Aantekeninge oor stikstof en
 die stikstofsiklus

 

 

  

BO: Die stikstofsiklus.
 

Illustrasie: U.S. Environmental Protection Agency (vertaling deur Mieliestronk.com)


 

Hoekom stikstof so belangrik is vir
die voortbestaan van die mens

STIKSTOF, só noem hulle dit… en jy sal wel stik, oftewel versmoor, as jy dit inasem sonder dat dit met genoeg suurstof gemeng is. Maar stikstof is in verskillende opsigte ook ’n lewegewer.

 

In die eerste plek het die Goeie Skepper ’n goeie skeut suurstof vir ons op hierdie planeet uitgegiet. In Sy alsiende voorsienigheid het Hy egter ook vir heelwat méér stikstof as suurstof in ons lug gesorg. Dit sou die “byt” van die hiperaktiewe suurstof só temper dat die suurstof nie gevaarlik vir lewe is nie.

 

In gewone omstandighede is stikstof baie stabiel en onaktief en sal dit dus nie maklik met ons kosbare suurstof verbind nie. Daarteenoor is skoon suurstof weer heeltemal te sterk vir ons eie, brose gestelle en raak ’n mens sommer gou koorsig in ’n omgewing daarvan. Gevolgtrekking: Dankie tog vir stikstof as ’n suurstofverdunner. Wie van ons het immers lus vir ’n lewenslange koors—en ’n lewe wat dan in elk geval nie so lank sal wees nie?!

 

Maar sy verdunningsfunksie in ons atmosfeer (78% stikstof, 21% suurstof en 1% ander gasse per volume) is slegs een van die redes waarom stikstof so belangrik vir ons voortbestaan op die aarde is. Hierdie nie-giftige, kleurlose, smaaklose en reuklose gas onderhou inderdaad alle lewenstelsels. Dit is naamlik broodnodig vir die samestelling van aminosure, wat die boustene van proteïen is.

 

Welbeskou is stikstof dus ewe noodsaaklik vir my en jou as wat suurstof vir ons dwingend nodig is.

 

Tog is daar min lewende wesens wat in staat is om die stikstof in die lug sommer netso in hul organe op te neem. Gevolglik is sekere belangrike prosesse gedurig in die natuur aan die werk waarin hierdie element met ander elemente verbind om stowwe te vorm wat wel deur organismes benut kan word.

 

Daar is die plante wat byvoorbeeld totaal afhanklik is van ammoniak (’n verbinding van stikstof en waterstof) en ander stikstofhoudende reste wat deur verrottende dinge in die grond ingewerk word. Ander plante, soos peulgewasse wat in staat is om stikstof te bind, vind weer baat by simbiotiese verhoudings met wortelorganismes wat vir hulle opneembare ammoniak uit atmosferiese stikstof skep.

 

Stikstof word voorts gefikseer deur die vorming van oksiede van stikstof sodat plante dit kan benut.

 

Vleis, maar ook vis en eiers is voorbeelde van stikstofhoudende voedingstowwe. Deur die eet van plante of die vleis of eiers van diere wat plante gevreet het, kry ook die mens sy noodsaaklike kwota stikstof in.

 

Oor ammoniak is daar ’n hele afsonderlike artikel op die Mieliestronk-werf, want dit is so ’n waardevolle verbinding. Hieronder vertel ons net kortliks hoe dit vandag sinteties berei word.

Die sintetiese bereiding van ammoniak

AMMONIAK word deesdae op groot skaal sinteties vervaardig, want dis baie belangrik vir veral die kunsmisbedryf vanweë sy bydrae om in plante se stikstofbehoeftes te help voorsien.  Dis terloops nogal verbasend dat die mis van kamele, van alle dinge, eenmaal in alle erns gebruik is om ammoniak te vervaardig. Voor die begin van die Eerste Wêreldoorlog (1914-1918) is dit meestal verkry uit die droë distillasie van die stikstofhoudende reste van plante en diere, waaronder kameelmis.

 

Vandag word ammoniak verkry deur eers waterstof te berei—uit byvoorbeeld aardgas (metaan), wat by ’n hoë temperatuur met stoom gemeng word om in die teenwoordigheid van ’n nikkel-katalisator in koolstofmonoksied en waterstof te verander:

 

CH4 + H2O CO + 3H2

 

In ’n verdere proses reageer die koolstofmonoksied met water om koolstofdioksied en nog waterstof te vorm:

 

CO + H2O CO2 + H2

 

Die koolstofdioksied kan deur absorbsie in oplossings uit die nuwe gasmengsel onttrek word, en die waterstof bly dan oor.

