Nitrate

Das Nitrat-Ion (NO₃^-) ist das Anion der Salpetersäure. Salze, die das Nitrat-Ion enthalten, bezeichnet man als Nitrate.

Struktur

Das Nitrat-Ion ist planar gebaut. Die Bindungswinkel betragen jeweils 120°. Ebenfalls sind die Bindungslängen der N-O-Bindungen gleich lang und liegen zwischen den Längen für Einfach- und Doppelbindungen. Die reelle Struktur des Nitrat-Ions muss deshalb zwischen drei mesomeren Grenzstrukturen existieren:

Dabei ist zu beachten, dass Stickstoff (N) als Element der 2. Periode noch keine Oktettaufweitung durch d-Orbitale betreiben kann, so dass die auf den ersten Blick ungünstigen mesomeren Grenzstrukturen mit positiven wie negativen Ladungen entstehen.

Herstellung

Ein Nitratsalz entsteht beispielsweise bei der Reaktion einer Lauge mit Salpetersäure.

Beispielreaktion:
$Ba(OH)_{2}+2HNO_{3}\rightarrow Ba(NO_{3})_{2}+2H_{2}O$

Bariumhydroxid + Salpetersäure $\rightarrow$ Bariumnitrat + Wasser

Entstehung und Umsetzungen in der Natur

Im Boden und in Gewässern wird Nitrat durch die Nitrifikation aus Ammonium gebildet. Das Bakterium Nitrosomonas oxidiert zunächst Ammonium zu Nitrit. In einem zweiten Schritt oxidiert das Bakterium Nitrobakter das Nitrit zum Nitrat. Das ursprüngliche Ammonium stammt in der Regel aus der Ausscheidung durch Organismen als Endprodukt des Eiweiß-Stoffwechsels.

In der Landwirtschaft wurde in den vergangenen Jahrzehnten die Gülle-Wirtschaft forciert. Dadurch wurden die Böden in erheblichem Umfang mit leicht nitrifizierbaren Stickstoffverbindungen belastet. Die Folge war ein drastischer Anstieg des Nitratgehaltes im Grundwasser. In vielen Gegenden wurde dadurch die Gewinnung von Trinkwasser gefährdet, da hierfür ein Grenzwert von 50 mg/l gilt.

Das Nitrat kann direkt von pflanzlichen Organismen als Stickstoffquelle aufgenommen und verwertet werden. Unter sauerstoffarmen Verhältnissen, wie sie in Kläranlagen und in tieferen Schichten von Seen auftreten, kommt es zu einer bakteriellen Nitratreduktion zu Nitrit. Der häufigere Weg bei fast vollständigem Mangel an Sauerstoff ist jedoch die bakterielle Denitrifikation zu gasförmigem Stickstoff.

Gesundheitliche Gefahren

Nitrat selbst ist weitgehend ungiftig! Grenzen zur Toxizität für Säugetiere und Menschen liegen in der gleichen Größenordnung wie diejenigen von Chlorid und Sulfat, nämlich im zweistelligen Gramm-Bereich, wo durch übersteigerte Ionenzufuhr osmotische Probleme entstehen (Wasserhaushalt des Körpers).

Dennoch sind in den Lebensmittelverordnungen Grenzwerte im Milligrammbereich festgelegt. Für Trinkwasser gilt in der EU ein Grenzwert von 50 mg/l. Die Ursache hierfür liegt in der Gefahr einer Nitratreduktion zu Nitrit. Diese ist gegeben, wenn der Darm durch entsprechende Bakterien fehlbesiedelt ist, die eine solche Reduktion durchführen können. Auch bei Säuglingen bis zum sechsten Monat besteht die Gefahr einer akuten Vergiftung. Die Erstlingsflora des Darmes kann bevorzugt auch Nitrit bildende Bakterien enthalten.

Auch beim Tränkewasser von Wiederkäuern (z.B. Rindern) besteht durch Nitratreduktion im Pansen eine akute Gefahr der Nitritvergiftung. Hier werden sogar Nitratkonzentrationen über 20 mg/l als gefährlich betrachtet.

In der Aquaristik bedeutet ein zu hoher Nitrat-Wert des Wassers eine Gefährdung der niederen Wassertiere (Korallentiere etc.), die mitunter zum Tode führen kann. Für die Fische sind dagegen auch mehrere Hundert mg/l ungefährlich.

Anwendungen

Nitrate sind Bestandteile von Düngemitteln. Kaliumnitrat ist Bestandteil des Schwarzpulvers. Es kann ggf. auch durch andere Nitrate ersetzt werden, wenn farbige Lichteffekte in der Pyrotechnik gewünscht werden.

