Nitraat

De drie mesomere grensstructuren van het nitraation. Het nitraation is iso-elektronisch met het carbonaat-ion.

Nitraat is in de scheikunde de algemene naam van een polyatomisch anion (NO₃⁻) of functionele groep (R-O-NO₂) die één stikstofatoom (N) en drie zuurstofatomen (O) bevat. In nitraten heeft stikstof formeel een oxidatietoestand van +5. Chemisch gezien is salpeterzuur (HNO₃) de stamverbinding van de nitraatgroep. Negatieve nitraationen vormen zouten met positieve (metaal)ionen, zoals K⁺ (kaliumionen), Ca²⁺ (calciumionen), en met het positieve ammonium-ion.

De benaming 'nitraten' verwijst in de landbouw naar nitraat-zouten als

• kaliumnitraat: kalisalpeter of salpeter
• calciumnitraat: kalksalpeter
• ammoniumnitraat: ammoniumsalpeter
• natriumnitraat: chilisalpeter

Nitraten worden in de triviale naamgeving vaak als achtervoegsel 'salpeter' genoemd.

In de plantenfysiologie voorzien nitraten in de stikstofbehoefte van de plant; stikstof (N) is een onmisbaar element voor de aanmaak in de plant van aminozuren, op hun beurt de grondstoffen voor de eiwitsynthese.

Nitraationen vormen met metalen altijd ionogene verbindingen (zouten), met name met alkali- en aardalkalimetalen. De verbindingen zilvernitraat en lood(II)nitraat zijn veelgebruikte stoffen in het laboratorium. Met alle metaalionen (en het ammonium-ion) vormt het nitraation opmerkelijk genoeg altijd een in water oplosbaar zout. Salpeterzuur is een krachtige oxidator. Nitraatesters zijn vaak zeer brandbaar en/of explosief.

Toepassingen

Gebruik als kunstmest

Sinds de uitvinding van het Haber-Boschproces in het eerste decennium van de 20 eeuw, wordt uit chemische synthese verkregen nitraat-zouten gebruikt als een van de bestanddelen van kunstmest, omdat het anion NO₃⁻ stikstof (N) bevat. Meestal gaat het hier om ammonium- en natriumnitraat. In het geval van ammoniumnitraat NH₄NO₃ bevat ook het kation NH₄⁺ (ammonium) stikstof. Het kunstmest-mengsel KAS (kalkammonsalpeter) bestaat voor 70% uit ammoniumnitraat (NH₄NO₃), voor 25% uit calciumcarbonaat (CaCO₃) en voor 5% uit magnesiumoxide (MgO). Een andere synthetische mengmeststof is NPK, met naast ammoniumnitraat (N), fosfaat (fosfor (P)) en kalium (K). Ook chilisalpeter (voor circa 95% NaNO₃) wordt gebruikt. De naam verwijst naar de vroegere natuurlijke vindplaats. Het werd uitsluitend in de Chileense woestijn gevonden, omdat daar zo goed als geen neerslag valt en de lucht zeer droog is. Chilisalpeter is namelijk zeer hygroscopisch en wordt daarom in andere klimaten niet in de natuur gevonden. Stikstof, wordt, behalve in de gebonden vorm nitraat, ook gebonden in andere stifstofverbindingen als ammonium en ureum toegediend, of zelfs via injectie in de bodem van vloeibare ammoniak. Dat heeft als voordeel dat de stikstof langzamer vrij komt, ureum wordt door bodembacteriën omgezet in ammonium, en ammonium wordt door nitrificerende bacteriën omgezet in nitraat. Ook heeft ammonium voor bepaalde gewassen het voordeel dat de pH lager is.

Voor alle stikstofbronnen (vormen van N-meststof), van nitraat tot ureum en van organisch tot anorganisch, geldt een zelfde rekeneenheid, namelijk het massa-deel dat voor rekening komt van de stikstof-atomen. Bijvoorbeeld, 100 kg nitraat NO₃⁻ wordt aangegeven als 23 kg zuivere stikstof.

