Stickstoff

Stickstoff

Ob als Dünger oder Sprengstoff: Die Stickstoff-Chemie ist vielfältig! Für das chemische Element Stickstoff steht das Symbol $N$, abgeleitet von dem lateinischen Wort nitrogenium. Stickstoff und seine Verbindungen wirst du in vielen Bereichen antreffen.

Entdeckung und Vorkommen von Stickstoff

Stickstoffverbindungen wie z. B. Salmiak kannte man bereits in der Antike und Salpetersalze nutzten die Chinesen schon im 11. Jahrhundert zur Herstellung von Schwarzpulver. Schließlich entdeckte der deutsch‑schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele 1771 den elementaren Stickstoff als Bestandteil der Luft.

Die Erdatmosphäre besteht mit einem Anteil von 78,1 Volumenprozent hauptsächlich aus Stickstoff. In der Erdkruste kommt Stickstoff in Form von Salzen wie Kaliumnitrat $KNO_3$, auch Kalisalpeter genannt, vor.
In der Biochemie sind alle Proteine und auch die DNA Stickstoffverbindungen. Unser Leben ist also ohne Stickstoff gar nicht möglich!

Die Stellung von Stickstoff im Periodensystem

Stickstoff steht mit der Ordnungszahl 7 im Periodensystem der Elemente in der V. Hauptgruppe und in der 2. Periode. Stickstoff ist ein typischer Vertreter der Nichtmetalle. Von seinen fünf Außenelektronen sind drei ungepaart. Stickstoff kann damit drei kovalente Bindungen eingehen. Die Lewis‑Formel für Stickstoff sieht so aus:
$\cdot$$\underline {\dot {N}}$$\cdot$
In chemischen Reaktionen mit anderen Elementen kann es maximal fünf Elektronen abgeben und drei aufnehmen. Die Oxidationszahl von Stickstoff variiert also von $-III$ bis $+V$.

Eigenschaften – Stickstoff

Stickstoff liegt normalerweise als zweiatomiges Stickstoffmolekül $N_{2}$ mit der Strukturformel |$N \equiv N$| vor. Die notwendige Energie für die Spaltung des Moleküls in zwei einzelne Stickstoffatome beträgt $H = 940~\frac{kJ}{mol}$. Das ist ein relativ hoher Wert und bestätigt wie reaktionsträge Stickstoff ist. Stickstoff ist nicht brennbar.

Flüssiger Stickstoff siedet schon bei $-196 ~^\circ\text{C}$ und dient als Kältemittel. Für den Bedarf im Labor verwahrt man Stickstoff in Dewargefäßen, das sind spezielle Thermoskannen.

Geht von Stickstoff Gefahr aus?
Stickstoff ist nicht gesundheitsschädlich. Bestünde die Atemluft aber nur aus Stickstoff, dann würden wir ersticken, daher auch der Name. Hautkontakt mit flüssigem Stickstoff kann zu schweren Kälteverbrennungen führen.

Reaktionen von Stickstoff

Reaktion mit Sauerstoff
Unter Einwirkungen von Blitzen (z. B. bei einem Gewitter), aber auch bei der Verbrennung in Motoren reagiert Stickstoff mit Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid:

$N_2 + O_2 \longrightarrow 2 NO$

Reaktion mit Wasserstoff
Der sehr wichtige chemische Grundstoff Ammoniak $\text{NH}_3$ wird aus Stickstoff und Wasserstoff nach folgender Reaktionsgleichung gewonnen:

$N_2 + 3 H_2 \rightleftharpoons 2 NH_3$

Bei der industriellen Ammoniaksynthese läuft diese Reaktion mit dem Haber‑Bosch‑Verfahren unter sehr hohen Drücken und unter Einsatz von Katalysatoren ab. Unter diesen Bedingungen wird eine größere Ausbeute an Ammoniak erreicht.

Reaktion mit Metallen
Unter Hitzeeinwirkung reagiert Stickstoff direkt mit Metallen zu Metallnitriden, so entsteht z. B. Magnesiumnitrid nach folgender Reaktionsgleichung:

$N_2 + 3 Mg \longrightarrow Mg_3N_2$

Reaktion mit Carbiden

Zur Herstellung des wichtigen Grundstoffs und Düngemittels Calciumcyanamid $CaCN_2$, besser bekannt als Kalkstickstoff, lässt man Stickstoff mit Calciumcarbid reagieren:

$N_2 + CaC_2 \longrightarrow CaCN_2 + C$

Bedeutung für die Pflanzen

Pflanzen brauchen Stickstoff, aber sie können den elementaren Stickstoff nicht aus der Luft aufnehmen. Sie benötigen Helfer, die den Stickstoff für Pflanzen aufnahmefähig machen:

1. Die Knöllchenbakterien
Die Knöllchenbakterien stellen als Bodenbakterien biologisch verfügbaren Stickstoff in Form von Ammoniak $NH_3$ oder in Ammoniumverbindungen mit dem Ammonium‑Kation $NH_4^+$ zur Verfügung.

