Stickstoff

Stickstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7.

Das Elementsymbol leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium ab.

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

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. 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.

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/Darstellung

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 dargestelllt werden.

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

• Ammoniak
• Amine
• Hydrazin
• Hydroxylamin

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 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 GPa bei einer Temperatur von über 2000 K eine neue kristalline Form, sogenannten polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben [1].

Verbindungen

Verbindungen, in denen Stickstoff vorkommt:

• Stickstoffmonoxid
• Stickstoffdioxid
• Distickstoffoxid
• Aminosäuren
• Peptide
• Proteine
• Spermin
• Jodstickstoff
• Farbstoffe
• Nitrate, Nitrite, Nitride

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.

Analytik

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