Stikstofkringloop

Nitraten zijn deel van de stikstofkringloop. De bron van nitraat en andere N-meststoffen is moleculaire luchtstikstof (N₂), waar de lucht voor 80 % uit bestaat. Nitraat kan op natuurlijke wijze vanuit N₂ worden gevormd, via stikstofbinding door bacteriën in de wortelknolletjes van vlinderbloemigen, en als NO_x als gevolg van een evenwichtsreactie tussen dizuurstof en luchtstikstof (distikstof), bij bliksemontladingen. Daarnaast vindt deze evenwichtsreactie ook plaats bij natuurlijke branden en verbrandingsprocessen, in bijvoorbeeld ketels en verbrandingsmotoren. Nitraatverlies vindt plaats door opname door planten, uitspoeling door overvloedige regenval, en door denitrificatie. Denitrificatie treedt op als gevolg van een slechte bodemstructuur met weinig, zuurstof bevattende bodemporiën. Door het lage zuurstofgehalte van de bodem gebruiken bepaalde soorten, facultatief aerobe bodembacteriën zuurstofatomen (O) uit het nitraation NO₃⁻ voor hun stofwisseling. Bij denitrificatie verdwijnt nitraat, in de vorm van distikstof (N₂), uit de bodem in de atmosfeer, wat de stikstofkringloop rond maakt.

Gebruik in het laboratorium

Nitraten worden in het laboratorium veel gebruikt omdat er geen onoplosbare verbindingen gevormd worden met metaalionen. Kaliumnitraat wordt toegepast in zoutbruggen, lood(II)nitraat is het loodzout en zilvernitraat speelt een belangrijke rol in de bepaling van halogeniden, met name chloride. Ook worden er veel fotografische proeven mee gedaan. Als men een oplossing natriumchloride (NaCl) toevoegt aan een oplossing van zilvernitraat (AgNO₃) ontstaat zilverchloride (AgCl) dat niet oplosbaar is in water en direct zal neerslaan, waardoor het makkelijk is af te filtreren. Gezien de eigenschap van zilverchloride om direct te ontleden bij blootstelling aan daglicht in zilver (Ag) en chloorgas, (Cl₂) wordt zilvernitraat gebruikt als basis voor deze proeven.

Precipitatiereacties

Nitraten van overgangsmetalen zijn over het algemeen goed oplosbaar in water. Dat maakt ze geschikt om onoplosbare zouten van overgangsmetalen op een gecontroleerde manier te maken met een precipitatiereactie. Bijvoorbeeld het niet in water oplosbare koper(II)carbonaat kan gemaakt worden door een oplossing van koper(II)nitraat en een oplossing van natriumcarbonaat met elkaar te mengen:

${\ce {Cu(NO3)2(aq) + Na2CO3(aq) -> CuCO3(s) + NaNO3(aq)}}$

Gebruik in vuurwerk en explosieven

Er bestaan pyrotechnische knallers die "nitraat" worden genoemd. Dit is echter een incorrecte benaming want deze bevatten altijd een mengsel van kaliumchloraat of kaliumperchloraat, aluminiumpoeder en soms zwavel en salpeter, ook wel kaliumnitraat genoemd.

Nitraatzouten vormen vaak de oxidator en/of het vlamkleurend ingrediënt in pyrotechnische sassen. Het meest gebruikt worden kalium-, barium- en strontiumnitraat. Strontium kleurt rood wanneer een chloordonor in de sas aanwezig is. Hiervoor wordt meestal pvc gebruikt. Barium kleurt helder groen (zie ook vlamkleuring). Ammonium- en natriumnitraat worden zelden gebruikt in sassen omdat ze zeer hygroscopisch zijn.

