Stickstoff      N 

lat. nitrogenium (etwa: "Salpeterbildner")

 Ordnungszahl:

 Aufbau des Atoms:

 Schmelzpunkt:

 Siedepunkt:

 Dichte (in cm³):

 Elektronegativität:

 Atomradius:

 Isotope:

 14,0067 u

 7

 7 Protonen - 7 Elektronen - 7 Neutronen

 -209,86 Grad Celsius

 -195,82 Grad Celsius

 1,2506 g/l

 3,04 (Pauling)

 71 pm

 ¹³N, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁶N

Eigenschaften:

Stickstoff ist ein, bei Raumtemperatur, farb- und geruchloses Gas, dass sich durch besonders große Flüchtigkeit auszeichnet. Stickstoff tritt in der Natur nur im zweiatomigen Molekül (N₂) auf. Dabei existiert eine besonders stabile Dreifachbindung zwischen den Stickstoffatomen. Kühlt man Stickstoff unter -196°C ab, so verflüssigt er sich. Die Löslichkeit in Wasser ist mit 22,3 ml pro Liter im Gegensatz zu 49,1 ml Sauerstoff pro Liter Wasser sehr schlecht. Stickstoff ist völlig ungiftig und sehr reaktionsträge. Aus diesem Grund verwendet man es vielfach als Inertgas. Die einzigen Elemente, die direkt mit Stickstoff reagieren sind Lithium und Magnesium. Bei der Verbrennung in einer Stickstoffatmosphäse bilden sie direkt Lithium- bzw. Magnesiumnitrid.

6 Li + 1/2 N₂ → Li₃N

Bilder: Flüssiger Stickstoff verdampft aus einem offenen Dewargefäß, eine Rose in LIN, ein Vollgummiball in flüssigem Stickstoff

Die Handelsform für Stickstoff ist zum größten Anteil der flüssige Stickstoff. In flüssigem Stickstoff verlieren viele Gegenstände ihre Eigenschaften vollends. So wird z.B. eine Rose spröde wie Glas und zerspringt bereits bei kleinsten Berührungen. Elastische Gegenstände aus Gummi verlieren ihre Elastizität nach einem Bad in flüssigem Stickstoff vollkommen.

Gießt man flüssigen Stickstoff auf Wasser, so entstehen große Mengen an Nebel, die von kondensierter Luftfeuchtigkeit herrühren. Zudem bildet der Stickstoff Blasen, die sich auf der Wasseroberfläche befinden. Der Stickstoff kommt hierbei zu keinem Zeitpunkt direkt in Berührung mit dem Wasser, da der Stickstoff ein Gaspolster zwischen der Flüssiggasphase und dem Wasser bildet. Dieses Phänomen nennt sich "Leidenfrost-Phänomen" und entsteht immer dann, wenn man große Temperaturdifferenzen hat. Das Wasser ist im Vergleich zum Stickstoff extrem heiß. Diesem Phänomen verdanken wir es, dass man selbst, wenn man kurzzeitig flüssigen Stickstoff auf die Hand bekommt, keine Kälteverbrennung erleiden.

Bild: Die Nebelentwicklung beim Leidenfrost-Phänomen

Da flüssiger Stickstoff einen sehr niedrigen Siedepunkt hat, ist er befähigt alle Gase, die unter -196°C sieden zu verflüssigen. So verflüssigt sich der Sauerstoff der Luft mit einem höheren Siedepunkt von -183° C, wenn man den Stickstoff in Behälter aus gut temperaturleitendem Material füllt. Flüssiger Sauerstoff ist sehr brisant, weil er Verbrennungen stark beschleunigt. Bei der Lagerung von flüssigem Stickstoff besteht also über längere Zeit die Gefahr, dass Sauerstoff im Dewargefäß kondensiert.

Die technisch wichtigste Stickstoffverbindung ist das Ammoniak (NH₃). Technisch wird Ammoniak nach dem Haber-Bosch Verfahren im Kontaktofen direkt aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff hergestellt. Die Reaktion der beiden Elemente erfolgt unter hohem Druck von etwa 200 bar und einer Temperatur von 500°C. Diese Temperatur- und Druckwerte stellen das Optimum dar. Würde man mehr Druck nehmen, wäre die Reaktion aufgrund von starker Wasserstoffdiffusion nicht mehr kontrollierbar. Würde man die Temperatur erhöhen, würde das gebildete Ammoniak gleich wieder in die Elemente zerfallen, da es thermisch ab einer gewissen Temperatur nicht mehr beständig ist.

N₂ + 3 H₂  2 NH₃

Die Reaktion wird zudem katalysiert, um die Reaktion bei niedrigeren Drücken und Temperaturen laufen zu lassen. Die prozentuale Ausbeute an Ammoniak beträgt derzeit etwa 17,5 %.

Ammoniak ist in Wasser sehr gut löslich. Bei 0°C lösen sich etwa 1200 l, bei 20°C sind es immerhin noch etwa 720l Ammoniak. Die Lösungen von Ammoniak in Wasser reagieren basisch. Als konzentrierte Ammoniaklösung werden Lösungen von 25-30 Vol. % Ammoniak in Wasser bezeichnet.

Mit Sauerstoff reagiert Stickstoff bei hohen Temperaturen, wie man sie beispielsweise in einem Hochspannungslichtbogen erzeugen kann, zum Stickstoffmonoxid (NO). Jedoch schafft man es nicht, Stickstoffmonoxid bei unkontrollierter Sauerstoffanwesenheit zu synthetisieren, da das Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff sofort weiter zum Stickstoffdioxid (NO₂) reagiert

N₂ + O₂  → 2 NO     -    2 NO + O₂  → 2 NO₂

Tabelle: Die Oxide des Stickstoffs

Wird Stickstoffdioxid in Wasser gelöst, entsteht Salpetersäure. Technisch wird Stickstoffmonoxid nach dem Ostwaldverfahren hergestellt. Dabei wird Ammoniak mit Sauerstoff in Kontakt gebracht und zur Weiteroxidierung zum NO gebracht.

