Stikstofbinding - Onder dezen naam wordt samengevat de groep van processen, welke zich ten doel stellen, de stikstof uit de lucht over te voeren in zoodanige stikstofverbindingen, dat zij als kunstmeststof bruikbaar wordt. Het probleem werd het eerst scherp gesteld door Sir William Crookes in 1898, toen hij er op wees, dat de chilisalpeter, welke toen nog den overwegend belangrijken stikstofmest vormde, te eeniger tijd uitgeput zou geraken. Zoo het niet gelukte vóór dien fatalen termijn een bruikbaar synthetisch surrogaat te vinden, zou de wereld ongetwijfeld voor ernstige voedingsmoeilijkheden komen te staan door te wachten achteruitgang van den oogst.
Ook al zijn de berekeningen van Crookes (± 50 jaar) te pessimistisch gebleken, toch komt hem ongetwijfeld de groote verdienste toe, op de noodzakelijkheid der s. het eerst te hebben gewezen op zóó overtuigende wijze, dat inderdaad tal van chemici over de geheele wereld zich hebben gezet aan de oplossing van dit bij uitstek actueele vraagstuk. Op het oogenblik is aan de stikstofbronnen (behalve de stalmest) voor den landbouw, naast het chilisalpeter, de zwavelzure ammoniak en enkele minder belangrijke afvalproducten van visch, bloed, leder, hoorn e. d., dan ook reeds een geheele serie synthetische producten toegevoegd, welker belang voortdurend stijgt. De verschillende thans uitgevoerde processen laten zich in hoofdzaak tot 5 principes terugbrengen, te weten:
1. de vlamboogprocessen. Zij vormen het oudste type, te meer, daar reeds in het eind der 18de eeuw door Cavendish was bekend gemaakt, dat electrische ontladingen in staat waren de stikstof en de zuurstof der lucht met elkaar in reactie te doen treden onder vorming van voornamelijk stikstofoxyde (NO). Na vele vergeefsche pogingen gelukte de eerste bruikbare technische uitvoering in 1905 aan Birkeland en Eyde. Zij bliezen de lucht door een electrischen vlamboog, welke met behulp van een krachtigen electromagneet tot een schijf van 1-2 M. diameter was uitgeblazen. Hierbij ontstaat NO, dat evenwel zeer snel moet worden afgekoeld, wil het niet in regionen van iets lagere temp. weer worden ontleed. Op dit principe berusten alle vlamboogprocessen: korten tijd blootstellen aan de zeer hooge temp. eener vlamboogontlading, gevolgd door zeer snel afkoelen. Het blijkt, dat niet alleen de temp., doch ook de electrische factoren, de vorming beinvloeden (o. a. Haber en König).
De lichtboogschijf van B. en E., die in Noorwegen lang in bedrijf is geweest, is thans vrijwel verdwenen en vervangen door den langgerekten hoogspanningsvlamboog volgens het procédé-Schönherr der Badische Anilin- en Sodafabrik. De ± 3%-NO-houdende gassen worden in granieten torens opgevangen in water of kalkmelk, al naar het doel der fabricatie. De vlamboogprocessen vormen nog steeds een belangrijke methode voor de s. Zij komen uitsluitend daar in aanmerking, waar electrische energie door waterkracht tegen zeer lagen prijs beschikbaar is. Een ton gebonden stikstof per jaar vraagt n.l. 10-11 paardekrachtjaar aan electrische energie. Gedurende den oorlog werd in hoofdzaak salpeterzuur geproduceerd, in vredestijd vnl. een niet hygroscopisch basisch calciumnitraat, dat bekend staat als Norge-sal peter. Het bevat ± 13% gebonden stikstof.
2. De cyaanamide-processen. Hierbij wordt allereerst uit ongebluschte kalk en cokes calciumcarbide gemaakt (zie ELECTROTHERMIE). Tevens wordt uit de lucht zuivere stikstof gemaakt, meestal door gefractionneerde destillatie van vloeibare lucht. Wordt deze stikstof dan bij roodgloeihitte over het carbide geleid, dan vereenigen zij zich met elkaar onder vorming van calciumcyaanamide en koolstof volgens de chemische vergelijking: CaC2 + N2 ➝ CaCN2 + C. — Het ontstane zwarte mengsel kan als zoodanig als stikstofmest worden verkocht, en is dan bekend als kalkstikstof. In den bodem ontleedt het op den duur door water in calciumcarbonaat en ammoniak. Het heeft weinig bijval ontmoet in landbouwkringen, daar het niet zelden nog onontleed carbide bevat, dat giftig kan werken.
Men is er dan tegenwoordig ook meestal toe overgegaan, het over te voeren in ammoniumzouten door ontleding met stoom onder druk. Is salpeterzuur het einddoel (vnl. voor springmiddelen) dan kan het ammoniakgas door lucht worden geoxydeerd door het verhitte mengsel te leiden over geschikte katalysatoren, vnl. platina (Ostwald) en de ontstane stikstofoxyden in water te leiden. Aan de ontwikkeling van dit cyaanamide-proces zijn de namen Frank en Caro onafscheidelijk verbonden. Het is van Duitschen oorsprong, en later overgenomen door Amerika. Het vraagt 2-3 P.K. jaar per ton stikstof jaarproductie, en is daardoor evenals de vorige aan goedkoope electrische energie gebonden.
