Stickstoff

Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass Stickstoff Flammen löscht ("erstickt"). Er ist mit 78% Hauptbestandteil der Luft und außerdem ein wichtiges Hauptnährelement aller Organismen als Baustein der Eiweißgruppe.

Er ist ein zentrales Element im Stoffhaushalt der Ökosysteme (siehe Stickstoffkreislauf) und wurde, da es in Mineralien relativ selten auftritt, auf der Erdoberfläche und im Wasser fast ausschließlich biotisch angereichert.

Stickstoff ist in der Umwelt auch ein wichtiger Dünger, er wird durch Luftstickstoffbindungen (vor allem durch Knöllchenbakterien in Wurzeln von Leguminosen) auf natürlichem Wege im Humus angereichert.

Geschichte

Nitrate und Ammoniumsalze wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Ermals im Jahr 1774 wurde Ammoniak von Priestley dargestellt. Durch die Einführung des Frank-Caro-Verfahrens (Kalkstickstofferzeugung nach Adolf Frank und Heinrich Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jh. nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jh. wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen u.a. die Gewinnung von Salpetersäure nach Birkeland-Eyde, die katalytische Ammoniakverbrennung nach Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch.

Eigenschaften

Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas., welches bei tiefen Temperaturen zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (2,33 ml Stickstoff in 100ml Wasser bei 0°C)

Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Beziehungen ein. In der 2s²p³ Konfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktettkompletierung. Verbindungen in denen dieser Bindungstypus vor kommt sind z.B.:

Diesen Verbindungen ist allen eine triagonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nucleophile und als Basen agieren.

Der in der Natur vorkommende molekulare Distickstoff N₂ ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Entsprechend hoch ist die erforderlichen Aktivierungsenergie, die ggf. durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann.

Analytisches

Stickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignesche Probe und quantitativ mittels der Kjeldahlsche Stickstoffbestimmung oder Elementaranalyse erfasst werden.

Vorkommen

In der Erdatmosphäre sind 75,5 Massen-Prozent oder 78,7 Volumen-Prozent Stickstoff. In der Erdkruste kommt Stickstoff nur zu 0,03% vor. Stickstoffhaltige Mineralien sind relativ selten. In der Natur gibt es zahlreiche wichtige organische Stickstoffverbindungen, wie z.B.: Eiweiße, Nucleinsäuren, etc. Aufgebaut werden diese organischen Verbindungen aus NO₃^- und NH₄⁺ Ionen. Die Aufnahme dieser Nitrat- bzw. Ammoniumionen erfolgen bei Pflanzen über die Wurzeln. Umgekehrt werden beim Abbau organischen Materials (z.B. durch Verwesung) diese Ionen wieder frei gesetzt und stehen dem Stoffkreislauf wieder zur Verfügung (Stickstoffkreislauf).

Gewinnung

Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destilation verflüssigter Luft gewonnen. Alternativ kann Stickstoff auch durch das Binden des Luftsauerstoffes an Kohle und das anschliessende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxides gewonnen werden. Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen wässriger Ammoniumnitritlösung (NH₄NO₂ -> N₂ +H₂O) oder durch die Thermolyse von Natriumazid dargestellt werden.

Verwendung

Technisch wird Stickstoff zur Synthese von Ammoniak und Kalkstickstoff sowie als Schutzgas beim Schweissen, als Lampenfüllung und bei chemischen Reatkionen verwendet. Darüber hinaus finden Stickstoffverbindungen mannigfaltige Anwendungen im Bereich der organischen Chemie und dienen als Düngemittel.

Verbindungen, in denen Stickstoff vorkommt: