Stickstoff

Was ist Stickstoff?

Der Name Stickstoff (englisch: nitrogen) kommt von dem lateinischen Begriff Nitrogenium, was „Salpeterbildner“ (Salpeter= Salze mit Stickstoff) bedeutet. Die Stickstoff-Formel ist N₂. 

Stickstoff liegt unter Normalbedingungen als farbloses, geruchs- und geschmackloses Gas vor. Eine Besonderheit ist der flüssige Stickstoff, der bei tiefen Temperaturen entsteht.

Das Element hat als Hauptbestandteil unserer Luft für alle Lebewesen eine große biologische Bedeutung.

Stickstoff Steckbrief

Wir haben dir 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

Die Entdeckung des Elements N wird dem Wissenschaftler Daniel Rutherford zugeschrieben. Er war der Erste, der den Unterschied zwischen Kohlenstoffdioxid und Stickstoff erkannte.

Heute ist Stickstoff auch unter dem Namen Nitrogenium bekannt. Das setzt sich aus den griechischen Begriffen nitros = „Salpeter“ und gennáo = „bilden“ zusammen und bedeutet „Salpeterbildner“. Unter Salpeter verstehst du die Salze, die mit Stickstoff gebildet werden. Der deutsche Name Stickstoff kommt daher, da das Gas alleine eine erstickende Wirkung hat. 

Eigenschaften von Stickstoff

Eine besondere Eigenschaft des Elements ist, dass es sich verflüssigen kann. Dafür musst du das Stickstoffgas auf ca. -195°C abkühlen. Dann erhältst du flüssigen Stickstoff. 

Wenn du Gegenstände wie beispielsweise eine Rose in flüssigen Stickstoff hältst, kannst du sie danach zerschlagen. Das liegt daran, dass sie durch die extreme Abkühlung tiefgefroren ist.

Gießt du die Flüssigkeit in eine mit heißem Wasser gefüllte Metallschale, kannst du ein spektakuläres Phänomen beobachten: Der Stickstoff bildet eine Dampfschicht, die sich über eine große Fläche ausbreitet. Das Spektakel ist nach dem Arzt Johann Gottlieb Leidenfrost benannt und heißt dementsprechend Leidenfrost-Phänomen. 

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Eine andere interessante Beobachtung kannst du machen, wenn du einen mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Luft gefüllten Ballon in flüssigen Stickstoff hältst. Der Ballon zieht sich dann nämlich unter Knistern zusammen. Anschließend kannst du ihn wieder erwärmen und er nimmt seine ursprüngliche Form an. 

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Stickstoff Vorkommen

In der Natur kommt das Element nicht als einzelnes Stickstoffatom, sondern als Stickstoffmolekül 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. 

Das Element ist zwar als häufigstes in unserer Atemluft enthalten, aber trotzdem kann Stickstoff 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 die Verbindungen könnten wir nicht überleben.

Die Eiweiße werden von Pflanzen aus Ammoniumsalzen in der Photosynthese hergestellt. Ammoniumsalze wiederum entstehen, wenn beispielsweise tote Tiere verwesen. Du siehst schon, dass das Ganze einen Kreislauf ergibt. Da es um das Element Stickstoff geht, nennst du ihn Stickstoffkreislauf. 

Stickstoff Verwendung

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

• Stickstoffverbindungen: Stickstoff kann als Dünger für den Rasen oder Felder dienen, wenn es mit anderen Elementen verbunden ist. Beispielsweise Kaliumnitrat (KNO₃) eignet sich gut als natürliches Düngemittel. Nitroverbindungen (–NO₂) werden als Sprengstoffe eingesetzt. Das Lachgas (N₂O) kann in der Medizin auch als Narkosemittel verwendet werden.
• 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. 

Stickstoff Herstellung

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 Luft, nämlich Stickstoff und Sauerstoff, können dann in der fraktionierten Destillation voneinander getrennt werden. Und zwar deswegen, weil Sauerstoff bereits bei -183°C verdampft und Stickstoff erst bei -196°C. Die flüssige Luft wird außerdem auch dazu verwendet, flüssigen Stickstoff herzustellen.

Nachweis 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:

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.

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Wichtige Stickstoff Verbindungen

Im Folgenden werfen wir noch einen Blick auf einige wichtige Stickstoff Verbindungen. Wir unterscheiden dafür zwischen anorganischen und organischen Verbindungen.

Anorganische Stickstoff Verbindungen

• Ammoniak: NH₃ ist ein giftiges Gas, das erstickend wirkt. 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 (z.B. Fluor F, Chlor Cl) 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 (z.B. 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.