Kohlenstoff  Phosphor Sauerstoff  
 Stickstoff                                            7N
 engl. nitrogen, lat. nitrogenium ("Salpeterbildner")
 
Zoom!
Bild vergrößern
Relat. Atommasse    
Intervall (Hinweis) 
Ordnungszahl     
Schmelzpunkt     
Siedepunkt     
Oxidationszahlen      
Dichte     
Elektronegativität     
Elektronenkonfig.    
Natürl. Häufigkeit   
   
 
14,007 
[14,00643; 14,00728] 
    
-210,00°C     
-195,798°C     
-3, 5, 4, 3, 2     
1,2506 g/l     
3,04 (Pauling)      
[He]2s²2p³    
N-14: 99,636%   
N-15: 0,364%  
 
 
   
     
 
Film

16 sek
Brennt eine Kerzenflamme in reinem Stickstoff weiter oder geht sie aus?
    
GHS-Piktogramm  
  Achtung
Gefahren (H-Sätze)  
  
H 280 
  
 
CAS-Nummer  
  
7727-37-9  
 
 
 
 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Stickstoff ist bei Zimmertemperatur ein farb- und geruchloses Gas, das eine geringfügig kleinere Dichte als Luft besitzt. Es liegt normalerweise in der Form zweiatomiger Moleküle (N2) vor. Bei Abkühlung auf -195,82°C kondensiert das Gas zu einer farblosen Flüssigkeit. In Wasser ist Stickstoff weniger löslich als Sauerstoff. Ein Liter Wasser löst bei 0°C etwa 23,2ml Stickstoff. Dagegen werden 49,1ml Sauerstoff gelöst.   
 
 
 Flüssiger Stickstoff / Rose in flüssigem Stickstoff
   
   
 Hält man eine Rose in flüssigen Stickstoff, dann kann man sie danach in tausend Stücke zerschlagen...
Film erhältlich auf >DVD  
 

Werden Stoffe oder Gegenstände in flüssigen Stickstoff gehalten, ändern sie durch die Abkühlung ihre Eigenschaften. Eine gefrorene Rose lässt sich zerschlagen, ein Vollgummiball verliert seine Elastizität. Gießt man flüssigen Stickstoff in eine breite, mit heißem Wasser gefüllte Schale (aus Metall), bildet sich eine Dampfschicht, auf der der Stickstoff getragen wird und die sich über den ganzen Tisch ausbreitet. Dieses Phänomen, das man auch beim Gießen von Wasser auf eine heiße Herdplatte beobachten kann, wird nach dem deutschen Arzt Johann Gottlieb Leidenfrost (1715-1794) als "Leidenfrostphänomen" bezeichnet.   
 
 
 Flüssiger Stickstoff auf Wasser / Flüssiger Sauerstoff
   
   
Beim Leidenfrostphänomen bildet sich eine Dampfschicht, auf der der Stickstoff getragen wird (links). Hält man eine Zigarette unterhalb an eine Schüssel aus Edelstahl, die mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, glüht sie hell auf, da dort flüssiger Sauerstoff kondensiert (rechts).
  Filme erhältlich auf >DVD   
  

Gießt man flüssigen Stickstoff in einen metallenen Behälter, kondensiert am unteren Teil des Behälters flüssige Luft, die mit flüssigem Sauerstoff angereichert ist. Hält man eine glimmende Zigarette an einen solchen Tropfen, flammt sie hell auf. Taucht man mit Kohlenstoffdioxid oder mit Luft gefüllte Ballons in flüssigen Stickstoff, ziehen sich die Ballons unter Knistern zusammen. Beim Erwärmen erhalten die Ballons ihre ursprüngliche Form zurück. Bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Füllgas bildet sich im Ballon Trockeneis, das beim Schütteln des aufgehenden Ballons wahrnehmbar ist.  
 
 
 Ballon in flüssigem Stickstoff
         
In flüssigem Stickstoff schrumpft der Ballon unter lautem Knistern. Bei der Erwämung an der Luft erhält er wieder seine ursprüngliche Form.
  Filme erhältlich auf >DVD   
  

Stickstoff unterhält wie Kohlenstoffdioxid die Verbrennung nicht. Aufgrund seiner Reaktionsträgheit bildet er nur mit Mühe chemische Verbindungen. Bei Raumtemperatur reagiert Stickstoff nur mit wenigen Stoffen, beispielsweise reagiert er mit Lithium zu Lithiumnitrid:  
  
6 Li  +  N2 reagiert zu   2 Li3N      ΔHR = -395 kJ/mol    
  
Bei höheren Temperaturen oder unter Druck und besonders in Anwesenheit von Katalysatoren lassen sich zahlreiche Stickstoffverbindungen herstellen. Mit Wasserstoff erhält man beim Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak:  
  
2 NH3 im Gleichgewicht zu   N2  +  3 H2      ΔHR = +92 kJ/mol 
  
Mit Sauerstoff reagiert Stickstoff bei sehr hohen Temperaturen zu Stickstoffmonooxid:  
  
N2  +  O2 reagiert zu   2 NO     ΔHR = -180 kJ/mol 
  
Stickstoffmonooxid wird im Ostwaldverfahren auch aus Ammoniak und Sauerstoff hergestellt und dient dort zur Gewinnung von Salpetersäure. Stickstoff bildet zahlreiche Stickoxide: Distickstoffoxid N2O, Distickstofftrioxid N2O3, Stickstoffdioxid NO2, Distickstofftetroxid N2O4 oder Distickstoffpentoxid N2O5. Weitere bedeutende Stickstoffverbindungen sind die Nitrite und Nitrate, Ammoniumverbindungen wie Ammoniumnitrat, die Cyanide als Salze der Blausäure wie Kaliumcyanid, Aminosäure und Proteine wie Glycin oder die Nitroverbindungen, die in zahlreichen Sprengstoffen vorkommen.
   
Physiologie
Stickstoffatome finden sich im menschlichen Körper in den Aminosäuren und den daraus aufgebauten Peptiden und Proteinen. Aber auch die Moleküle der organischen Basen Thymin, Adenin, Cytosin und Guanin, die die DNS aufbauen, enthalten mehrere Stickstoffatome, genauso wie das Adenosintriphosphat (ATP) oder einige Enzyme. Dieses Nukleotid ist ein bedeutender Energie- und Signalträger im menschlichen Körper. Beim Abbau der Proteine in der Leber entsteht das giftige Gas Ammoniak, das in der Leber wieder abgebaut werden muss. Bei bestimmten Krankheiten der Leber kann die Wirkung dieser Ammoniakentgiftung nachlassen. Der erhöhte Ammoniakspiegel im Blut schädigt langfristig das Gehirn. Dabei treten Symptome wie eine Abnahme der Konzentrationsfähigkeit oder der Feinmotorik auf. 
 
 
Bioelemente im menschlichen Körper
  

Bild vergrößern  
 
 

Auch wenn der elementare Stoff nicht toxisch wirkt, würde das Einatmen von reinem Stickstoff erstickend wirken. Bei der Taucherkrankheit gelangt mehr Stickstoff aufgrund des höheren Druckes in das Blut. Die dabei auftretenden Symptome wie Orientierungslosigkeit und euphorische Zustände können unter Wasser lebensbedrohlich sein. Distickstoffmonooxid (Lachgas) kann beim Einatmen krampfartiges Lachen, Halluzinationen und Rauschzustände ausgelösen. Es wirkt in geringen Konzentrationen narkotisch und ist daher heute eines der am meisten benutzten Gase bei leichteren operativen Eingriffen. Die anderen Oxide des Stickstoffs wirken stark toxisch. Stickstoffmonooxid ist ein Atemgift, das die Atemfunktion im Blut blockiert, als Folge tritt eine Blauverfärbung der Haut auf. Die Blausucht ist ein Kennzeichen dafür, dass ein innerliches Ersticken stattfindet. Stickstoffdioxid reizt die Schleimhäute und löst starken Hustenreiz aus, beim Einatmen besteht Lebensgefahr.
  
Vorkommen 
Häufigkeit   relativ häufig

In der die Erde schützenden Lufthülle sind die Stickstoff-Atome mit etwa 78 Volumenprozent am häufigsten vertreten. In der gesamten Erdhülle machen sie aber nur 0,03 Prozent der Masse aus. Die chemischen Verbindungen des Stickstoffs wie Eiweiße und Nucleinsäuren spielen bei den Lebewesen eine bedeutende Rolle. Pflanzen stellen sie aus Ammonium- oder Nitratsalzen her. Bei der Verwesung von toten Lebewesen werden die organischen Stickstoffverbindungen wieder zu Ammoniak oder zu Ammoniumsalzen umgebaut. In einem weiteren Prozess oxidieren Bodenbakterien diese Salze - über den Zwischenschritt der Nitrite - zu den Nitraten, so dass sich der Stickstoffkreislauf wieder schließt. Alle stickstoffhaltigen Salze eignen sich zur Herstellung von  Düngemitteln. Mineralische Nitratvorkommen finden sich vor allem im Chilesalpeter, der bei den Mineralogen als Nitronatrit bekannt ist.