2. Acobacter- und Cyanobakterien
Bakterien wie Acobacter- oder Cyanobakterien können Pflanzen den in Proteinen gebundenen Stickstoff liefern.

3. Dünger
Pflanzendünger enthalten oft Nitrate und Ammoniumsalze und liefern den Stickstoff in für Pflanzen gut aufnehmbarer Form.

Stickstoff–Verbindungen

1. Ammoniak $NH_3$
Ammoniak ist als chemischer Grundstoff die bedeutendste Stickstoff‑Verbindung und wird industriell nach dem Haber‑Bosch‑Verfahren gewonnen. Im Labor kann man es aus der Hydrolyse von Metallnitriden gewinnen. Ammoniak ist ein stechend riechendes Gas, das in Wasser basisch reagiert:

$NH_3 + H_2O \longrightarrow NH_4^+ + OH^-$

Mit Salzsäure bzw. Chlorwasserstoff entsteht in einer Neutralisationsreaktion das Salz Ammoniumchlorid:

$NH_3 + HCl \longrightarrow NH_4Cl$

Ammoniumchlorid, auch Salmiak genannt, verleiht den Salmiak‑Pastillen ihren charakteristischen Eigengeschmack. Zudem ist es ein Ausgangsstoff für zahlreiche weitere chemische Produkte.

2. Salpetersäure $HNO_3$
Salpetersäure ist eine starke Säure, die stark oxidierend wirkt und auch Kupfer und Silber auflösen kann. Ihre Salze sind die Nitrate wie z.B. Natriumnitrat $NaNO_3$. Salpetersäure wird als chemischer Grundstoff industriell nach dem Oswald‑Verfahren aus der katalytischen Oxidation von Ammoniak in drei Reaktionsschritten hergestellt:

1. Oxidation des Ammoniaks:
   $4 NH_3 + 5 O_2 \longrightarrow 4NO + 6H_2O$
2. Oxidation des Stickstoffmonoxids zum Stickstoffdioxid:
   $4 NO + 2O_2 \longrightarrow 4NO_2$
3. Reaktion zur Salpetersäure:
   $4 NO_2 + 2H_2O + O_2 \longrightarrow 4 HNO_3$

Im Labor kann man sie aus Natriumnitrat und konzentrierter Schwefelsäure wie folgt herstellen:

$NaNO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow NaHSO_4 + HNO_3$

3. Salpetrige Säure $HNO_2$
Salpetrige Säure ist eine schwache Säure und ihre Salze sind die Nitrite. Sie ist eine unbeständige Verbindung, daher muss man sie vor Nutzung frisch, man nennt das in situ, herstellen. Im Labor geschieht dies aus Natriumnitrit und Salzsäure:

$NaNO_2 + HCl \longrightarrow NaCl + HNO_2$

Die Säure verwendet man bei der Azokupplung zur Herstellung von Azofarbstoffen. Natriumnitrit wird bei Wurstwaren als Pökelsalz zugesetzt.

4. Stickstoffverbindungen in der organischen Synthese
Die organische Synthese ist der größte Bereich der chemischen Industrie. Die dafür wichtigen Stickstoffverbindungen sind in einer Übersicht dargestellt:

Beim Erhitzen organischer Stickstoff‑Verbindungen kann der stechend riechende Ammoniak entweichen. Diese Reaktion kann man auch als Stickstoff‑Nachweis nutzen.

Verwendungen von Stickstoff und seinen Verbindungen:

• Flüssiger Stickstoff ist ein wichtiges Kältemittel.
• Wegen seiner Reaktionsträgheit dient Stickstoff z. B. beim Schweißen als Schutzgas.
• Flugzeugreifen werden aus Sicherheitsgründen mit dem Gas Stickstoff befüllt.
• Ammoniumsalze und Nitrate dienen als wichtige Düngemittel.
• Einige nitrierte organische Verbindungen sind starke Sprengmittel.
• Distickstoffmonoxid $N_2O$, auch Lachgas genannt, ist ein Betäubungsmittel in der Narkose.
• Stickstofftrifluorid $NF_3$ wird u. a. bei der Herstellung von LCD‑Displays benötigt.
• Acetonitril und Nitromethan sind wichtige organische Lösungsmittel.
• Viele Farbstoffe enthalten gebundenen Stickstoff, darunter alle Azofarbstoffe und der blaue Farbstoff Indigo, mit dem auch Jeansstoffe eingefärbt werden.

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Übersicht zu Stickstoff und wichtigen Stickstoff‑Verbindungen. Zum besseren Verständnis solltest du schon über Vorkenntnisse in Chemie verfügen und dich in den Themen Basen, Säuren und Salze sowie bei der Oxidation und Reduktion auskennen.

Übungen und Arbeitsblätter

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Stickstoff aus dem Video zu testen.