Ammoniumnitraat en zilvernitraat (NH₄NO₃) zijn de enige nitraatzouten die zonder enige bewerkingen kunnen worden gebruikt als secundaire explosieven. Ammoniumnitraat is echter zeer stabiel en dus zeer moeilijk te detoneren. Om de stof gevoeliger te maken wordt soms benzine, kerosine of dieselolie met de stof gemengd. Het zo verkregen explosief heet ANFO. Het is een veilig en zeer krachtig explosief. Om die reden heeft het in de mijnbouw dynamiet al bijna verdrongen. Er is echter nog wel een booster nodig om het explosief te detoneren. Hiervoor wordt meestal nog wel dynamiet gebruikt. Zilvernitraat daarentegen is een drukgevoelig explosief en is dus te detoneren met de klap van een hamer. Zilvernitraat wordt in de pyrotechniek niet zoveel gebruikt omdat het heel snel detoneert; het wordt wel gebruikt in zogenoemde knalerwten. Soms worden nitraatzouten gemengd met nitromethaan. Hiervoor wordt meestal ammonium- of kaliumnitraat gebruikt. Het nadeel van deze explosieven is dat ze veel minder stabiel zijn dan ANFO. De verkregen explosieven heten respectievelijk ANNM (bij ammoniumnitraat) en PNNM (bij kaliumnitraat).

Chemische synthese van nitraatzouten

In de industrie wordt meestal salpeterzuur als beginstof genomen om een nitraatzout te maken. Salpeterzuur wordt gevormd uit ammoniak en zuurstofgas via de volgende globale reactie:

${\ce {NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}$

Deze reactie verloopt in werkelijkheid in een drietal stappen:

1. ${\ce {4NH3 + 7O2 -> 4NO2 + 6H2O}}$

2. ${\ce {3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}}$

3. ${\ce {2NO + O2 -> 2NO2}}$

Er is een Pt-katalysator nodig voor reactiestap 2, omdat anders in plaats van HNO₃ het onbruikbare N₂ gevormd wordt. Het in stap 3 gevormde NO₂ laat men via recirculatie van het gas weer stap 1 ondergaan.

Daarna kan salpeterzuur worden omgezet in nitraten. In de meeste gevallen laat men het ontstane salpeterzuur nogmaals reageren met ammoniak waardoor ammoniumnitraat ontstaat. In het lab kan kaliumnitraat meestal uit kaliumcarbonaat (K₂CO₃) of kaliumchloride (KCl) worden gemaakt of in sommige gevallen uit metallisch kalium, maar dit reageert zeer agressief met het HNO₃. In de industrie maakt men simpel gebruik van een zuur-base reactie tussen een carbonaat of hydroxide met ammoniumnitraat.

Bij de productie van nitraatesters wordt nitreerzuur gebruikt, een 50/50-mengsel van zwavelzuur en salpeterzuur. Organisch materiaal (koolhydraten, niet-aromatische amines) wordt in het zuur gelegd waardoor in een chemische reactie de ONO₂-groep zich aan het organische molecuul hecht. Zo'n reactie wordt een nitrering genoemd (niet te verwarren met aromatische nitrering). Aromatische gesubstitueerde verbindingen kunnen ook genitreerd worden maar vormen nitroverbindingen (RNO₂). Esters van salpeterzuur zijn zeer brandbaar of explosief. Hooggenitreerde varianten kunnen in de open lucht in bepaalde hoeveelheden al tot detonatie overgaan (voorbeelden: cellulosenitraat en nitrozetmeel). Ook suikers als sacharose kunnen genitreerd worden.

Nitraat in de plantenstofwisseling

Planten maken hun eigen aminozuren, de basis voor de eiwitsynthese. De uitgangsstof voor de aminozuursynthese is, uit de fotosynthese afkomstige, glucose. Daarnaast heeft de plant voor de aminozuursynthese stikstof nodig. Stikstof is in de bodem aanwezig in de vorm van in bodemvocht opgelost nitraat, dat afkomstig is van stikstoffixatie, en van de biologische afbraak van eiwithoudend, organisch materiaal. Stikstoffixatie is het vastleggen van atmosferische stikstof door, met de plant in symbiose levende, bodembacteriën. Deze bacteriën leggen stikstof uit de lucht vast in de vorm van ammonium. Daarnaast leidt ook de afbraak door reducenten, van eiwitten uit afgestorven plantaardig bodemmateriaal, tot de vorming van ammonium. Het gevormde ammonium wordt, via nitrificatie, door vrijlevende bodembacteriën vervolgens in nitraat omgezet. Het nitraat wordt, opgelost in het bodemvocht, door de plantenwortels opgenomen.

