Stickstoff

Was ist Stickstoff?

Stickstoff ist ein chemisches Element, das in der Natur in Form eines farblosen und geruchlosen Gases vorkommt. Es hat die chemische Formel N₂ und ist eines der wichtigsten Elemente in unserer Atmosphäre.  Der Grund dafür ist, dass es 78 Prozent der Luft ausmacht, die wir einatmen.

Dabei ist es ein sehr stabiles Element und reagiert normalerweise ungerne mit anderen Substanzen. Stickstoff bildet jedoch Verbindungen mit anderen Elementen, wie zum Beispiel mit Sauerstoff, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Diese Verbindungen sind für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung.

Wo befindet sich Stickstoff im PSE? Stickstoff befindet sich im Periodensystem der Elemente in der 2. Periode und der 5. Hauptgruppe, die auch als Stickstoffgruppe bezeichnet wird. Das Element hat die Ordnungszahl 7 und zählt zu den Nichtmetallen.

Stickstoff Steckbrief 

Hier findest du einige physikalische und chemische Eigenschaften von Stickstoff in einem Steckbrief zusammengefasst:

Stickstoff Steckbrief
Zeichen / Symbol im Periodensystem	N
Summenformel
Hauptgruppe	5
Periode	2
Ordnungszahl	7
Elementkategorie	Nichtmetall
Molare Masse	14,0067 u
Vorkommen in der Natur	als N2-Molekül, als Stickstoffatom N in Lebewesen, Salzen
Besonderheiten	flüssiger Stickstoff
Aussehen	farbloses Gas
Schmelzpunkt	-210,00 °C
Siedepunkt	-195,795 °C
Dichte	1,2506 g/l
Löslichkeit	in Wasser eher schlecht löslich
Brennbar	Nein
Elektronegativität	3,04 (Pauling-Skala)
Elektronenkonfiguration	[He] 2s2 2p3
Oxidationszahlen	-3, 5, 4, 3, 2

Geschichtliches 

Stickstoffverbindungen wie Nitrate und Ammoniumsalze wurden schon in der Antike unwissentlich von Alchimisten genutzt. Die Entdeckung des Elements wird dem Wissenschaftler Daniel Rutherford zugeschrieben. Er war der Erste, der den Unterschied zwischen Kohlenstoffdioxid und Stickstoff erkannte. 

Jean-Antoine Chaptal führte etwas später den Namen nitrogène ein. Anschließend wurde viel mit Stickstoff experimentiert. So wurde reiner Ammoniak (NH₃) schon 1774 von Joseph Priestley hergestellt.

Im 20. Jahrhundert wurde Stickstoff letztendlich auch in der Industrie eingesetzt. Durch Wissenschaftler wie Justus Liebig entstand so zum Beispiel der heute weit verbreitete Stickstoffdünger.

Besondere Eigenschaften von Stickstoff

Stickstoff hat einige ganz spezielle Eigenschaften. Einige davon findest du hier aufgelistet:

• Aggregatzustand: Stickstoff ist bei Raumtemperatur ein Gas und geht erst bei extrem niedrigen Temperaturen von -195,79 °C in den flüssigen Zustand über. Erst ab -209,86 °C wird Flüssigstickstoff zu einem festen, kristallinen Material.

• Chemische Reaktivität: N₂ ist ein reaktionsträges und stabiles Element und bildet daher unter normalen Bedingungen keine Verbindungen mit anderen Elementen. Dies ist auf die starke Bindung zwischen den beiden Stickstoffatomen in der Stickstoffmolekülverbindung (N₂) zurückzuführen.

• Lösligkeit in Wasser Stickstoff ist relativ schlecht in Wasser löslich. Bei normalen Bedingungen kann nur eine begrenzte Menge Stickstoffgas in Wasser gelöst werden. 

• Verbindungen: Obwohl es ein reaktionsträges Element ist, bildet es dennoch eine Vielzahl von Verbindungen Dies liegt an der Tendenz von Atomen, stabile Edelgaskonfigurationen zu erreichen. Zu den wichtigsten Stickstoffverbindungen gehören Ammoniak (NH₃), Nitrate (NO₃^–) und Stickoxide.

