Stickstoff

Eigenschaften des Elements

Einordnung in das Periodensystem
der Elemente und Eigenschaften
Atombau
Ordnungszahl: 77 Protonen
7 Elektronen
2. Periode2 besetzte Elektronenschalen
V. Hauptgruppe5 Außenelektronen
Elektronenkonfiguration im GrundzustandHe 2s22p3
Elektronegativität3,0
Ionisierungsenergie in eV14,534
häufigste Oxidationszahlen+5, +3, -3
Atommasse des Elements in u14,007
Atomradius in 10- 1 0m0,70
Ionenradius in 10- 1 0m1,71 (-3)
Aggregatzustand im Normalzustandgasförmig

Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur

Dichte in Bild bei 0 °C1,251
Härte nach Mohs 
Schallgeschwindigkeit in Bild334
Schmelztemperatur in °C-210
spezifische Schmelzwärme in Bild51,48
Siedetemperatur in °C-195,8
spezifische Verdampfungswärme in Bild398,35
Standardentropie S0 in Bild192
Wärmeleitfähigkeit in Bild bei 27 °C0,02598

spezifische Wärmekapazität in Bild

1,0383
Volumenausdehnungskoeffizient in 10- 3 Bild 
spez. elektrischer Widerstand in Bild 
Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre,
Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe)
0,03

Bild
Umfüllen von flüssigem Stickstoff in einen Transportbehälter für die Aufbewahrung organischen Materials

Schalenmodell

Bild
Periode: 2 (L)
Hauptgruppe: V
Außenelektronen: 5

Isotope des Elements 

Ordnungs-
zahl Z
Massen-
zahl A
Atommas-
se in u
Häufigkeit
in %
Art der Strahlung
und Energie in MeV
Halbwerts-
zeit
71313,005 738künstlichβ Bild: 1,210 min.
 1414,003 07499,635%  
 1515,0001080,365%  

Energieniveauschema

Bild

Weitere Eigenschaften

Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Seine Siedetemperatur liegt bei -196 °C, seine Schmelztemperatur bei -210 °C. Stickstoff löst sich nur halb so gut in Wasser wie Sauerstoff (bei 20 °C 0,016 Liter Stickstoffgas in 1 Liter Wasser). Unter Normalbedingungen ist Stickstoff aufgrund seines Molekülbaus ein reaktionsträges Gas, das kaum mit anderen Stoffe reagiert. Deshalb ist es auch nicht brennbar. Bei Einfluss von Strom (elektrische Entladungen, z. B. Blitze) können die Moleküle jedoch in zwei sehr reaktionsfreudige Stickstoffradikale gespalten werden. Dann bilden sich mit dem Luftsauerstoff Oxide. Ansonsten erfolgt die Reaktion mit Sauerstoff erst bei ca. 3 000 °C. Stickstoff kann mit aggressiven (sehr unedlen) Metallen zu Nitriden reagieren.

Entdeckung

Der Chemiker DANIEL RUTHERFORD aus Schottland stieß 1772 auf das Element Stickstoff. Er erkannte, dass die «mephistische Luft» von CAVENDISH und die «verdorbene Luft» von SCHEELE nicht das Gleiche sind. Der Hauptbestandteil der «verdorbenen Luft» ist das von allen Lebewesen produzierte Kohlenstoffdioxid. «Mephistische Luft» enthält dagegen hauptsächlich Stickstoff. Später war es LAVOISIER, der den Elementcharakter von Stickstoff erkannte. Er bezeichnete es unter anderem als «Azote», abgeleitet vom griechischen «asotikos» für leblos. Der Name setzte sich allerdings nicht durch. 1814 bekam das Element von BERZELIUS die Bezeichnung «Nitrogenium» und das Elementsymbol «N», abgeleitet vom griechischen «nitros» für Salpeter und «gennao»- ich bilde. Der deutsche Name Stickstoff leitet sich von einer wesentlichen Eigenschaft des Stoffs her: er wirkt erstickend.