 

Hierdie waterstof word vervolgens met stikstof vermeng wat uit die lug verkry word—en die verbinding tot ammoniak word bewerkstellig deur die sogenaamde Haber–Bosch-proses, waar die gasmengsel by ’n hoë druk en hoë temperatuur oor ’n katalisator van ysteroksied gestuur word:

 

3H2 + N2 2NH3

 
Foto: NOAA

 

Stikstoffikasie deur weerlig

DIE rol wat weerlig speel om stikstof in die lug met suurstof te laat verbind sodat die plantelewe die stikstof uiteindelik kan opneem, is een van die groot wonders van die natuur.

’n Weerligblits is die ontlading van ’n enorme hoeveelheid energie, wat in sy kortstondige bestaan ’n geweldige hoeveelheid hitte genereer. Stikstof verbind uiters selde met die ander gasse in die atmosfeer, buiten by die hoë temperature in weerlig (en in voertuigenjins).

Wat basies in ’n weerligstraal gebeur wanneer die temperatuur
30 000 °C bereik, is dat stikstof en suurstof wel verbind om ’n gas te vorm wat op sy beurt met die water in die lug verbind ten einde as ’n ligte vorm van suurreën uit te sak. Hierdie natuurlike suurreën reageer met bestanddele op die grondoppervlak om stikhoudende stowwe te vorm wat deur plante opgeneem kan word.

Nader omskryf: die hitte in weerlig is hoog genoeg om die uiters sterk band tussen die atome in ’n stikstofmolekule (N2) te verbreek, waardeur vrye stikstof-radikale geskep word:

N2 2N

Die stikstof-radikale verbind vervolgens geredelik met suurstof in die lug om oksiede van stikstof te vorm. Eers is daar die vorming van stikstof(II)oksied (NO):

2N + O2 2NO

In die tweede stap verbind die stikstof(II)oksied met nog suurstof om stikstof(IV)oksied of NO2 te vorm:

2NO + O2 2NO2

En die stikstof(IV)oksied sal met die water in die atmosfeer en suurstof kan reageer om salpetersuur of HNO3 te vorm:

4NO2 +  2H2O + O2     4HNO3

Dit bring is ’n mens egter by nog ’n moontlikheid vir die vorming van salpetersuur in die atmosfeer (in ’n reaksie waar water wel in die spel is, maar nie suurstof nie):

3NO2 + H2   2HNO3+ NO 

Hoe ook al, die salpetersuur val verdund saam met die reën op die grond, waar dit in aanraking kom met byvoorbeeld die karbonate van kalsium, kalium, en so meer—om nitrate te skep. Plante “verwelkom” die nitrate, vanweë die gefikseerde stikstof daarin.

Kaliumkarbonaat is die belangrikste bestanddeel van potas, oftewel die as van plante wat verbrand het en waarvan seep dikwels in vroeëre tye gemaak is. Die vergelyking van die werking van salpetersuur op kaliumkarbonaat om kaliumnitraat (salpeter) plus koolsuursuurgas en water te vorm, is as volg:

2HNO K2CO3 2KNO+ CO2 + H2O

Kalsiumnitraat (Noorse salpeter) word op sy beurt geskep deur die inwerking van salpetersuur op kalsiumkarbonaat (gewone kalksteen), ook met die vrystelling van koolsuurgas en water:

2HNO3 + CaCO3  Ca(NO3)2 + CO2 + H2O

Die belangrike rol van bakterieë in die stikstofsiklus

MAAR terwyl stikstoffiksasie deur weerligblitse van ’n sekere belang is, is dit nie naastenby so belangrik as die reeds genoemde fiksasie wat deur vrylewende of simbiotiese bakterieë behartig word nie. Stikstof-fikserende bakterieë beskik oor die ensiem wat stikstof as ’n gas met waterstof (in water) laat verbind om ammoniak te vorm. Dié ammoniak word dan verder deur die nitrifiserende bakterieë omgeskakel in nitriete en nitrate wat deur plante opgeneem word.

 

REGS: Plante het stikstof nodig om proteïene te vorm en kry in die reël hul stikstof van nitrate in die grond. By die wortels van peulgewasse soos ertjies en boontjies vind ons egter ’n uiters belangrike simbiotiese wisselwerking tussen die plante en sekere bakterieë wat in die grond aanwesig is. Die piepklein (2 mm groot) ronde orgaantjies op hierdie foto is wortelknoppies of wortelknolletjies vol gespesialiseerde bakterieë wat stikstof uit die lug vasvang (“bind”) en dit met die peulplant ruil vir koolhidrate wat die plant produseer.
 
