| Stickstoff 7N | ||||||
| engl. Nitrogen, lat. nitrogenium („Salpeterbildner“) | ||||||
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 Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Stickstoff
ist bei Zimmertemperatur ein farb- und geruchloses Gas, das eine geringfügig
kleinere Dichte als Luft besitzt. Stickstoff besteht aus zweiatomigen N2-Molekülen. 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 23,2 ml Stickstoff. Dagegen
werden 49,1 ml Sauerstoff gelöst.
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 Metall-Schale, 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 „Leidenfrost-Phänomen“ bezeichnet.
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.
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 
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 
N2 + 3 H2 ΔHR = +92 kJ/mol N2 + O2
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 |
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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 Ammoniak-Entgiftung nachlassen. Der erhöhte
Ammoniakspiegel im Blut schädigt langfristig das Gehirn. Dabei treten
Symptome wie eine Abnahme der Konzentrationsfähigkeit oder der Feinmotorik auf.
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 |
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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 Nitrit zu den Nitraten, so dass sich der Stickstoffkreislauf wieder schließt. Alle stickstoffhaltigen Salze eignen sich zur Herstellung von Düngemitteln. Mineralische Nitrat-Vorkommen finden sich vor allem im Chilesalpeter, der bei den Mineralogen als Nitronatrit bekannt ist.
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| Geschichte |
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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.
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| Herstellung |
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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.
Während der nachfolgenden
fraktionierten Destillation verdampft der Stickstoff-Anteil der Luft bei
−196 °C, bei −183 °C verdampft der Sauerstoff-Anteil.
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
2 Na + 3 N2 |
| Verwendung |
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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.
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 |
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| Demonstrationen
mit flüssigem Stickstoff Ammoniaksynthese Düngemittel Ostwaldverfahren |
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Ausgewählte Stickstoffverbindungen |
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|
Achtung
