is het een mengsel van NO en NO2. x Lager dan 1 of hoger dan 2 kan niet.
NH3 1 stikstofatoom met 3 waterstofatomen	Ammoniak. NH3 is een basische stof, dus het tegenovergestelde van een zure stof. Huishoudammonia uit de supermarkt, dat uit in water opgeloste ammoniak bestaat, heeft een pH van 11,5 [Wikipedia pH] en dat is behoorlijk basisch: NH3 (damp)    +   H2O   <---->    NH4+    +    OH-  (1) De gevormde base OH- verklaart de basische (hoge) pH. De herkomst van NH3-damp in de natuur is vooral verdamping vanuit dierlijke mest. Het NH4+ ion, een geladen deeltje, wordt met de naam ammoniumion aangeduid en niet met ammoniak. Het is geen gas of damp en komt alleen voor in water
SO2 molecuul uit 1 atoom zwavel en 2 atomen zuurstof	Zwaveldioxide, een zuurvormend gas. De herkomst is industrie en vuile, zwavelhoudende stookolie die in de scheepvaart nog wordt toegelaten, maar nergens anders.
SO3 molecuul uit 1 atoom zwavel en 3 atomen zuurstof	Zwaveltrioxide (tri = 3), een zuurvormend gas. De herkomst is dezelfde als bij SO2. Omdat SO2 en SO3 vaak samen voorkomen, worden die samen ook wel SOx genoemd. x Is tussen 2 en 3.
HNO3 1 atoom waterstof, 1 atoom stikstof en 3 atomen zuurstof	Salpeterzuur, een zeer sterk zuur, dat in verdunde vorm kan ontstaan als NO en NO2 en in water oplossen.
H2SO4 2 atomen waterstof, 1 atoom zwavel en 4 atomen zuurstof	Zwavelzuur, een zeer sterk zuur, dat in verdunde vorm kan ontstaan als SO2 en SO3 in water oplossen. Zelfs in zeer lage gehaltes kunnen HNO3 en H2SO4 de natuur verzuren.
CO2 1 atoom koolstof en 2 atomen zuurstof.	Kooldioxide.  Rond 1800 was het gehalte aan CO2 in de atmosfeer nog 283 ppm (delen per miljoen delen lucht) [CO2levels.org]. Rond 1950 was dat 300 ppm geworden [NASA.GOV gegevens - CO2] en in 1988 350 ppm [CO2levels.org]. Midden juli 2019 was het gehalte opgelopen tot 412 ppm [CO2 metingen Hawai]. Zelfs deze lage gehaltes aan CO2 in de atmosfeer hebben grote invloed op het klimaat. De relatieve toenames in de tijd zijn groot en zeer zorgwekkend.
H+	Waterstofion. De “kern” of “drager” van de zuurgraad van zuren. Dit is een elektrisch positief geladen deeltje. Sommigen zeggen ook wel H3O+
OH-	Hydroxylion. De “kern” of “drager” van de basische eigenschappen van basen. Dit is ook een elektrisch geladen deeltje, maar dan negatief geladen.

Als H+ en OH- elkaar in water tegenkomen gaan ze een snelle chemische reactie aan en neutraliseren daarbij elkaar:

                              H+   +   OH-         <===>         H2O       (2)

Voor "neutraal" water geldt: pH = 7. Als de pH hoger is dan 7 is het water basisch. Als de pH lager is dan 7 is het water zuur.
Tenslotte nog een waarschuwing: de pH is een logaritmische schaal:

• Een pH van 5 is 10x zo zuur als een pH van 6.
• Een pH van 4 is 10x zo zuur als een pH van 5.
• Een pH van 3 is 10x zo zuur als een pH van 4.

Dus: een pH van 3 is 1000x zo zuur als een pH van 6.

Hierboven wordt huishoudammonia genoemd. Uit de referentie [Wikipedia pH] blijkt dat de pH daarvan 11,5 is. NH3 is dus onmiskenbaar basisch en niet zuur.
Het gehalte aan NH3 in huishoudammonia is trouwens hoog in vergelijking met in de natuur voorkomende waarden, maar NH3 blijft ook bij lagere gehaltes basisch, met een pH > 7.

Het belang van de chemische structuur

Wat veel mensen niet weten is dat je door 1 atoom aan een molecuul te veranderen enorme veranderingen in de eigenschappen kunt krijgen.

Omdat dit dus zo nauw luistert, maakt men ook onderscheid tussen:

• ammoniak (NH3 in gas- of dampvorm, die uit dierlijke mest kan opstijgen)
• ammonia (in water opgeloste NH3). NH3 is goed in water oplosbaar. 
• amonium-ion (NH4+, een elektrisch positief geladen deeltje, in water opgelost).

Zie de bovenstaande tabel.

Vervanging van een atoom door een ander atoom kan een verschil van dag en nacht in eigenschappen opleveren. Een volledig onschadelijk stikstofmolecuul (N2) kan door een chemische reactie met zuurstof dus veranderen in een ander molecuul, een zeer giftig en schadelijk gas, zoals NO of NO2.

Dit gebeurt in de industrie, maar ook in het verkeer, in een draaiende automotor bij hoge temperaturen. Daarom heeft men vele jaren geleden de katalysator verplicht gesteld, want die breekt o.a. de zure uitlaatgassen NO en NO2 af.

Gelukkig maar dat de gehaltes van de gevaarlijke #stikstofverbindingen NO en NO2 in de atmosfeer heel erg laag zijn en in ppm worden uitgedrukt (1 deeltje per miljoen deeltjes lucht). Toch zijn deze gehaltes goed meetbaar en hebben ze, zelfs in deze lage gehaltes, wel degelijk grote invloed.

Je kunt je in Nederland dus absoluut niet veroorloven slordig te zijn en het begrip schadelijke #stikstofverbindingen (meervoud) zoals NO, NO2 en ammoniak (NH3) zomaar te vervangen door #stikstof.


Deze versimpeling kan gewoon niet. Mijn “chemische hart” komt hiertegen in opstand. Dit soort slordigheden kunnen gemakkelijk tot foute conclusies leiden en dus tot onnodige schade en weggegooid geld.

Zie verder Stikstofverbindingen 2 - Biologische ammoniakverzuring valt 50% mee

@fransscholten_