Cultivo de salitre en camas de nitrat — Elemen peledak dalam setiap makhluk hidup

Nitrogen (N, unsur 7) terletak dalam Kumpulan 15 (pnikogen), Kala 2. Ia mempunyai berat atom 14.007 dan konfigurasi elektron [He] 2s² 2p³. Dengan lima elektron valens, nitrogen boleh membentuk sehingga tiga ikatan kovalen, mencipta ikatan rangkap tiga N≡N yang sangat kuat dalam molekul nitrogen (N₂). Ikatan rangkap tiga ini menjadikan gas N₂ hampir sepenuhnya tidak reaktif pada suhu biasa — ia memerlukan suhu melebihi 3000 °C atau enzim khusus (nitrogenase) untuk memecahkannya.

Nitrogen tulen ialah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, yang memeluwap pada −196 °C menjadi cecair jernih. Ia ialah gas paling banyak dalam atmosfera Bumi (78.09% mengikut isipadu). Dalam sebatian, nitrogen mempunyai nombor pengoksidaan dari −3 (dalam ammonia, NH₃) hingga +5 (dalam nitrat, NO₃⁻). Kepelbagaian kimia ini menjadikan nitrogen penting untuk kehidupan: ia membentuk tulang belakang asid amino (kumpulan −NH₂), bes nukleotida (purin dan pirimidin dalam DNA/RNA), dan klorofil (molekul yang menangkap cahaya matahari dalam fotosintesis).

N₂ atmosfera memasuki biosfera melalui penetapan nitrogen: kilat menukarkan N₂ kepada oksida nitrogen (NO, NO₂), dan bakteria penetap nitrogen (Rhizobium dalam nodul akar kacang-kacangan, Azotobacter hidup bebas) menggunakan enzim nitrogenase untuk menukarkan N₂ kepada ammonia (NH₃). Ammonia ini memasuki tanah.

Nitrifikasi ialah proses utama dalam pengeluaran saltpeter: bakteria tanah Nitrosomonas mengoksidakan ammonia kepada nitrit (NH₃ → NO₂⁻), dan Nitrobacter mengoksidakan nitrit kepada nitrat (NO₂⁻ → NO₃⁻). Nitrat (NO₃⁻) larut dalam air dan bergerak dalam tanah. Apabila ia bertemu ion kalium (K⁺) — daripada abu kayu, sebagai contoh — ia membentuk kalium nitrat (KNO₃, saltpeter). Ini ialah proses semula jadi yang berlaku di mana sahaja bahan organik yang mereput bertemu tanah beralkali yang kaya kalium. Kaedah niter bed mempercepatkan proses ini dengan menyediakan keadaan optimum untuk bakteria nitrifikasi.

Pilih lokasi terlindung daripada hujan — bumbung atau sandaran (lean-to) adalah penting kerana hujan melarutkan dan menghanyutkan hablur nitrat yang boleh dilarutkan sebelum sempat dituai. Katil niter bersejarah dibina bersandar pada dinding kandang, di bawah bumbung yang menjorok, atau di dalam pondok niter yang dibina khusus. Tanahnya hendaklah mempunyai saliran yang baik; air bertakung membunuh bakteria nitrifikasi aerobik.

Gali lubang persegi panjang yang cetek, kira-kira 2 meter panjang, 1 meter lebar, dan 30 cm dalam. Lapikkan dasarnya dengan lapisan tanah liat yang dipadatkan setebal 5 cm untuk mengelakkan cecair kaya nitrat yang berharga itu meresap ke tanah di bawahnya.

Katil niter memerlukan tiga komponen: sumber nitrogen (bahan organik yang mereput), sumber kalium beralkali (abu kayu atau mortar lama), dan matriks berliang (jerami) yang menyediakan aliran udara untuk bakteria aerobik. Campurkan baja haiwan yang telah dikomposkan dengan jerami yang dicincang dalam isipadu yang kurang lebih sama mengikut anggaran mata. Kemudian tambahkan abu kayu (sumber potash) kira-kira 10–15% daripada jumlah isipadu. Baja menyediakan ammonia yang akan dioksidakan oleh bakteria menjadi nitrat; jerami menyediakan struktur dan aliran udara; potash menyediakan ion kalium untuk bergabung dengan nitrat.

Mortar kapur lama atau serpihan plaster adalah tambahan yang sangat baik — kalsium karbonat membantu mengekalkan pH beralkali (7.5–8.5) yang digemari oleh bakteria nitrifikasi. Hancurkan sebarang ketulan mortar dan campurkan.

Isikan lubang yang telah disediakan dengan bahan campuran secara berlapis, dipadatkan sedikit demi sedikit. Bina katil sehingga setinggi 40–50 cm — ia hendaklah sedikit menimbun di atas paras tanah untuk memastikan saliran yang baik. Katil mesti kekal cukup poros supaya udara dapat mengalir melaluinya; bakteria nitrifikasi bersifat aerobik secara mutlak dan akan mati tanpa oksigen. Jangan memadatkan bahan menjadi jisim yang tumpat.

Bentukkan bahagian atas timbunan menjadi cerun landai supaya sebarang pendedahan air secara tidak sengaja mengalir keluar dan tidak meresap ke dalam.