 Foto: Markus Dubach / ARS / U.S. Department of Agriculture

 

Soos ook reeds vertel is, lewe sekere stikstoffikserende bakterieë in die wortelknolletjies van peulgewasse, soos ertjies en boontjies, waar hulle ’n wedersyds voordelige vennootskap met die plant aanknoop. Hulle produseer ammoniak in ruil vir koolhidrate.

 

Grond wat arm aan voedingstowwe is, kan gevolglik met peulgewasse beplant word om dit met stikstof te verryk. Daar is ook ’n klompie ander plantsoorte wat sulke simbiotiese verhoudings kan aanknoop.

Eutrofikasie en waarom ons boere nie kunsmis
té kwistig op hul landerye moet strooi nie

HOËR op in hierdie in hierdie artikel is van die sintetiese bereiding van ammoniak vertel. Daar is ook gemeld dat hierdie verbinding van stikstof en waterstof ’n groot rol in die bereiding van kunsmis speel.

 

Aansluitend daarby is dit egter noodsaaklik dat ’n mens ’n rukkie moet stilstaan by een van die nadele waar die mens in die gang van die natuur inmeng—in hierdie geval letterlik deur die vervaardiging van kunsmatige “mis” of bemesting.

 

Hierdie nadeel is die sogenaamde eutrofikasie. Eutrofikasie is ’n proses waar ’n watermassa—byvoorbeeld ’n rivier, ’n meer of ’n groot dam—deur voedingstowwe oorverryk word. Dit vind hoofsaaklik plaas weens die storting van rioolvuil en ’n toevloei van landbou-kunsmis wat nitrate en fosfate bevat. Die gevolg is dat die alge in die water buitensporig groei en die vlakke van opgeloste suurstof in die water uitgeput raak. Water, wat helder moet wees,  word ’n onooglike grasgroen. Visse en ander waterdiere vrek.

 

REGS: ’n Onooglike Suid-Afrikaanse rivier grasgroen van die alge... die gevolg van eutrofikasie.

 

Hoewel watermolekules ’n suurstofatoom bevat, is dit nie hierdie suurstof wat deur waterorganismes in natuurlike waters benodig word nie. ’n Klein hoeveelheid suurstof (tot omtrent tien molekules suurstof in ’n miljoen molekules water) is inderdaad in die water opgelos. Dit is hierdie opgeloste suurstof wat deur visse en ander waterdiere benut word om te oorleef.

 

Dit spreek gevolglik vanself dat ook Suid-Afrikaanse boere wat kunsmis gebruik, baie versigtig wees en moet verhinder dat stortreën van die kunsmis in ons kosbare vaswaterbronne inspoel. Boere moet enersyds slegs die nodige, voorgeskrewe hoeveelhede kunsmis vir hul gesaaides gebruik en kan andersyds die uitloging daarvan na riviere en damme keer deur wegvloeiing met byvoorbeeld grondwalle te stuit.

 

Die formules van die stikstofbevattende ione wat hoofsaaklik vir die verskynsel van eutrofikasie verantwoordelik is, is:

NO3- (nitraat),  asook  NO2- (nitriet) en NH4+ (ammonium)

Ammoniumnitraat as kunsmisstof

PLANTE wat met ’n kunsmisstof soos ammoniumnitraat (NH4NO3) gevoed word, kry as ’t ware hul brood aan albei kante gebotter. Aan die een kant daar is daar die stikstofryke geïoniseerde ammoniak (NH4) wat bekend staan as ammonium, en aan die ander kant is daar selfs nog meer stikstof in die nitraatgedeelte (NO3).

 

Die reaksie in die kommersiële vervaardiging van ammoniumnitraat is ’n suur-basis-reaksie, te wete die chemiese binding van salpetersuur en die alkaliese ammonium om ’n sout te vorm:

 

HNO3 + NH3 NH4NO3

Die belangrikste verskil tussen die veranderinge in
die watersiklus en die stikstofsiklus

 

DIE belangrikste verskil in die veranderinge in die watersiklus en die stikstofsklus is dat die water slegs van vorm verander maar chemies steeds niks anders nie as water bly, terwyl die stikstof in chemiese verbindings opgaan net om later weer daaruit vrygestel te word.