In de landbouw levert bemesting de plant een stikstofvoorraad, die, met name in de vorm van nitraat, door de plant wordt opgenomen, opgelost in bodemvocht. De plant zet nitraten om in eiwitten voor zijn groei. De uiteindelijk door planten opgenomen hoeveelheid nitraat wordt beïnvloed door:

• Licht
• Temperatuur
• Bemesting via kunstmest (in de land- en tuinbouw)

Als de plant zijn nitraatbehoefte heeft verzadigd, hoopt bij overvloedige bemesting nitraat zich op in de bodem. Dit speelt met name bij geringe groei en weinig productie van assimilaten (koolhydraten en eiwitten) van diverse groenten, zowel blad- als knolgewassen. In geval van langdurige overbemesting vormt nitraat, door uitspoeling via regenwater in het grondwater, ten slotte een probleem bij de bereiding van schoon drinkwater (zie hieronder 'drinkwater' en 'risico's'). Bovendien ontstaat er ook een overschot aan nitraat in de plant zelf, als er meer nitraten worden opgenomen dan in eiwit omgezet. Uiteindelijk worden zo groenten gevormd met een (te) hoog nitraatgehalte.

Nitraat in voeding

De drie belangrijke bronnen van nitraat in de voeding zijn groenten, conserveermiddelen en drinkwater. De aanvaardbare norm is vastgesteld op 259 mg voor een volwassene van 70 kilo. Deze hoeveelheid is voor 75 tot 90% afkomstig van groenten. Conserveermiddelen en drinkwater maken samen gemiddeld ongeveer 15 tot 20% van de inname uit. De gemiddelde inname in Europa zou 155 mg per dag zijn.

Groenten

Nitraten komen van nature veel voor in groen voedsel. Voorbeelden van groenten waar meer dan 1 gram nitraat per kilogram in voorkomt zijn:

• Andijvie
• Koolraap
• Radijs
• Selderij
• Paksoi
• Rammenas
• Chinese kool
• Postelein
• (Rode) biet
• Kervel
• Raapstelen
• Spinazie
• Kool
• Venkel
• Waterkers

De hoeveelheid nitraat in groenten is seizoensafhankelijk. In de winter is die ongeveer anderhalf keer zo groot als in de zomer. Gemiddeld bevat een kropsla in de winter gemiddeld 3,2 gram tegen 2,2 gram per kilogram in de zomer. Maar ook bij voorjaarsspinazie en veldsla kunnen hoge nitraatgehaltes voorkomen, evenals bij andijvie, raapstelen, kool, bietjes, rucola, postelein en selderij. De overheid heeft per gewas en tijdsperiode van het jaar nitraatnormen opgesteld om vermarkt te mogen worden. Zo mag sla 's-zomers 2500 mg nitraat/kg bevatten en van 1 november tot 1 mei 4500. De overheid streeft naar een nitraatnorm van maximaal 2500 mg per kg groente.

Conserveermiddelen

Nitraten worden tevens toegevoegd als conserveringsmiddel aan kaas en vleeswaren. Daarbij gaat het om natriumnitraat en kaliumnitraat (E-nummers respectievelijk E251 en E252). De nitraatzouten voorkomen de ontwikkeling van de bacterie die botulisme veroorzaakt. In vleeswaren zorgen ze bovendien voor de mooie roze kleur van het product.

Drinkwater

Wanneer de bodem intensief bemest wordt, komt het nitraat na verloop van jaren uiteindelijk in het grondwater terecht. In gebieden waar grondwater wordt gebruikt als grondstof voor drinkwater blijkt dit water steeds meer nitraat te bevatten. Boven zandgronden in zuid- en oost Nederland komen nitraatgehaltes van 20–50 mg per liter voor.