Katil niter memerlukan penyelenggaraan berkala sepanjang tempoh pertumbuhannya selama 6–12 bulan. Balikkan katil setiap 2–4 minggu dengan sekop, dengan mencampurkan bahan luar ke dalam dan bahan dalam ke luar. Ini memastikan pengudaraan yang sekata serta mengagihkan koloni bakteria ke seluruh katil. Lembapkan katil sedikit dengan air kencing atau air najis haiwan jika ia kering sepenuhnya — bakteria memerlukan sedikit kelembapan tetapi bukan sehingga tepu.

Proses biologinya ialah: nitrogen organik (protein) → ammonia (NH₃) oleh bakteria penguraian → nitrit (NO₂⁻) oleh Nitrosomonas → nitrat (NO₃⁻) oleh Nitrobacter → kalium nitrat (KNO₃) melalui tindak balas dengan potash. Rantaian ini mengambil masa berbulan-bulan kerana setiap populasi bakteria perlu bertapak sebelum yang seterusnya boleh bermula. Kerak kristal putih (kerak garam) di permukaan selepas beberapa bulan menunjukkan pembentukan nitrat sedang berlaku.

Selepas 6–12 bulan, tanah katil niter sepatutnya menunjukkan kerak kristal putih pada permukaan yang terdedah. Kikis kerak permukaan dan kumpulkan 10–15 cm atas tanah — inilah tempat kepekatan nitrat paling tinggi kerana tindakan kapilari menarik KNO₃ yang larut ke permukaan apabila kelembapan tersejat. Kumpulkan tanah yang kaya nitrat ini ke dalam baldi atau tong yang kering.

Masukkan tanah niter yang telah dituai ke dalam tong kayu dengan penapis jerami di bahagian bawah — reka bentuk tong larut lesap yang sama digunakan untuk pengekstrakan potash. Tuangkan air bersih perlahan-lahan melalui tanah tersebut. Air melarutkan kalium nitrat (KNO₃) yang larut, bersama garam lain (NaCl, KCl, garam kalsium). Cecair perang yang mengalir dari bahagian bawah ialah cecair niter mentah.

Lalukan cecair itu melalui tanah sekali lagi untuk kepekatan yang lebih tinggi, sama seperti dengan larutan lindi potash. Larutan yang terhasil sepatutnya terasa pahit dengan ketara dan sejuk di lidah — ujian lapangan tradisional untuk larutan nitrat.

Tuangkan cecair niter pekat ke dalam periuk besi besar dan didihkan di atas api yang stabil untuk menyejat air. Apabila larutan menjadi pekat, bendasing (kalsium sulfat, natrium klorida) mengendap terlebih dahulu kerana kelarutannya dalam air panas lebih rendah daripada KNO₃. Buang bendasing ini dengan menggunakan sudu berlubang atau senduk.

Apabila cecair telah berkurang kepada kira-kira satu pertiga daripada isipadu asalnya, angkat periuk dari api dan biarkan ia sejuk perlahan-lahan. Apabila suhu menurun, kalium nitrat menghablur keluar daripada larutan kerana KNO₃ jauh lebih mudah larut dalam air panas (246 g/100 mL pada 100 °C) berbanding air sejuk (32 g/100 mL pada 20 °C). Hablur panjang berbentuk jarum garam peter terbentuk apabila cecair menyejuk. Perbezaan ketara dalam kelarutan ini — asas penghabluran semula — menjadikan KNO₃ boleh ditulenkan dengan mudah melalui proses melarutkan, menapis, dan menyejukkan.

Setelah cecair itu sejuk hingga suhu bilik, tuangkan cecair yang tinggal (induk cecair) dan kumpulkan jisim berhablur di dasar dan sisi periuk. Hamparkan hablur basah di atas kain bersih atau dulang kayu di tempat yang hangat, kering dan terlindung. Biarkan ia kering sepenuhnya selama 1–2 hari. Hablur kering ialah saltpeter mentah — kalium nitrat (KNO₃) dengan beberapa bendasing.

Untuk ketulenan yang lebih tinggi, larutkan saltpeter mentah dalam air mendidih secukupnya, tapis panas melalui kain untuk membuang bendasing tak larut, dan biarkan ia menghablur semula secara perlahan dengan penyejukan. Setiap kitaran penghabluran semula meningkatkan ketulenan. Dua atau tiga kitaran menghasilkan saltpeter yang cukup tulen untuk pembuatan serbuk letupan.

Letakkan sedikit hablur sendawa kering di atas cakera arang atau permukaan kalis api. Dekatkan nyalaan pada hablur tersebut. Kalium nitrat tulen terurai pada 400 °C dan membebaskan gas oksigen: 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂. Hablur akan menyala dengan terang dan berdesis apabila oksigen yang dibebaskan membekalkan pembakaran. Letakkan bara api yang membara atau kayu uji nipis berhampiran sendawa yang sedang terurai. Ia sepatutnya menyala dengan api terang apabila oksigen yang dibebaskan menyalakannya semula. Inilah sifat yang sama yang menjadikan KNO₃ penting dalam serbuk letupan: ia membekalkan oksigen yang membolehkan arang dan sulfur terbakar secara meletup dalam ruang tertutup.

Jika sampel hanya cair tanpa berdesis atau membebaskan oksigen, ia tercemar dengan terlalu banyak natrium klorida (garam biasa) atau bendasing lain dan memerlukan satu lagi kitaran penghabluran semula.