3. De directe ammoniak-synthese uit de elementen, stikstof en waterstof, volgens Haber. Nadat door Haber en zijn leerlingen door uitvoerige experimenteele en theoretische onderzoekingen was vastgesteld, dat de vorming van ammoniak uit zijn samenstellende elementen (N en H) in het bijzonder te wachten was bij relatief lage temp. en hoogen druk, en het succes, wegens de lage temp. en dus lage reactiesnelheid, alleen kon worden verkregen bij gebruik van een geschikten katalysator, die werd gevonden in het metallische uraan, ging de Badische Anilin- en Sodafabrik in de jaren 1911-13 over tot een proefneming op technische schaal, die volledig succes had. De geweldige technische moeilijkheden, verbonden aan het werken bij een temperatuur van 500-600° C. en 200-300 atm. druk, werden in de proeffabriek te Oppau op schitterende wijze overwonnen. Het gevormde ammoniak wordt afgekoeld, condenseert dan onder eigen druk; de onverbonden stikstof en waterstof treden weer opnieuw in de reactiebuizen. Algemeen wordt verband gelegd tusschen het succes te Oppau in 1913 en de Duitsche oorlogsverklaring in 1914. Duitschland was nu n.l. voor de voorziening in zake salpeterzuur voor springmiddelen onafhankelijk geworden van den aanvoer van Chilisalpeter.
Door oxydatie met lucht (zie boven) kan immers het ammoniakgas in salpeterzuur worden overgevoerd. De noodige stikstof wordt verkregen door destillatie van vloeibare lucht, de waterstof door ontleding van waterdamp met ijzer, gevolgd door een reductie van het gevormde ijzeroxyde met generatorgas, of wel door gefractionneerde afkoeling van watergas. Enorme fabrieksinstallaties, i.h.b. de Leuna Werke te Merseburg, hebben het grootste deel van Duitschlands behoefte aan gebonden stikstof tijdens den oorlog gedekt. Sindsdien is het Haber-proces ook in Amerika en Frankrijk ingevoerd. Het verbruikt slechts ± ½ P.K. jaar + 1½ ton cokes per ton stikstof jaarproductie, en heeft waarschijnlijk van alle s.-processen de meeste toekomst. In 1920 is Claude in Frankrijk er in geslaagd, de bezwaren, verbonden aan het werken onder nog hoogere drukkingen (tot 1000 atm.), te boven te komen, waardoor de uitvoering waarschijnlijk nog economischer kan worden.
4. Het natriumcyanide-proces volgens Bucher. Hierbij wordt een mengsel van soda, cokes en ijzervijlsel bij ± 1000° C. verhit in een stikstofstroom. Er ontstaat dan natriumcyanide, dat onder bepaalde omstandigheden kan worden overgevoerd met stoom onder druk in soda (resp. na.-formiaat) en ammoniak. Het proces, dat vóór eenige jaren veel van zich liet hooren, is ongetwijfeld uitvoerbaar, doch schijnt te duur uit te komen om te kunnen concurreeren, hetzij met de natuurlijke salpeter, hetzij met Haber. Het krachtverbruik is van dezelfde orde van grootte als bij dit laatste proces.
5. Eenige nitride-processen, waarvan dat van Serpek tot vorming van aluminiumnitride AlN het meeste bekendheid heeft verkregen. Het gaat uit van een mengsel van aluminiumoxyde en cokes, waarover bij temperaturen van 1400-1700° C. stikstof wordt geleid. Er ontstaat dan AlN en kooloxyde. Het laatste kan voor verwarmingsdoeleinden worden gebezigd. Het eerste wordt met stoom of verdunde alkaliën ontleed, waardoor weer aluminiumoxyde ontstaat en ammoniak.
Het proces is in Frankrijk eenige jaren in bedrijf geweest. De technische en finantieele resultaten schijnen vooralsnog zeer twijfelachtig geweest te zijn. De volgende tabel geeft een beeld van de ontwikkeling der s. in de laatste jaren. Zij geeft de wereldproductie aan anorganische stikstofproducten, uitgedrukt in tonnen stikstof per jaar voor de verschillende procédé’s:
1909 1917 Chilisalpeter 290.000 390.000 Zwavelz. ammoniak 200.000 450.000 Vlamboogproces 10.000 30.000 Cyaanamideproces 20.000 200.000 Haberproces — 60.000 Andere processen — 30.000 Naast deze fabriekmatige bereiding van gebonden stikstof uit de luchtstikstof, wordt de laatste ook door de natuur zelve nog op eenige manieren in verbindingen overgevoerd, welke dan aan den plantengroei ten goede komen. In geproduceerde hoeveelheid staan hierbij bovenaan de onweders, welke, zooals van zulke intensieve electrische ontladingen te wachten is, aanzienlijke hoeveelheden stikstof en zuurstof in de lucht tot vereeniging brengen. Arrhenius schat de hoeveelheid jaarlijks zoo gebonden stikstof zelfs op 400 mill. ton. Niettemin is dit van weinig direct nut, daar zij niet geconcentreerd wordt op de plaatsen van intensieve akkercultuur van W.-Europa en N.-Amerika. Zie verder STIKSTOFASSIMILATIE.