Diese Eigenschaften sind der Grund dafür, warum Stickstoff eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen, der Industrie und Umweltchemie spielt.

Stickstoff Verwendung

Je nachdem, in welcher Form Stickstoff vorliegt, kannst du ihn für unterschiedliche Dinge verwenden. Schauen wir uns ein paar Beispiele an:

• Stickstoffverbindungen: Solche Verbindungen können als Dünger für den Rasen oder Felder dienen, wenn es mit anderen Elementen verbunden ist. Zudem wird Stickstoff in Sprengstoffen eingesetzt und kommt auch in Narkosemitteln vor.
  
  
• Stickstoffgas: Das N₂-Molekül ist neben Wasserstoff ein wichtiger Ausgangsstoff zur Synthese von Ammoniak (NH₃) im Haber-Bosch-Verfahren . Da Stickstoff eher reaktionsträge ist, kann er auch gut als Schutzgas beim Schweißen oder für Glühlampen-Füllungen verwendet werden.
  
  
• Flüssiger Stickstoff: Er wird in der Medizin zum Schockgefrieren von z.B. Embryonen, Gewebeteilen oder Blut eingesetzt. Aber auch für Lebensmittel kann flüssiger Stickstoff als Kältemittel dienen. 

Vorkommen von Stickstoff

In der Natur kommt das Element nicht als einzelnes Stickstoffatom, sondern als Molekül N₂ vor. Es ist mit 78 Vol.% der Hauptbestandteil der Luft. Damit ist es in der Lufthülle das am häufigsten vertretene chemische Element . In der gesamten Erdhülle hingegen macht Stickstoff nur 0,03 % der Gesamtmasse aus.

Übrigens: Das Element ist zwar als häufigstes in unserer Atemluft enthalten, aber trotzdem kann es eine Gefahr für uns darstellen. Wie der Name schon verrät, kannst du an reinem Stickstoff auch ersticken.

In der richtigen Menge ist das Element dennoch für alle Lebewesen von großer Bedeutung. Denn neben unserer Atemluft ist Stickstoff z.B. auch in Eiweißen, Enzymen und in Nukleinsäuren wie der DNA enthalten. Ohne diese Verbindungen könnten wir nicht überleben.

Die Eiweiße werden von Pflanzen aus Ammoniumsalzen in der Photosynthese hergestellt. Ammoniumsalze wiederum entstehen, wenn beispielsweise tote Tiere verwesen. Dadurch entsteht der sogenannte Stickstoffkreislauf . Das ist der Prozess, bei dem Stickstoff zwischen der Atmosphäre, lebenden Organismen, Boden und Wasser hin- und hertransportiert wird.

Herstellung von Stickstoff

Im Labor kannst du Stickstoff prinzipiell auf zwei Arten herstellen. Die erste Möglichkeit ist, dass du eine wässrige Ammoniumnitritlösung (NH₄NO₂) auf ungefähr 70°C erhitzt:

Reinen Stickstoff erhältst du auch, wenn du Natriumazid (NaN₃) erhitzt. Dadurch trennst du den Stoff in Stickstoff und Natrium:

In der Industrie erfolgt die Gewinnung von Stickstoff durch das Linde-Verfahren und mit anschließender fraktionierter Destillation . Im Linde-Verfahren wird Luft verflüssigt. Das passiert, indem die Luft zuerst erwärmt und dann in mehreren Schritten abgekühlt wird. Damit sie sich verflüssigen kann, muss die Luft auch komprimiert (zusammengedrückt) werden.

Die beiden Hauptbestandteile der flüssigen Luft, Stickstoff und Sauerstoff, können dann in der fraktionierten Destillation voneinander getrennt werden. Das ist möglich, weil Sauerstoff bereits bei -183°C und Stickstoff erst bei -196°C verdampft .

Nachweis von Stickstoff

Du kannst das Element durch eine sogenannte Ringprobe nachweisen. Genauer gesagt weist du damit stickstoffhaltige Nitrat-Ionen (NO₃^–) nach.

