Stickstoff

Der Name Stickstoff bezeichnet das chemische Element aus dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Man spricht auch von atomarem Stickstoff. Elementar tritt Stickstoff jedoch nur in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Stickstoff-Atomen, auf (→ molekularer Stickstoff, Summenformel N₂).

Molekularer Stickstoff ist ein Hauptbestandteil der Luft. Er ist in der Umwelt ein wichtiger Dünger, der durch Luftstickstoffbindung (vor allem durch Knöllchenbakterien in Wurzeln von Leguminosen) auf natürlichem Wege im Humus angereichert. In atomarer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptnährelement aller Organismen. Stickstoff 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.

Das Elementsymbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium (von altgriech. νιτρον = Laugensalz und altgriech. γενος = Herkunft) ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht ("erstickt").

Eigenschaften

Kohlenstoff - Stickstoff - Sauerstoff

N
P

[He]2s²2p³

14

7

N

Periodensystem

Allgemein

Name, Symbol, Ordnungszahl

Stickstoff, N, 7

Serie

Nichtmetalle

Gruppe, Periode, Block

15 (VA), 2, p

Aussehen

farblos

Massenanteil an der Erdhülle

0,03 %

Atomar

Atommasse

14,0067 u

Atomradius (berechnet)

65 (56) pm

Kovalenter Radius

75 pm

van der Waals-Radius

155 pm

Elektronenkonfiguration

[He]2s²2p³

Elektronen pro Energieniveau

2, 5

Oxidationszustände (Oxide)

±3, 5, 4, 2 (stark sauer)

Normalpotential

-

Elektronegativität

3,04 (Pauling-Skala)

Kristallstruktur

hexagonal

Physikalisch

Aggregatzustand

gasförmig

Modifikationen

1

Dichte (Mohshärte)

1,2506 kg/m³ (bei 273 K) (-)

-

63,14 K (-210,01 °C)

77,35 K (-195,80 °C)

13,54 · 10^-6 m³/mol

2,7928 kJ/mol

0,3604 kJ/mol

-

Schallgeschwindigkeit

334 m/s bei 298,15 K

Verschiedenes

Spezifische Wärmekapazität

1040 J/(kg · K)

Elektrische Leitfähigkeit

-

Wärmeleitfähigkeit

0,02598 W/(m · K)

1. Ionisierungsenergie

1402,3 kJ/mol

2. Ionisierungsenergie

2856 kJ/mol

3. Ionisierungsenergie

4578,1 kJ/mol

4. Ionisierungsenergie

7475,0 kJ/mol

5. Ionisierungsenergie

9444,9 kJ/mol

6. Ionisierungsenergie

53266,6 kJ/mol

7. Ionisierungsenergie

64360 kJ/mol

Isotope

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
¹³N	{syn.}	9,965 m	e^--Einfang	2,220	¹³C
¹⁴N	99,634 %	N ist stabil mit 7 Neutronen
¹⁵N	0,366 %	N ist stabil mit 8 Neutronen

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Geschichte

Nitrate und Ammoniumsalze wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Erstmals 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. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure nach Birkeland-Eyde, die katalytische Ammoniakverbrennung nach Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch. 1906 gelang es dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes erstmals flüssigen Stickstoff mit -195,80 °C herzustellen.

Vorkommen

In der Erdatmosphäre sind 75,5 Massen-Prozent oder 78,7 Volumen-Prozent Stickstoff enthalten. 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 beispielsweise Eiweiße und Nukleinsäuren. In Form der anorganischen Nitrate und Ammoniumverbindungen erfolgt die Aufnahme bei Pflanzen über die Wurzeln. Umgekehrt werden beim Abbau organischen Materials (beispielsweise durch Verwesung) diese Verbindungen wieder frei gesetzt und stehen dem Stoffkreislauf wieder zur Verfügung (Stickstoffkreislauf).

Gewinnung/Darstellung

Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft gewonnen. Dieser ist aber meistens noch durch Sauerstoff und Edelgase verunreinigt. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs gibt es eine biologische Methode unter Verwendung von Reis-Keimlingen.

Großtechnisch erfolgt die Herstellung von Stickstoff im Rahmen des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniak-Synthese.

Eine andere Möglichkeit ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxids. Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer oder durch eine alkalische Pyrogallol- bzw. Natriumdithionit-Lösung entfernt werden.

Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen auf einer wässrigen Ammoniumnitrit-Lösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit etwa 70 °C dargestellt werden:

$\mathrm {NH_{4}NO_{2}+\Delta } T\mathrm {\rightarrow 2H_{2}O+N_{2}}$

Alternativ ist eine Thermolyse von Natriumazid möglich:

$\mathrm {2NaN_{3}+\Delta } T\mathrm {\rightarrow 2Na+3N_{2}}$

Eigenschaften

Molekularer 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 100 ml Wasser bei 0 °C).

Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Bindungen ein. In der 2s²p³ Elektronenkonfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktettkompletierung. Verbindungen, in denen dieser Bindungstypus vorkommt, sind beispielsweise:

Diesen Verbindungen ist allen eine triagonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nukleophile 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 gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann.

In einer Veröffentlichung im August 2004 gaben Forscher vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz bekannt, dass sie unter Drücken von über 110 G Pa bei einer Temperatur von über 2000 K eine neue kristalline Form, sogenannten polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben [1].

Isotope

Neben den beiden natürlichen Isotopen ¹⁴N und ¹⁵N gibt es künstliche Isotope mit Massenzahlen von 12 bis 19. Die Halbwertszeit beträgt zwischen 9,97 Minuten und 11 Millisekunden.

Verbindungen

Verbindungen, in denen Stickstoff vorkommt:

Verwendung

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

Biologische Bedeutung

Nachweis

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

Literatur

Wiki/Weblinks