Als Lebensmittelzusatzstoff kann Natriumnitrat E 251 oder Kaliumnitrat E 252 als Pökelsalz zur Konservierung von Wurst verwendet werden.

Es gilt mittlerweile als erwiesen, dass übermäßiger Düngeeinsatz zu einem erhöhten Nitratgehalt insbesondere in oberflächennahen Trinkwasservorkommen führen kann. Der aktuelle Grenzwert für NO₃^- liegt laut der deutschen Trinkwasserverordnung z.Zt. bei 50 mg/l, laut der schweizerischen Gewässerschutzverordnung bei 25mg/l. Wässer, die diesen Grenzwert überschreiten, werden von Wasserversorgern oft mit nitratärmerem Wasser vermischt, um den Grenzwert einzuhalten.

Bei übermäßigem Eintrag verschiebt sich der Nährstoffhaushalt oligotropher Standorte (Böden, Gewässer) zugunsten eutropher Bedingungen, wodurch nitrophytische Pflanzengesellschaften bevorzugt werden. Damit geht eine Reduktion von Biodiversität einher. Besonders bei Gewässern mit geringer Fließgeschwindigkeit kann im Zusammenwirken mit Phosphorverbindungen ein vermehrtes Algenwachstum entstehen.

Vorbeugend können in der Landwirtschaft Zwischenfrüchte angebaut werden, die den Nitrateintrag in die Gewässer verringern. Weitere Maßnahmen wären die Reduktion des Düngemitteleinsatzes oder die Verwendung von Nitrifikationshemmstoffen im Dünger. Politisch wurde mit der Umsetzung der EU-Nitratrichtlinie auf die ökologische Bedeutung reagiert.

Verschiedene Nitrate

Kaliumnitrat – KNO₃ Kalisalpeter
Natriumnitrat – NaNO₃ Natronsalpeter

Bariumnitrat – Ba(NO₃)₂
Blei(II)-nitrat – Pb(NO₃)₂
Calciumnitrat – Ca(NO₃)₂ Mauersalpeter
Eisen(II)-nitrat – Fe(NO₃)₂
Kupfer(II)-nitrat – Cu(NO₃)₂
Magnesiumnitrat – Mg(NO₃)₂

Aluminiumnitrat - Al(NO₃)₃
Chrom(III)-nitrat – Cr(NO₃)₃
Eisen(III)-nitrat – Fe(NO₃)₃

Ammoniumnitrat - NH₄NO₃ Ammonsalpeter, Düngesalz, Explosivstoff!

Manche Nebengruppenelemente wie Wolfram bilden keine Nitrate.

Nachweis

Ringprobe: 4 Tropfen der Lösung werden mit verdünnter Schwefelsäure(c=2mol/l) angesäuert. Man gibt eine gehäufte Spatelspitze Eisen(II)-sulfat dazu und es wird so lange in der Kälte geschüttelt bis man eine klare Lösung erhält. Nun wird die Lösung mit 1ml konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet ohne die Flüssigkeiten zu mischen. Ein violett- bis rotbrauner Ring von Eisen(II)-nitrososulfat (FeNO)SO₄ an der Berührungsfläche zeigt Nitrat an. (Iodid, Bromid und Chromat stören)

4 Tropfen der Lösung werden mit 0,5 ml Natronlauge(c=4mol/l) versetzt. Man fügt eine kleine Spatelspitze DEVARDA'sche Legierung (50%Cu, 45%Al, 5%Zn) hinzu. Das entstehende Gas wird mit einem feuchten pH-Papier geprüft. Eine gleichmäßige basische Färbung zeigt Nitrat an. Ammoniumsalze stören und müssen durch kochen ausgetrieben werden.

Nachweis mit Lunges Reagenz: Man säuert die entsprechende Substanz mit verdünnter Essigsäure an. Nun muss Nitrat zuerst zu Nitrit reduziert werden. Dies erreicht man, indem man Zinkstaub oder Zinkgranulat zur Analysensubstanz gibt. Nach Zugabe von zwei Tropfen Lunge I und zwei Tropfen Lunge II beobachtet man eine rote Färbung, falls Nitrat vorhanden ist. Es ist ein Azofarbstoff entstanden. (Störendes Nitrit muss vor der Nachweisreaktion mit Hilfe von Amidoschwefelsäure entfernt werden.)

Literatur

Rohmann, Ulrich und Heinrich Sontheimer (1985): Nitrat im Grundwasser, Karlsruhe

Weblinks