 

Water word waterdamp en verdig weer in die atmosfeer tot wolke—om as reën op die aarde neer te stort.

 

Stikstof word deur weerlig of bakterieë in “huwelike” met ander gasse “ingedwing”—en die prosesse is baie meer kompleks as in die watersiklus en selfs die koolstofsiklus.

Vier maniere waarop die mens met die natuurlike stikstofsiklus inmeng—en die negatiewe impak van elkeen op die omgewing en op die volhoubaarheid van ons natuurlike bronne

  

(i) Die mens besoedel die grond: Organismes wat vir stikstofbinding nodig is, vrek in grond wat met gifstowwe, olie of watter nadelige middels ook al besoedel word. Plante kan nie op sulke grond groei nie en die omgewing word ’n barre onherbergsaamheid, wat ’n droewige stok in die wiel van die natuurlike stikstofsiklus steek. Dit is beslis nie volhoubaar sover dit ons natuurlike bronne aangaan nie, want hoeveel eeue kan dalk voorloop voordat daardie jammerlike stuk dooie aarde uiteindelik herstel?
 

(ii) Menslike aktiwiteite pomp ernorme hoeveelhede skadelike stikstofverbindings in die lug, wat as suurreën eweneens die aarde besoedel: ’n Mens hoef maar net te kyk na die onheilspellende rooibruin wolk van stikstof(IV)oksied—wat veroorsaak word deur ’n beheerde ontploffing by ’n oop myn waar daar vlak by die oppervlak na steenkool gedelf word—om met ’n skok te besef wat sulke bedrywighede aan die omgewing doen. Stikstof(IV)oksied is een van die berugste besoedelende gasse. Die matige hoeveelhede wat deur weerlig veroorsaak word, is hoogs voordelig vir plante in natuur, maar die gekonsentreerde suurreën wat weens die oormaat daarvan uitsak, veroorsaak skade om van te duisel. Boonop kan sulke gasse honderde kilometers ver deur lugstrome in die atmosfeer meegevoer word voordat dit in suur omgeskakel word en op die aarde val. ’n Mens jou kwalik voorstel hoe erg dit die natuurlewe moet benadeel, die natuurlike ewewig moet versteur en uiteindelik dus ook volhoubare ontwikkeling moet strem.
 

(iii) Menslike aktiwiteite besoedel ons varswaterbronne met skadelike stikstofverbindings wat ook met die natuurlike stikstofsiklus inmeng: Die afvoer van skadelike stikstofhoudende kunsmisstowwe na ons damme en riviere, waarna hoër op in hierdie artikel verwys word, getuig eweneens van ’n hoogs ongelukkige versteuring in die natuurlike prosesse weens ’n oormatige toevoer van stikstof na waar dit nie nodig is nie. Eutrofikasie beteken dooie water, sover dit die dierelewe daarin aangaan. En dooie visse en krappe maak die water verder totaal onbruikbaar vir mens en dier. Van volhoubare ontwikkeling is hier geen sprake nie.
 

(iv) Menslike aktiwiteite besoedel ons oseane en dood die seelewe wat eweseer deel het aan die natuurlike stikstofsiklus: Net soos die plante op land, het plante van die see ook stikstof nodig. Trouens, stikstofverbindings speel ’n ewe noodsaaklike rol in die mariene plantaardige, dierelike en bakteriële lewe. Om organiese stikstof te produseer, gebruik mariene fitoplankton (plantaardige plankton) stikstof hoofsaaklik in twee vorms: in ’n gereduseerde staat as ammonium en in sy mees geoksideerde staat as nitraat. Die benutte stikstof word van die fitoplankton af regdeur die voedselweb in die see versprei. Sekere bakterieë sorg uiteindelik dat die gebonde stikstof weer aan die atmosfeer vrygestel word. Maar dan kom die mens met sy kolossale olietenkskepe! Daar is ’n ramp ter see wanneer ’n tenkskip vergaan en sy versmorende vrag oor ’n wye gebied op die seeoppervlak uitlek. Só beskerm ons beslis nie die aarde vir die opkomende geslagte nie.

 

BO: Die verskrikking van oliebesoedeling. Nagenoeg 40 miljoen liter ruolie is in die see gestort nadat hierdie tenkskip, die Exxon Valdez, in Maart 1989 by Alaska op ’n rif gestrand het. ’n Mens het kwalik die woorde om die vernietigende uitwerking te beskryf wat só ’n ramp op die brose ewewig in die natuur het.

