Mengapa nitrogen atmosfer begitu lembam?
Udara terdiri dari nitrogen hampir empat perlima, namun nitrogen adalah unsur hara yang paling membatasi pertumbuhan tumbuhan di sebagian besar planet. Pertentangan itu dijelaskan oleh satu angka.
Molekul N₂ disatukan ikatan rangkap tiga yang energi disosiasinya 945 kJ/mol. Sebagai perbandingan: ikatan rangkap dua oksigen memerlukan 498 kJ/mol dan ikatan tunggal hidrogen 436. Ikatan rangkap tiga nitrogen-nitrogen adalah persatuan terkuat antara dua atom sejenis yang ada dalam kimia biasa.
Kekuatannya berasal dari konfigurasi 2p³. Dengan tiga elektron pada tiga orbital p, masing-masing sendirian menurut kaidah Hund, dua atom nitrogen dapat memasangkan ketiga pasangan sekaligus. Terbentuklah satu ikatan sigma dan dua ikatan pi, dan setiap atom mencapai oktet tanpa muatan formal.
Hasilnya adalah molekul tanpa dipol, tanpa elektron yang tersedia, dan tanpa orbital berenergi rendah yang dapat menerima kerapatan elektron. Ia hampir selembam gas mulia pada suhu ruang.
Karena itu ia dipakai sebagai atmosfer pelindung dalam pengelasan, pengemasan pangan, dan pengisian ban pesawat: ia menyingkirkan oksigen tanpa bereaksi dengan apa pun.
Bagaimana industri berhasil memutus ikatan itu?
Dengan tekanan, suhu, dan katalis, setelah bertahun-tahun percobaan yang gagal.
Fritz Haber membuktikan pada 1909, dalam skala laboratorium, bahwa nitrogen dan hidrogen bergabung menjadi amonia jika dipaksa:
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃Reaksinya eksotermik, sehingga termodinamika memihaknya pada suhu rendah. Namun pada suhu rendah ia tidak berlangsung dengan laju yang berarti. Dan karena ia menghasilkan lebih sedikit molekul daripada yang dipakainya, tekanan tinggi menggeser kesetimbangan ke arah produk.
Jalan tengah industri, yang dibawa Carl Bosch ke skala besar di BASF sekitar 1913, bekerja pada sekitar 450 °C dan antara 150 dan 250 atmosfer di atas katalis besi. Hasil per lintasan sederhana, sekitar 15 %, dan gas yang belum bereaksi disirkulasikan kembali.
Keduanya menerima Nobel, Haber pada 1918 dan Bosch pada 1931. Proses ini kini menyerap sekitar 1 sampai 2 % energi dunia dan menopang pangan miliaran orang.
⚠️ Proses yang sama memasok Jerman dengan nitrat untuk bahan peledak selama Perang Dunia I, ketika blokade laut memutus pasokan nitrat Cile. Haber juga memimpin program perang kimia Jerman.
Bagaimana bakteri melakukannya tanpa tekanan dan panas?
Dengan enzim yang belum bisa ditiru kimia industri.
Nitrogenase memuat kofaktor besi dan molibdenum yang memutus ikatan rangkap tiga pada suhu dan tekanan ruang. Biayanya dibayar sel dalam energi kimia: reaksinya memakai enam belas molekul ATP untuk setiap N₂ yang diikat.
Bakteri yang memilikinya hidup bebas di tanah atau bersimbiosis dengan akar polong-polongan, tempat mereka membentuk bintil yang tampak. Tumbuhan memberi mereka gula dan menerima amonium.
Dari sanalah pergiliran tanaman: menyelingi semanggi atau alfalfa dengan serealia memulihkan nitrogen tanah tanpa pupuk. Praktiknya berumur ribuan tahun dan penjelasannya baru tiba pada akhir abad XIX.
Nitrogenase tidak aktif jika terkena oksigen, yang memaksa bakteri melindunginya. Polong-polongan menghasilkan leghemoglobin, protein yang berkerabat dengan hemoglobin, yang menangkap oksigen dan memberi warna merah muda pada bagian dalam bintil.
Apa gunanya nitrogen cair?
Mendinginkan, terutama. Ia mendidih pada 77,36 K pada tekanan atmosfer, murah diproduksi lewat distilasi udara, dan tidak mudah terbakar maupun beracun.
Dalam kedokteran ia dipakai dalam bedah beku untuk menghancurkan jaringan lewat pembekuan, dan dalam pengawetan sampel biologi, sperma, dan embrio. Dalam gastronomi ia berguna untuk membekukan nyaris seketika, yang menghasilkan kristal es sangat kecil dan tekstur yang tak dapat dicapai lemari pembeku biasa.
Dalam industri ia dipakai untuk merapuhkan bahan sebelum digiling: karet ban, yang lentur pada suhu ruang, pecah seperti kaca pada 77 K.
⚠️ Risiko utamanya bukan luka bakar melainkan sesak napas. Satu liter nitrogen cair menghasilkan sekitar 700 liter gas saat menguap. Dalam ruang tertutup ia menyingkirkan oksigen tanpa terasa: nitrogen tidak berbau, tidak mengiritasi, dan tidak menimbulkan rasa tercekik, yang bergantung pada karbon dioksida yang menumpuk dan bukan pada kekurangan oksigen. Kematian karena hal ini pernah terjadi di laboratorium.
Apa itu kelebihan nitrogen di lingkungan?
Sisi lain Haber-Bosch. Membuat nitrogen reaktif dalam skala industri telah melipatgandakan aliran alami daur nitrogen.
Sebagian besar pupuk yang ditebar tidak sampai ke tanaman. Ia hanyut bersama hujan dan mencapai sungai serta muara, tempat ia memberi makan pertumbuhan ganggang yang meledak. Ketika ganggang itu mati, penguraiannya menghabiskan oksigen terlarut dan meninggalkan zona tempat fauna tak bertahan. Zona di Teluk Meksiko, yang dipasok cekungan Mississippi, pada musim panas tertentu mencapai ribuan kilometer persegi.
Sebagian lain diemisikan sebagai dinitrogen oksida, N₂O, gas rumah kaca sekitar tiga ratus kali lebih kuat daripada CO₂ per molekul dan yang juga merusak ozon stratosfer.
Persoalan ini tidak menerima jawaban sederhana berupa berhenti memupuk, karena produksi pangan bergantung padanya. Pendekatan sekarang berkisar pada penyesuaian dosis menurut waktu dan tempat, serta peningkatan efisiensi serapan tanaman.