Stickstoffgruppe - PSE - 5. Hauptgruppe

Eigenschaften:

Zur Stickstoffgruppe gehören die Elemente: Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Bismut (Bi) und das instabile Ununpentium (Uup).

Das Element Stickstoff ist ein Nichtmetall, das Element Bismut hingegen ein typisches Metall. Stickstoff kommt in der Natur nur gasförmig vor, Phosphor tritt in 4 Modifikationen (weiß, rot, violett und schwarz) auf, Arsen besitzt eine instabile nichtmetallische Modifikation (gelb) und eine stabile metallische Modifikation, Antimon und Bismut kommen nur in der metallischen Modifikation vor.

	Stickstoff	Phosphor	Arsen	Antimon	Bismut
Ordnungszahl	7	15	33	51	83
Elektronen-konfiguration	[He] 2 s² 2p³	[Ne] 3s²3p³	[Ar] 3d¹⁰4s²4p³	[Kr] 4d¹⁰5s²5p³	[Xe] 4f¹⁴
Elektronegativität	3.0	2.1	2.2	1.8	1.7
Schmelzpunkt	-209,86 °C	44,2 °C	616 °C (Sublimation)	630,63 °C	271,2 °C
Siedepunkt	-195,79 °C	227 °C	entfällt	1587 °C	1564 °C
1. Ionisierungsenergie	1402 kJ/mol	1011,8 kJ/mol	947,0 kJ/mol	834 kJ/mol	703 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	2856 kJ/mol	1907 kJ/mol	1798 kJ/mol	1594,9 kJ/mol	1610 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	4578 kJ/mol	2914 kJ/mol	2735 kJ/mol	2440 kJ/mol	2466 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	7475 kJ/mol	4963,6 kJ/mol	4837 kJ/mol	4260 kJ/mol	4370 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	9444,9 kJ/mol	6273,9 kJ/mol	6043 kJ/mol	5400 kJ/mol	5400 kJ/mol
Elektronenaffinität [eV]	-0,3	0,6	0,7	0,6	>0,7
Oxidcharakter	sauer	sauer	amphoter	amphoter	basisch
Oxidationszahlen	5, 4, 3, 2, -3	5, 3, -3	5, 3, -3	5, 3, -3	5, 3
Atomradius (pm)	71	93	125	145	155
Ionenradius (pm)	171	44	69	89	96

Genau wie in den anderen Hauptgruppen nimmt auch hier das erste Element: der Stickstoff, eine Sonderrolle ein. Sein Schmelz- und Siedepunkt liegt mit jeweils -210°C und -196°C deutlich unter dem von Phosphor. Das hat damit zutun, dass Stickstoff sehr flüchtig ist und die Bestrebung hat, kovalente Bindungen einzugehen. Die einfachste Elektronenpaarbildung ist hier der molekulare Stickstoff (N₂). Außerdem besitzt Stickstoff einen deutlich größeren Ionenradius als die anderen Elemente der Hauptgruppe.

Bilder: Stickstoff ist ein intertes Gas, wo hingegen Phosphor sehr reaktionsfähig ist

Stickstoff bildet man Halogenen die sog. Stickstoffhalogenide, die hochexplosiv sind. Chlorazid explodiert bereits bei einem Funken, Iodazid explodiert nach geringster Berührung mit z.B. einer Feder.

Die Basizität der Oxide nimmt vom Stickstoff zum Bismut stark zu. Stickstoffoxide reagieren stark sauer, Arsen- und Antimonoxide verhalten sich amphoter, Bismut reagiert basisch. Die wichtigsten Säuren bzw. Basen der Stickstoffgruppe sind: die Salpeter- bzw. die salpetrige Säure, die Phosphorsäure sowie Bismuthydroxid.

Bilder: Hochreines Antimon in einer Ampulle und Bismut

Reaktion der Stickstoffgruppenelemente mit Sauerstoff:

2 X + 2 1/2 O₂ → X₂O₅ _{(X =
hier: Kohlenstoffgruppenelement)}

Element + Sauerstoff → Elementoxid

Reaktion der Stickstoffgruppenelemente mit Wasserstoff:

2 X + 3 H₂ → 2XH₃ _{(X =
hier: Kohlenstoffgruppenelement)}

Element + Wasserstoff → (Mono-)Elementwasserstoff

Mit Wasserstoff reagieren die Stickstoffgruppenelemente unter Bildung von Elementwasserstoffen. Die gebräuchlichen Namen sind: Ammoniak (NH₃), Monophosphan (PH₃), Monoarsan (AsH₃), Stiban (SbH₃) und Bismutan (BiH₃).

Die Säuren, Ampholyte, oder Basen der Stickstoffgruppenelemente entstehen durch Lösen der Oxide in Wasser:

Phosphorsäure entsteht bei der Verbrennung von Phosphor, bzw. beim Lösen des entstehenden Phosphorpentoxid (P₂O₅) in Wasser. Durch Protolyse bildet sich nach mehreren Zwischenreaktionen die ortho-Phosphorsäure (H₃PO₄).

