Anorganische Chemie ist eine frei verfügbare Einführung in die anorganische Chemie. Details zum Buch finden Sie im Editorial....


Stickstoff

Autor: H. Lohninger

Ordnungszahl 7
Symbol N
CAS-Nr. 7727-37-9
Atomgewicht (1) 14.00643 ...
14.00728 amu
Elektronenkonfiguration [He] 2s2 2p3
Schmelzpunkt -209.9 °C
Siedepunkt -195.8 °C
Dichte 1.2506 g/cm3
Quellen: Enghag 2004 , Wieser 2011
Geschichte
Die Entdeckung des Stickstoffs lässt sich nicht genau festschreiben, jedoch wird sie im Allgemeinen D. Rutherford (1772) zugeschrieben. Zur selben Zeit machten aber auch andere Forscher (vor allem C.W. Scheele) Experimente mit Luft, die letztendlich zu Stickstoff führten. Man nannte den Stickstoff damals "mephistische Luft". D. Rutherford war der erste, der den Unterschied zwischen "fixer Luft" (Kohlendioxid) und "mephistischer Luft" (Stickstoff) erkannte. Aus diesem Grund schreibt man die Entdeckung des Stickstoff ihm zu.
Eigenschaften
Stickstoff ist ein farb- und geruchloses Gas, das sich in Wasser nur halb so gut löst wie Sauerstoff (deshalb enthält aus Wasser ausgetriebene Luft deutlich mehr Sauerstoff, ca. 33% statt 21%, was für die Atmung der Wasserlebewesen von Bedeutung ist). Flüssiger Stickstoff (Siedepunkt = -195.8°C) sieht aus wie Wasser, ist aber deutlich leichter (Dichte des flüssigen Stickstoffs ca. 0.81 g/cm3).

Beim Umgießen von flüssigem Stickstoff (-198°C) entstehen sofort Nebenschwaden, da die Luftfeuchtigkeit durch die Abkühlung kondensiert. Foto: Wikimedia Commons, user Cory Doctorow

Stickstoff ist ein reaktionsträges (inertes) Gas, das erst bei hohen Temperaturen zu reagieren beginnt. Stickstoff ist auch nicht brennbar, obwohl es etliche stabile Stickoxide gibt. Grund dafür ist die starke Dreifachbindung im N2-Molekül, die erst aufgebrochen werden muss, bevor der Luftstickstoff reagieren kann. Stickstoff bildet bei hohen Temperaturen mit allen chemischen Elementen außer den Edelgasen binäre Verbindungen (Nitride).

Vorkommen und Gewinnung
Stickstoff ist zu 78.1 Vol-% in Luft enthalten, die rund 99% des gesamten auf der Erde vorkommenden Stickstoffs enthält. Stickstoff kommt in gebundener Form hauptsächlich als Chilesalpeter (Natriumnitrat, NaNO3) in Chile und als Salpeter (Kaliumnitrat, KNO3) in Indien vor. Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil der Biosphäre, ohne den kein Leben, wie wir es kennen, möglich wäre.

Zur großtechnischen Darstellung von Stickstoff dient ausschließlich Luft, aus der dieser durch fraktionierte Destillation (Linde-Verfahren) gewonnen wird. Im Labor kann man Stickstoff entweder durch Überleiten von Luft über glühendes Kupfer gewinnen (das Kupfer reagiert mit dem Sauerstoff, der verbleibende Stickstoff enthält jedoch noch Argon und eventuell Reste von Sauerstoff), oder aber durch Erhitzung einer konzentrierten Ammoniumnitritlösung (NH4NO2) auf 70°C. Diese Reaktion ist ein zweistufiger Prozess, bei dem zuerst das Ammoniumnitrit in Ammoniak und Salpetrige Säure disproportioniert, die dann im zweiten Schritt Stickstoff und Wasser ergeben:

NH4NO2 NH3 + HNO2
NH3 + HNO2 N2 + 2 H2O

Verwendung
Stickstoff wird weltweit im Megatonnen-Maßstab verwendet, darunter sein Einsatz als Schutzgas und als Grundstoff für die Produktion stickstoffhältiger Chemikalien. Hierbei dient die Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren als "Eingangstor" in die vielfältige Stickstoffchemie. Flüssiger Stickstoff(2) wird als Kühlmittel eingesetzt (z.B. für Schockfroster oder in Blut- oder Samenbanken).

 



(1) Die Isotopenzusammensetzung von Stickstoff kann örtlich variieren. Die IUPAC gibt deshalb für das Atomgewicht natürlich vorkommenden Stickstoffs ein Intervall an.
(2) Sog. "flüssige Luft" ist im Allgemeinen flüssiger Stickstoff, aus dem der Sauerstoff aus Sicherheitsgründen durch Rektifikation entfernt wurde (in flüssiger Luft reichert sich Sauerstoff an, da Stickstoff einen niedrigeren Siedepunkt hat; der angereicherte Sauerstoff kann bei Kontakt mit organischen Substanzen zu Explosionen führen).



Last Update: 2013-08-08