Dafür benötigst du deine zu untersuchende Lösung, die du mit einer Eisen(II)-Sulfat-Lösung (FeSO₄) mischst. Dazu kommt noch konzentrierte Schwefelsäure (H₂SO₄).

Anschließend kannst du in deinem Reagenzglas dann zwei Schichten erkennen: die Probelösung und die Schwefelsäure. An der Grenze zwischen den beiden Schichten findet eine Redoxreaktion statt. Die Nitrat-Ionen werden zu Stickstoffmonoxid (NO) reduziert und die Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺) zu Eisen(III)-Ionen (Fe³⁺) oxidiert:

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Gut zu wissen: Der Nachweis heißt Ringprobe, weil sich nach der Redoxreaktion ein Komplex aus Eisen, Wasser und Stickstoffmonoxid bildet, der einen braunen Ring an der Grenzschicht der Flüssigkeiten hinterlässt. 

Wichtige Stickstoffverbindungen

Stickstoff ist nicht nur in der Luft enthalten. Hier findest du eine Liste von anorganischen und organischen Stickstoffverbindungen:

Anorganische Stickstoff Verbindungen

• Ammoniak: Es hat die Summenformel NH₃ und ist ein giftiges Gas. Dennoch ist es ein wichtiger Ausgangsstoff für andere Stickstoffverbindungen wie beispielsweise Harnstoff (CH₄N₂O) oder Ammoniumnitrat (NH₄NO₃).
• Stickoxide: Dazu gehören Verbindungen wie Lachgas (N₂O) oder Stickstoffdioxid (NO₂). Sie entstehen unter anderem bei Oxidationen wie der Verbrennung von Benzin. 
• Halogenide: Darunter verstehst du eine Verbindung der Halogene  mit einem anderen Element. Stickstofftrifluorid (NF3) ist ein Beispiel dafür.

Organische Stickstoff Verbindungen

• Amine : Haben eine ähnliche Struktur wie Ammoniak. Bei ihnen ist allerdings mindestens ein Wasserstoffatom (H) durch einen organischen Rest (R) ausgetauscht (R-NH₂).
• Azoverbindungen: Dazu zählen unter anderem Azofarbstoffe, also synthetische Farbstoffe. Ein Beispiel dafür ist Anilingelb (C₁₂H₁₁N₃).
• Nitroverbindungen: Beinhalten die Gruppe NO₂. Beispiele dafür sind Sprengstoffe wie Nitroglycerin (C₃H₅N₃O₉) oder Trinitrotoluol (C₇H₅N₃O₆). In Sprengstoffen ist also auch das Element Sauerstoff enthalten.

Stickstoff — häufigste Fragen

• Was ist Stickstoff?
  Stickstoff, lateinisch Nitrogenium genannt, ist ein chemisches Element mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7 im Periodensystem. Es kommt selten in atomarer Form in der Natur vor, da es sich aufgrund einer exothermen Reaktion sofort zu molekularem Stickstoff (N₂) verbindet. Stickstoff macht 78% der Luft aus.
  
  
• Was ist die Stickstoff Formel?
  Die Stickstoff Formel ist N₂. Stickstoff liegt unter Normalbedingungen als farbloses, geruchs- und geschmackloses Gas vor.
  
  
• Was ist die Stickstoff Verwendung? 
  Stickstoff ist normalerweise als Flüssigkeit oder Gas verfügbar und kann auch als Feststoff erzeugt werden. Flüssigstickstoff hat eine Temperatur von -197°C. Deshalb wird er in der Medizin, Lebensmittelindustrie und Fortpflanzungstechnologie eingesetzt, um Objekte schnell einzufrieren.
  
  
• Ist Stickstoff brennbar?
  Stickstoff löst sich nur wenig in Wasser (bei 0 °C beträgt die Löslichkeit etwa 23,2 ml Stickstoff in 1 l Wasser) und ist nicht brennbar. Dafür wird es bei  -197°C flüssig und wird deshalb gerne in der Medizin verwendet.

Sauerstoff

Jetzt kennst du alles über das Element Stickstoff! In der Luft befindet sich aber noch ein weiteres Element: der Sauerstoff. Schau dir jetzt unser Video zu dem Thema an an und erfahre, wo du ihn noch überall finden kannst!