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Chemie · Elemente und deren Verbindungen
Stickstoff als inertes Gas mit Dreifachbindung, Gewinnung und Nutzung, die Verbindungen von −III bis +V, der Stickstoffkreislauf und die Düngemittelsynthese.
N₂ ist durch seine Dreifachbindung fast reaktionslos, darum können Tiere und die meisten Pflanzen den Stickstoff der Luft nicht nutzen. Erst Bakterien, Blitze und die Haber-Bosch-Synthese fixieren ihn zu Ammoniak oder Nitrat.
Stickstoff steht in der 5. Hauptgruppe und hat fünf Valenzelektronen. Im N₂-Molekül teilen sich zwei Atome drei Elektronenpaare (N≡N) und erreichen so das Oktett. Stell dir drei extrem starke Stahlseile vor, die zwei Objekte zusammenhalten: Um sie zu trennen, brauchst du enorm viel Energie.
Darum ist N₂ inert: Bei Raumtemperatur reagiert es kaum. Die 78 % Stickstoff in der Luft verdünnen den reaktiven Sauerstoff, sonst würde alles heftiger brennen. Alle Elektronen im N₂ sind gepaart, es ist diamagnetisch.
N₂ ist farblos und siedet bei −196 °C. Mit 1,25 g/L ist es etwas leichter als O₂, und es löst sich schlechter in Wasser als O₂.
Technisch gewinnt man N₂ aus der Luft:
| Weg | Prinzip | Einsatz |
|---|---|---|
| Linde-Verfahren | Luft verflüssigen, fraktionierend destillieren: N₂ (−196 °C) siedet vor O₂ (−183 °C) | Industrie, sehr rein |
| Druckluft durch Membran: O₂, Wasserdampf und CO₂ diffundieren schneller |
| Industrie, günstiger |
| Zersetzung von Ammoniumnitrit | NH₄NO₂ → N₂ + 2 H₂O bei etwa 70 °C | Labor |
N₂ dient als Schutzgas (Schweißen, Getränkezapfanlagen), flüssiger Stickstoff (−196 °C) lagert Eizellen, Sperma und Gewebe, und Flugzeugreifen werden damit gefüllt (trocken und inert).
Stickstoff reicht von −III bis +V. In NH₃ ist N elektronegativer als H und bekommt −III, in HNO₃ ist es von drei O-Atomen gebunden und hat +V.
| Zahl | Stoff | Formel |
|---|---|---|
| −III | Ammoniak | NH₃ |
| −II | Hydrazin | N₂H₄ |
| 0 | Stickstoff | N₂ |
| +I | Lachgas | N₂O |
| +II | Stickstoffmonoxid | NO |
| +III | Salpetrige Säure | HNO₂ |
| +IV | Stickstoffdioxid | NO₂ |
| +V | Salpetersäure | HNO₃ |
Nitrit (NO₂⁻) und Nitrat (NO₃⁻) sind die Salze von HNO₂ und HNO₃. NO entsteht bei Blitzen und in heißen Motoren aus N₂ + O₂ (endotherm, nur bei hoher Temperatur). An der Luft oxidiert es exotherm zu NO₂, und mit Wasser wird daraus Salpetersäure, die als Nitrat in den Boden gelangt.
In der Biologie ist Stickstoff Baustein der Aminosäuren (Proteine) und der Nukleotide der DNA. Den benötigten Stickstoff nehmen wir über die Nahrung auf; das N₂ der Atemluft atmen wir unverändert wieder aus.
Wir und die meisten Pflanzen nehmen N₂ nicht auf. Er muss fixiert werden, also in Ammoniak oder Nitrat übergehen. Dann läuft er durch Boden, Pflanzen und Tiere zurück in die Luft:
Nitrifikation oxidiert (NH₄⁺ → NO₃⁻, Oxidationszahl −III → +V). Denitrifikation reduziert (NO₃⁻ → N₂, +V → 0). → Ausführlich in: Oxidation Reduktion
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃exotherm, Eisen-Katalysator
Ammoniak ist die Grundlage der Düngemittel: Es wird zu Harnstoff und Ammoniumnitrat weiterverarbeitet. Das Ostwald-Verfahren oxidiert Ammoniak über NO und NO₂ zu Salpetersäure. Warum Druck, Temperatur und Katalysator so gewählt werden → Ausführlich in: Massenwirkungsgesetz
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeFolge den Pfeilen einmal außen herum (N₂ → NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ → N₂) und einmal innen (Nitrat → Pflanze → Tier → Ammonium). Welche Schritte sind Oxidationen, welche Reduktionen? (Tipp: Verfolge die Oxidationszahl des Stickstoffs.)
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