Eine weitere Stickstoffsäure ist die Stickstoffwasserstoffsäure (HN₃). Diese Säure ist hochexplosiv und thermodynamisch äußerst instabil, wie man bereits an der Zusammensetzung erkennen kann. Drei Stickstoffatome mit einem Wasserstoffatom zusammen steht für große Spannungen im Molekül. Die Salze der Stickstoffwasserstoffsäure heißen Azide. Alkali/Erdalkalimetallazide verpuffen beim Erhitzen, Schwermetallazide detonieren sehr heftig und werden heutzutage fast ausschließlich für Initialzünder hergestellt.

Sowohl die Stickstoffwasserstoffsäure, wie auch ihre Salze sind hoch giftig!

Bild: Altes Gebinde mit Natriumazid

Vorkommen:

Stickstoff ist mit 78% Hauptbestandteil der Luft. Das Gesamtvorkommen von Stickstoff in der Luft beträgt 99%, des gesamten Stickstoffvorkommens auf der Erde. Gebunden kommt Stickstoff, in Verbindungen wie Natriumnitrat NaNO₃ (Chilesalpeter) und Kaliumnitrat KNO₃, vor. Bei Gewittern beobachtet man eine deutliche Zunahme an Stickstoffdioxid NO₂ in der Luft. Das Stickstoffdioxid rührt von den hohen Temperaturen eines Blitzes, durch den die Gase Stickstoff und Sauerstoff in unkontrolliertem Verhältnis, sodass immer NO₂ und kein NO entsteht, miteinander. Weitere wichtige Vorkommen von Stickstoff sind Eiweißstoffe in tierischen und pflanzlichen Zellen.

Herstellung:

Im Labor kann Stickstoff durch thermische Zersetzung von Natriumazid oder von Ammoniumnitrit hergestellt werden:

2 NaN₃ → 2 Na + 3 N₂     -    NH₄NO₂ → 2 H₂O + N₂

Großtechnisch wird Stickstoff mit dem Lindeverfahren hergestellt. Das Lindeverfahren wurde von Carl von Linde um 1900 entwickelt.

Es beruht auf dem Joule-Thomson-Effekt. Dieser Effekt besagt, einfach ausgedrückt, dass sich ein ideales Gas bei einem Druckverlust abkühlt. Allgemein sind das ungefähr 0,25 °C bei einem Bar Druckverlust. Komprimiert man nun die Luft auf etwa 200 bar und führt die Wärme mit Wärmeaustauschern ab und expandiert die Luft dann, so hat sich die Luft im Optimalfall dann um 50°C abgekühlt (0,25 * 200). In der Praxis werden jedoch nicht ganz diese Werte erreicht, sodass man diesen Vorgang mehr als 4 Mal wiederholen muss. (bei 4 Expansionen wäre man theoretisch so schon bei 200 °C Gasabkühlung)

Die flüssige Luft wird dann durch fraktionierte Destillation in Sauerstoff und Stickstoff getrennt.

Bild: Schematische Darstellung des Linde-Verfahrens

Weitere Informationen über das Linde-Verfahren und dessen Entwickler, Carl von Linde erhalten Sie bei der Linde Group

Geschichte:

An der Entdeckung des Stickstoffs waren mehrere Chemiker beteiligt. Zum einen die Chemiker Antoine Lavoisier und der schwedische Forscher Carl Wilhelm Scheele, zum anderen der Chemiker Daniel Rutherford.

Lavoisier und Scheele vermuteten in der Luft noch einen weiteren Bestandteil, der die Verbrennung nicht fördert. (Um 1700 ging man noch davon aus, dass Luft ein völlig einheitlich aufgebauter Stoff ist) Henry Cavendish benannte den bis dato weitgehend unbekannten Stoff 1771 als "mephistische Luft".

Erst Daniel Rutherford gelang es durch seine Versuche einen Unterschied zwischen Kohlenstoffdioxid und Stickstoff zu finden. Daher gilt Rutherford als Entdecker des Elements Stickstoff.

Bilder: Henry Cavendish und Daniel Rutherford

Verwendung:

Gasförmiger Stickstoff findet Verwendung bei der Ammoniaksynthese. Außerdem dient er als Füllgas für Flugzeug- und Autoreifen. Stickstoff ist ein gutes Schutzgas und wird beim Schweißen verwendet. Auch spezielle Hochleistungslaser benötigen gasförmigen Stickstoff als Schutzgas. Ferner wird er in Zapfanlagen, die größere Drücke benötigen, verwendet.

Flüssigstickstoff findet große Verwendung in der Kryotechnik. Er wird zum größten Teil als Kältemedium eingesetzt. So z.B. in Hochtemperatursupraleitern oder in normalen Supraleitern zum Kühlen des flüssigen Heliums, da dieses deutlich teurer ist als flüssiger Stickstoff und ohne Stickstoffvorkühlung schnell verdampfen würde.

Flüssiger Stickstoff findet außerdem Verwendung zur Kühlung biologischer Materialien, zur Probenkühlung, zum Schockgefrieren und zum Schrumpfen von Metallbauteilen. Weiterhin verwendet man ihn in der Dermatologie zum Vereisen von Warzen.

Bild: Flüssiger Stickstoff in einem 1000l Stickstofftank

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