   
  
 Der Kreislauf des Stickstoffs
  

 

 
 
 
Geschichte 
Noch bis ins 17. Jahrhundert hielt man Luft für einen einheitlichen Stoff. Erst der französische Chemiker Antoine Lavoisier und der Schwede Carl W. Scheele vermuteten in der Luft einen Stoff, der die Verbrennung nicht unterhält. Der Engländer Henry Cavendish (1731-1810) benannte 1771 den Stoff "mephistische Luft". Der Schotte Daniel Rutherford (1749-1819) war der erste, der den Unterschied zwischen dem Kohlenstoffdioxid ("fixe Luft") und dem Stickstoff ("mephistische Luft") erkannte. Ihm wird die Entdeckung des Elements zugeschrieben. Der Name Nitrogenium wurde aus dem griechischen Wort nitros ("Salpeter") und gennáo ("bilden") zusammengesetzt und bedeutet "Salpeterbildner". Der deutsche Name "Stickstoff" bezieht sich auf die erstickende Wirkung des Gases.   
   
  
Henry Cavendish und Daniel Rutherford
   
Cavendish      Rutherford
 
 Beide Chemiker waren an der Entdeckung des Elements beteiligt.
 
  
Herstellung     
In der Industrie erfolgt die Gewinnung von Stickstoff durch Verflüssigung von Luft und einer anschließenden fraktionierten Destillation. Nach dem von Carl von Linde um 1895 erfundenen Verfahren wird Luft mit Hilfe eines Kompressors auf bis zu 200 bar verdichtet. Bei diesem Vorgang steigt die Temperatur um etwa 45°C. Zunächst wird die verdichtete Luft durch eine Kühlung wieder auf die Raumtemperatur abgekühlt. An einem Entspannungsventil wird die Luft entspannt. Hierbei kühlt sie sich bis auf -25°C ab, dabei entweicht Wärme aus dem System. Die abgekühlte Luft wird in den Kompressor zurückgeleitet und gleichzeitig kühlt sie in einem Wärmeübertrager die komprimierte Luft vor ihrer Entspannung. Durch diesen Kreisprozess wird die Luft so tief gekühlt, bis bei 20 bar und einer Temperatur von -190°C eine Verflüssigung eintritt. 
  
  
 Vereinfachtes Prinzip des Lindeverfahrens
Wird die beim Komprimieren freiwerdende Wärme abgeführt und lässt man die Luft sich wieder ausdehnen, wird sie kälter als sie ursprünglich war.

Bild vergrößern

 
 
Während der nachfolgenden fraktionierten Destillation verdampft der Stickstoffanteil der Luft bei -196 °C, bei -183°C verdampft der Sauerstoffanteil. So kann man beide Gase voneinander trennen. Die flüssige Luft wird auch dazu benutzt, flüssigen Stickstoff oder flüssigen Sauerstoff zu gewinnen. Im Labor kann man Stickstoff durch die thermische Zersetzung von Natriumazid herstellen:  
  
2 NaN3 reagiert zu   2 Na  +  3 N2 
  
Verwendung 
Stickstoff ist neben Wasserstoff ein wichtiger Ausgangstoff zur Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren und wird zur Herstellung zahlreicher Stickstoffverbindungen benötigt (Düngemittel oder Salpetersäure, Amine, Nitride). Mit Hilfe der Salpetersäure lassen sich viele Sprengstoffe herstellen (Kaliumnitrat im Schwarzpulver, Hexogen). Das Gas ist im Handel in grünen, grauen oder schwarzen Stahlflaschen mit schwarzer Schulter erhältlich.  
  
 
Embryonen in flüssigem Stickstoff
   

 
 In den Röhrchen befinden sich die Embryonen.
 Film erhältlich auf >DVD  
 
 
Stickstoff wird aufgrund seiner Reaktionsträgheit als Schutzgas beim Schweißen oder für Füllungen in Glühlampen verwendet. Flüssiger Stickstoff dient als Kältemittel für Lebensmittel oder in der Medizin zum Schockgefrieren von Embryonen, Gewebeteilen (bei Operationen), Blut, Antibiotika, Bakterienkulturen oder Impfstoffen.  
 
Experimente - Medien  
Demonstrationen mit flüssigem Stickstoff 
Ammoniaksynthese 
Düngemittel 
Ostwaldverfahren
 
 
  Ausgewählte Stickstoffverbindungen im Steckbrief
 
         
Ammoniumcarbonat

       
Diphenylamin
         
1-Naphthylamin
         
Natriumazid
Silbernitrat  
Lachgas

Ammoniak
 
Stickstoffdioxid
 
 
Copyright: Thomas Seilnacht
www.seilnacht.com