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Stickstoff

Stickstoff ist ein nicht-brennbares chemisches Element. Stickstoff ist wichtig für das Leben auf der Erde, wird als Dünger und Sprengstoff verwendet sowie als Kältemittel. Die Knöllchenbakterien und Dünger können Pflanzen einen für sie aufnehmbaren Stickstoff liefern. Lerne über wichtige Stickstoff-Verbindungen wie Ammoniak, Salpetersäure und organische Verbindungen, sowie die Verwendungen im folgenden Artikel.

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Die Autor*innen
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André Otto
Stickstoff
lernst du in der Sekundarstufe 2. Klasse - 3. Klasse

Stickstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Stickstoff kannst du es wiederholen und üben.
  • Charakterisiere das Element Stickstoff.

    Tipps

    Suche das Element im Periodensystem.

    Betrachte die Außenelektronen des Stickstoffs.

    Lösung

    Bei dem Element Stickstoff handelt es sich um ein molekular vorliegendes, geruchloses Gas $\ce{N2}$. Es verhält sich in Reaktionen inert, das bedeutet es ist reaktionsträge. Man findet das Element in der 2. Periode (waagerecht im PSE) und in der 5. Hauptgruppe (senkrecht im PSE). Bei einer Temperatur unter $\pu{-196 °C}$ ändert sich der Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig und bezeichnet somit den Siedepunkt bzw. den Kondensationspunkt von Stickstoff. Das Elementsymbol $\ce{N}$ leitet sich vom lateinischen Begriff Nitrogenium für das Element ab.

  • Entscheide, in welcher Verwendung Stickstoff elementar auftritt und in welcher als Verbindung.

    Tipps

    Überlege, was für einen Aggregatzustand Stickstoff bei der jeweiligen Verwendung haben muss.

    Lösung

    Als Element wird Stickstoff zur Sicherheit in die Reifen von Flugzeugen gepumpt und beim Schweißen als Schutzgas verwendet. Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes wird flüssiger Stickstoff in der Kältetechnik zum Kühlen verwendet. Verbindungen für Sprengstoffe enthalten sehr oft Stickstoff, wie zum Beispiel das hochexplosive Nitroglycerin. Desweiteren enthalten Verbindungen für LCDs in Bildschirmen Stickstoff als Stickstofftrifluorid. Ein großer Anwendungsbereich ist auch die Landwirtschaft, wo Stickstoff in Form von Nitraten und Ammoniumsalzen als Dünger für die Pflanzen verwendet wird.

  • Beschreibe die Synthesen zu folgenden gewünschten Stickstoffverbindungen.

    Tipps

    Wie lautet die Reaktionsgleichung zur jeweiligen Synthese?

    Achte auf die Benennung der Reaktionsteilnehmer.

    Lösung

    Bei der Ammoniaksynthese lässt man die Elemente, Stickstoff und Wasserstoff bei einem Druck von ca. $250\,\text{bar}$ und erhöhter Temperatur reagieren. Da Stickstoff ein so inertes (unreaktives) Element ist, wird ein Katalysator bei der Reaktion benötigt. Im Labormaßstab werden die Erdalkalimetallnitride mit Wasser versetzt, weshalb die Reaktion als Hydrolyse (Spaltung durch Wasser) bezeichnet wird. Hierbei entstehen schwerlösliche Erdalkalihydroxide, welche somit leicht abtrennbar sind.

    Bei der zweiten Synthese wird die wichtige Salpetersäure über die Verbrennung von Ammoniak hergestellt. Es wird ein großer Überschuss an Sauerstoff für die Reaktion benötigt, um das Zwischenprodukt $\ce{NO2}$ zu erhalten. Anschließend wird dieser Stoff in Wasser gelöst und reagiert mit weiterem Sauerstoff zur gewünschten starken Säure, Salpetersäure.

  • Bestimme die Reaktionsprodukte bei folgenden Reaktionen.