Vorkommen/Herstellung

In der Elementhäufigkeit folgt Stickstoff auf das Element Schwefel und steht damit an 16. Stelle. In der Erdatmosphäre ist der Stickstoff in freiem Zustand, also ungebunden, das häufigste Element. In Form von Nitraten kann man Stickstoff in der Erdkruste bis in eine Tiefe von 16 Kilometer finden. Unter den Mineralien sind die stickstoffhaltigen eher selten. In Nordchile wurden schon im 16. Jahrhundert die einzigen Fundstätten größeren Ausmaßes entdeckt. Diese Salzvorkommen, als «Caliche» bezeichnet, bestehen hauptsächlich aus Natronsalpeter, auch Chilesalpeter genannt (Natriumnitrat - NaNO3). In der Natur, genauer gesagt in der lebenden Natur, findet man Stickstoff als Bestandteil verschiedener biochemischer Substanzen, die von großer Wichtigkeit sind. Stickstoff ist hier chemisch gebunden. Zu diesen Substanzen, die in allen Organismen vorhanden sind, gehören alle Eiweiße (Aminosäuren enthalten die Aminogruppe), Nucleinsäuren und andere. Daher gehört der Stickstoffkreislauf zu den grundlegenden Stoffkreisläufen. Aufgrund des hohen Anteils von Stickstoff in der Luft wird dieses Gas durch Luftverflüssigung und anschließende fraktionierte Destillation gewonnen. Möglich ist auch die Gewinnung durch Verbrennung von Luft mit Kohlenstoff (Kohle) und die Entfernung von Kohlenstoffdioxid nach der Reaktion. Im Labor erhitzt man konzentrierte Ammoniumnitritlösung auf 70 °C und zersetzt sie thermisch.

Verwendung

Großtechnisch wird Stickstoff als Ausgangsstoff zur Synthese verschiedenster Stickstoffverbindungen (Nitrite, Ammoniak, Salpetersäure) verwendet. Zur Herstellung verschiedener Düngemittel werden etwa 85 % der gesamten Stickstoffproduktion verbraucht. Stickstoff ist ein sehr reaktionsträges (inertes) Element und eignet sich deshalb gut als Schutzgas. Einsatzgebiete sind hier die Elektro- und Metallindustrie. Des Weiteren ist es Füllgas in Glühlampen, Treibmittel in Sprays, findet Einsatz bei der Aufbewahrung leicht entzündlicher Flüssigkeiten oder zum Verdünnen leicht brennbarer Gase. In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie in der Medizin verwendet man flüssigen Stickstoff, weil sich dieser zum Schockgefrieren bzw. zur Gefriertrocknung eignet. Das spielt z. B. eine Rolle für die Konservierung von Geweben, Seren, Blut, Impfstoffen, Gewebekulturen oder Medikamenten. Auch können mit ihm Gewebeteile, die für Operationen benötigt werden, für einen begrenzten Zeitraum schnell eingefroren werden. Auch Spermien in sogenannten Samenbanken, die dann je nach Bedarf aufgetaut und zur künstlichen Befruchtung herangezogen werden, werden durch Einfrieren konserviert, ebenfalls befruchtete Eizellen.

Wichtige Verbindungen

- Nitrate und Ammoniumsalze (Düngemittel - werden von fast allen Pflanzen zum Aufbau von Eiweißen benötigt).
- Salpetersäure (HNO3 - wichtige technische Säure)
- Cyanverbindungen (Blausäure und deren Salze wie Cyankali KCN - bekanntes Gift)
- Stickstoffoxide (Luftschadstoffe)

Organische Verbindungen

- Harnstoff (bei vielen Tieren Abbauprodukt von Eiweißen)
- Aminosäuren (Bausteine der Eiweiße - aus diesen bestehen alle Zellen, egal ob von Tieren, Pflanzen, Pilzen oder Einzellern)
- organische Basen, die am Aufbau der Erbsubstanz beteiligt sind

Bau

Stickstoff besteht aus zweiatomigen Molekülen.

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