Foto: NOAA

Gebalanseerde vergelykings van reaksies in die industriële bereiding van salpetersuur

1.  4xAmmoniak NH+ 5xsuurstof  O2 4xstikstofmonoksied NO  + 6xwater H2O:

                                                                          

                   4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

 

                     Ook geskrywe:

 

                     4(NH3) + 5(O2) 4NO + 6(H20)

 

2.   2xStikstofmonoksied NO + suurstof  O2 2xstikstof(IV)oksied NO2:

 

                     2NO + O2 2NO2

 

 3.   4xStikstof(IV)oksied NO2 + suurstof  O2 + 2xwater H2O 4xsalpetersuur HNO3

                    4NO2  +  O2 + 2H2O +   4HNO3

Die betekenis van ’n etiket soos die volgende op ’n kunsmissak

 

N

K

P

2

3

2

            

             N staan vir stikstof

             K staan vir kalium

             P staan vir fosfor

 

             In die sak kusmis is hierdie drie elemente gemeng in die verhouing 2 dele stikstof, 3 dele kalium en 2 dele fosfor.

 

Enkele chemiese formules

 

Ammoniumfosfaat:
 (NH4)3PO4
 

Kaliumchloried:
KCl
 

Ammoniumnitraat: NH4NO3

Negatiewe invoede van die alge-opbloeiing in varswater-reservoirs soos die Hartebeespoortdam en die impak daarvan op die mens en omgewing

DIT het ’n geweldige uitwerking op die gehalte van die water sodat dit baie kos om dit weer skoon te kry.

 

Dit affekteer die watersuiweringstelsels nadelig weens verstoppings in die watertoevoer.

 

Die invloed wat die verskynsel van ’n opwellende algeskuim op die mens en omgewing het, kan seker eers ten volle besef word as ’n mens self langs ’n besmette en stinkende dam woon en boonop afhanklik is van daardie dam vir jou drink- en waswater. Verby is die dae toe jy en jou gesin in die somermaande oor naweke langs die helder waters gaan uitspan en daar geswem en gehengel het. Boonop voel jou hele gesin die knyp weens die ekstra geld wat Pa en Ma moet opdok omdat jul munisipaliteit kort-kort die dorp of stad se watersuiweringsmasjiene moet vervang of noodgedwonge dalk totaal nuwe, duur suiweraars moes laat installeer. En dan verander die omgewing om die dam ook nog in ’n bosgasie, omdat niemand dit meer in stand wil hou nie. Wie is in elk geval lus vir ’n dam waar jy oorweldig word deur ’n onooglike moeras, om nie eens te praat van die walm in die lug weens duisende visse wat op die oewers doodlê nie!

Een manier waarop verstedeliking
tot alge-opbloeiing kan lei

ALGE-OPBLOEIING in staande varswatermassas is nie net die gevolg ’n toevloei van landbou-kunsmis wat nitrate en fosfate bevat nie, maar ook van die storting van rioolvuil wat in die opgaardamme beland. Verstedeliking gaan baie dikwels gepaard met plakkerskampe of informele nedersettings wat by metropole ontstaan—plekke wat vanselfsprekend geen behoorlike sanitêre geriewe het nie en waar dit alte dikwels gebeur dat “die bos die toilet is”. Die besoedelde water van riviere of spruite by sulke kampe kan maklik beland in die damme waaruit die betrokke stede hul water kry.

Stikstofsiklus         

Vloeidiagram wat aantoon hoe nitrate in die grond verlore raak waardeur stikstof weer in die atmosfeer vrygestel word:
 

 STIKSTOF

 

Molekulêre formule

N2

Tipe binding in die molekuul

Drievoudige binding
N≡N

Kookpunt

-195,79 °C

Persentasie in atmosfeer

78% per volume

Oplosbaarheid in water

By 25 °C en 1 atmosfeer is die oplosbaarheid 0,017 gram gas in 1 kg water. Met ’n verhoging in die temperatuur raak dit minder oplosbaar

Reaksie met suurstof (produkte wat vorm)

•   Stikstofmonoksied (NO): stikstof(II)oksied

•  Stikstofdioksied (NO2): stikstof(IV)oksied

• Distikstofmonoksied of laggas (N2O):
stikstof(I)oksied

• Distikstoftrioksied (N2O3):
stikstof(II,IV) oksied

• Distikstoftetroksied (N2O4):
stikstof(IV)oksied

• Distikstofpentoksied (N2O5):
stikstof(V)oksied

(Die laaste drie verbindings is onstabiel)

Klik hier om terug te keer na die inhoudsblad