    Tipps

    Schreibe dir mögliche Reaktionen auf ein Blatt.

    Vergleiche die Verbindungen der Edukte mit den Verbindungen der Produkte. Bei einer chemischen Reaktion kommt nichts dazu und verschwindet nichts.

    Lösung
    1. Durch die Reaktion von Schwefelsäure mit Salpetersäure kommt es durch Wasserabspaltung an $\ce{HNO3}$ zur Bildung sogenannter Nitroniumionen $\left( \ce{NO2^{+}} \right)$. Diese hochreaktiven Zwischenprodukte werden bei Nitrierungen eingesetzt.
    2. Ein Beispiel für eine Nitrierung ist die Synthese von Nitroglycerin, ein Sprengstoff aus dem Trialkohol, Glycerin. Hierbei wurden die <nobr>$\ce{OH}$-Gruppen</nobr> verestert, wodurch Nitrogruppen entstehen.
    3. Das dritte Beispiel zeigt die Bildung des blauen Jeansfarbstoffes Indigo aus dem Vorgänger Indoxyl der in Pflanzen gebildet wird.
    4. In der vierten Reaktion reagiert der Aromat Toluol wieder dreifach mit Nitroniumionen und bildet das TNT (Trinitrotoluol), ebenfalls ein potenter Sprengstoff. Umso mehr Nitrogruppen an einer Verbindung addiert wurden, desto schwerer wird es noch mehr zu addieren.
  • Unterscheide zwischen Stickstoffvorkommen in der Natur und im Körper.

    Tipps

    In einem Vorkommen ist $78\,\%$ Stickstoff enthalten.

    Lösung

    Stickstoff kommt zum größten Teil in der Luft vor und zwar mit $78~\text{Vol.\%}$. Außerdem kommt Stickstoff in der Natur noch in der Erdhülle und in Form von Nitraten, wie dem Chilesalpeter $\left( \ce{NaNO3} \right)$ bzw. dem Kalisalpeter $\left( \ce{KNO3} \right)$ vor.

    Im menschlichen Körper ist Stickstoff ein unerlässlicher Baustein in den Proteinen, welche aus den Aminosäuren aufgebaut sind. Sie enthalten sogenannte Aminogruppen $\ce{-NH2}$, welche Stickstoff enthalten. Ebenso unerlässlich ist Stickstoff in den sogenannten Nucleinbasen, welche die Grundbausteine der DNA sind.

  • Ermittle die Oxidationszahlen des Stickstoffs in den dargestellten Verbindungen.

    Tipps

    Was entscheidet, welche Oxidationszahl ein Element in einer Verbindung hat?

    Sieh dir im Periodensystem die Elektronegativitäten der beteiligten Elemente an.

    Lösung

    Möchte man die Oxidationszahlen eines Elements in einer Verbindung bestimmen, ist es hilfreich sich die Strukturformel des Stoffes aufzuschreiben. Als nächstes muss man die Elektronegativität der Elemente bestimmen. Diese lassen sich im Periodensystem ablesen. Das elektronegativere Element bekommt formal die Bindungselektronen zugesprochen. Damit ergibt sich bei dem elektronegativeren Element eine negative Oxidationszahl und bei dem elektropositiveren eine positive Oxidationszahl.

    So erhält man zum Beispiel bei Ammoniak $\left( \ce{NH3} \right)$ für die Wasserstoffatome charakteristisch $\text{+I}$, da sie das Bindungselektron an den elektronegativeren Stickstoff abgegeben. Der Stickstoff erhält die Oxidationszahl $\text{-III}$, da er die Elektronen der Wasserstoffatome zu sich zieht, und somit drei Elektronen zusätzlich besitzt.

    Üblicherweise werden die Oxidationszahlen in römischen Zahlen ($\text{I}$, $\text{II}$, $\text{III}$, $\text{IV}$, $\text{V}$,...) angegeben.