Nitraat is bij drinkwaterbereiding heel moeilijk te verwijderen. Een mogelijkheid zijn ionenwisselaars waar het verwisseld kan worden met het chloor-ion. De nitraatnorm kan alleen voldaan worden door de vervuiling aan te pakken bij de bron, zoals het voorkomen van overbemesting en de vermindering van de uitstoot van NO_x.

Nitraat wordt in het lichaam van de mens gerecirculeerd tussen de darm, het bloed en het speeksel omwille van de antibacteriële werking van nitriet.

Risico's

De schadelijkheid van nitraat is op zich niet hoog. Een probleem kan echter wel ontstaan bij de omzetting in het veel giftiger nitriet door bacteriën. De omzetting van nitraat naar nitriet vindt in de levensmiddelen zelf al plaats, maar dit gaat heel langzaam. Deze reactie verloopt echter sneller bij een hogere temperatuur, vooral tussen de tien en zestig graden Celsius. Boven een temperatuur van 60 graden gaan de bacteriën dood en vindt geen nieuwe nitrietvorming meer plaats. Omdat de temperatuur tijdens het kookproces echter langzaam oploopt is vorming van nitriet bij het koken van groenten dan ook niet te voorkomen. Het is dus raadzamer de te bereiden groente aan kokend water toe te voegen. Een kleine fractie (ongeveer 5%) van het ingenomen nitraat wordt tijdens de spijsvertering, door de bacteriën in het maag-darmkanaal omgezet in nitriet.

Deze nitrieten kunnen in bepaalde omstandigheden omgezet worden in nitrosaminen die mogelijk kankerverwekkend (met name maagkanker) zijn. Nitraatinname via de voeding leidt echter niet tot een verhoogd risico op maagkanker.

Nitrieten kunnen in het bloed hemoglobine omvormen tot methemoglobine. Dit kan leiden tot anemie en cyanose. Bij baby's kan het percentage nitraat dat in het lichaam wordt omgezet in nitriet, oplopen tot tachtig procent. Bij zuigelingen kan daarom relatief gemakkelijk een zuurstoftekort (cyanose, methemoglobinemie, blauwzucht, blauwe-baby-ziekte) ontstaan. Babyvoeding was lange tijd uit voorzorg nitraatarm, maar dat advies is in 2014 herzien. Bij een inname onder 15 mg nitraat per kg lichaamsgewicht per dag is er geen verhoogd risico. Ook het advies om geen nitraatrijk drinkwater te gebruiken bij de bereiding van zuigelingenvoeding is grotendeels ingetrokken. Alleen wanneer water uit privébronnen wordt gebruikt bij de bereiding van zuigelingenvoedsel bestaat er een risico voor methemoglobinemie. In West-Europa komt methemoglobinemie bijna niet meer voor.

De "aanvaardbare dagelijkse inname" (ADI) van nitraat is 3,7 mg/kg lichaamsgewicht per dag.

Veel voorkomende nitraten

• Ammoniumnitraat
• Calciumnitraat
• Kaliumnitraat
• Natriumnitraat
• Zilvernitraat
• Loodnitraat
• Bariumnitraat
• Kobaltnitraat

Organische nitraten

• Nitroglycerine (glyceryltrinitraat)
• Nitrocellulose(cellulosenitraat)
• Nitrozetmeel (zetmeelnitraat)

Bij een molecuulformule van een organisch nitraat wordt nooit NO₃ geschreven, maar ONO₂, daar één zuurstofatoom deel uitmaakt van een esterbinding. Een organisch nitraat kan bijgevolg opgevat worden als een nitro-ester.

Zie ook

• Stikstofgebrek

Externe link

• Mest Actieplan (Kaarten met nitraatconcentraties in het oppervlaktewater in Vlaanderen)

Bronnen, noten en/of referenties