Bild: Phosphorpentoxid reagiert heftig mit Wasser

Vorkommen:

An der Erdkruste ist der Anteil der Stickstoffgruppe, mit weniger als einem Atomprozent, sehr gering. An der Atmosphäre hingegen ist die Stickstoffgruppe mit ungefähr 78% vertreten. Dabei macht das Spitzenelement, der Stickstoff, den dominierenden prozentualen Faktor aus. In biologischen Zellen, sowie im gesamten Ökosystem sind Stickstoff und Phosphor stark vertreten. Gebunden kommt Stickstoff, in Verbindungen wie Natriumnitrat NaNO₃ (Chilesalpeter) und Kaliumnitrat KNO₃, vor.

Bilder: Die Mineralien: Arsenkies, Grauspießglanz und Bismutglanz Bildquellen: wikipedia.com

Phosphor hat seine Vorkommen hauptsächlich in Form von Ionenverbindungen, dabei ist meist anionisch gebunden. Die wichtigsten Vorkommen sind die Phosphate (PO₄) Weißer und roter Phosphor kommen auf Grund ihrer Reaktionsbereitschaft nicht elementar in der Natur vor, wohingegen es schwarzen Phosphor in der Natur auch elementar gibt.

Arsen und Antimon finden sich meist in Kombination mit Schwefel und den Übergangsmetallen. Wichtige Vorkommen für Arsen sind: Arsenkies (FeAsS), Glanzkobalt (CoAsS) und Arsennickelkies (NiAsS). Vorkommen für Antimon sind: Grauspießglanz (Sb₂S₃), Antimonsilberblende (Ag₃SbS₃) und Ullmannit (NiSbS).

Bismut kommt in der Natur auch fast ausschließlich in Form von Ionenverbindungen vor. Bedeutende Vorkommen sind: Bismutglanz (Bi₂S₃), Bismutocker (Bi₂O₃) und Silberbismutglanz (AgBiS₂).

Herstellung:

Stickstoff wird großtechnisch heutzutage ausschließlich durch das Linde-Verfahren hergestellt. Dabei wird Luft verflüssigt und in die Bestandteile (78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und etwa 1 % Edelgase) zerlegt.

Phosphor wird aus phosphathaltigen Mineralien, so z.B. dem Apatit (Ca₅[F(PO₄)₃]) synthetisiert. Das phosphathaltige Mineral wird mit Kohlenstoff und Siliciumdioxid umgesetzt und bei sehr hohen Temperaturen zur Reaktion gebracht:

2 Ca₅[F(PO₄)₃] + 9 SiO₂ + 15 C → 3 P₂ + 9 CaSiO₃ + 15 CO + CaF₂

Bei dieser Reaktion entsteht weißer Phosphor, der zum größten Teil noch in roten Phosphor umgewandelt wird.

Arsen wird industriell durch Erhitzen von Arsenkies im Luftausschluss hergestellt. Dabei entstehen elementares Arsen und Eisensulfid.

FeAsS → FeS + As

Antimon und Bismut werden hauptsächlich durch ein Reduktionsverfahren hergestellt. Dabei dienen bei der Antimonverbindung Eisen, und bei der Bismutverbindung Koks (Kohlenstoff) als Reduktionsmittel.

Sb₂S₃ + 3 Fe → 2 Sb + 3 FeS (Herstellung von elementarem Antimon)

2 Bi₂O₃ + 3 C → 4 Bi + 3 CO₂ (Herstellung von elementarem Bismut)

Verwendung:

Stickstoff findet in der modernen Industrie eine weit gefächerte Anwendung. Flüssig wird Stickstoff hauptsächlich als Kühlmittel für z.B. biologische Proben eingesetzt. Stickstoffverbindungen dienen als Düngemittel (vgl. der Stickstoffkreislauf) und als Bestandteile von Sprengstoffen (hier: Nitrate). Des Weiteren wird reines Stickstoffgas auch als Intergas verwendet. Ein weiteres großes Einsatzgebiet findet gasförmiger Stickstoff bei der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren.

Phosphor dient größtenteils zur Herstellung anderer Phosphorverbindungen sowie zur Synthese von Phosphorsäure. Roter Phosphor wird an Reibflächen für Zündhölzer verwendet. Phosphate dienen als Düngemittel und zum Pflanzenschutz.

Bilder: Flüssiger Stickstoff findet Verwendung als Kühlmittel und roter Phosphor ist Bestandteil der Reibfläche von Zündhölzern

Arsen findet in der Halbleiterindustrie Verwendung. So wird Arsen zur Herstellung von Gallium-Arsenid-Halbleitern verwendet. Außerdem ist Arsen ein gutes Legierungsmaterial und wird beispielsweise Blei in geringen Mengen zugegeben, um es besser gieß bar zu machen.

Antimon dient zur Herstellung von Legierungen, Sprengstoffzündern sowie zur Herstellung anderer Antimonverbindungen. Bismut dient als Legierungsmetall beispielsweise "das Woodsche Metall" und als Katalysator in der chemischen Industrie.