Ein Versorgungstank mit Flüssigstickstoff für
Kryokonservierung
| Sicherheitshinweise | |||||||
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Der Name Stickstoff (lat. Nitrogenium) bezeichnet das chemische Element aus dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Atomar kommt Stickstoff in der Natur kaum vor, da es sich sofort durch eine stark exotherme Reaktion zu molekularem Stickstoff N2 verbindet. Elementar tritt Stickstoff nur in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Stickstoff-Atomen, auf (molekularer Stickstoff, auch Distickstoff , Summenformel N2).
Molekularer Stickstoff ist mit 78 % der Hauptbestandteil der Luft. Er ist für die Lebewesen ein essentielles Element, das durch Stickstofffixierung auf natürlichem Wege organisch gebunden wird. Dies geschieht bsp. enzymatisch an einem Eisen-Schwefel-Cluster, welcher ein Kofaktor des Enzyms Nitrogenase ist. In organischer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptelement aller Organismen. Stickstoff ist ein zentrales Element im Stickstoffkreislauf der Ökosysteme und wird von den Lebewesen in einem energieintensiven Prozess organisch gebunden und verfügbar gemacht. Er kommt in Mineralien sehr selten vor. Auf der Erdoberfläche und in der Luft ist er fast ausschließlich abiotisch in der Anfangszeit der Erde entstanden und wurde später von den Lebewesen gebunden.
Das Elementsymbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium (von altgriech. νιτρον "Laugensalz" und altgriech. γενος "Herkunft") ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht ("erstickt") oder dass ein Lebewesen (z.B. ein Mensch) in reinem Stickstoff erstickt.
| Eigenschaften | |
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| Allgemein | |
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Stickstoff, N, 7 |
| Serie | Nichtmetalle |
| Gruppe, Periode, Block | 15, 2, p |
| Aussehen | Farbloses Gas |
| CAS-Nummer | 7727-37-9 |
| ATC-Code | V03AN04 |
| Massenanteil an der Erdhülle | 0,03 % |
| Physikalisch | |
| Aggregatzustand | gasförmig |
| Modifikationen | 1 |
| Kristallstruktur | hexagonal |
| Dichte | 1,250 kg/m bei 273,15 K |
| Magnetismus | diamagnetisch |
| Schmelzpunkt | 63,05 K (-210,1 °C) |
| Siedepunkt | 77,36 K (-195,79 °C) |
| Molares Volumen | 22,41 · 10-3 m3/mol |
| Verdampfungswärme | 2,79 kJ/mol |
| Schmelzwärme | 0,36 kJ/mol |
| Schallgeschwindigkeit | 333,6 m/s bei 298,15 K |
| Spezifische Wärmekapazität | 1040 J/(kg · K) bei 298 K |
| Wärmeleitfähigkeit | 0,02583 W/(m · K) |
| Chemisch | |
| Oxidationszustände | -3, -2, -1, 1, 2, 3, 4, 5 |
| Oxide (Basizität) | N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 (stark sauer) |
| Elektronegativität | 3,04 (Pauling-Skala) |
Verbindungen des Stickstoffs, wie Nitrate und Ammoniumsalze, wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Erstmals im Jahr 1774 wurde Ammoniak von Joseph Priestley dargestellt. Durch die Einführung des Frank-Caro-Verfahrens (Kalkstickstofferzeugung nach Adolph Frank und Nikodem Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure (Birkeland-Eyde-Verfahren, nach Kristian Birkeland und Sam Eyde), die katalytische Ammoniakverbrennung nach Wilhelm Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Fritz Haber und Carl Bosch.
Schon im 19. Jahrhundert erkannte man, dass ein großer Teil der pflanzlichen Materie Stickstoff enthält und ein wichtiges Bauelement aller Lebewesen ist. Er ist das wesentliche Element der Proteine und Proteide (Eiweißstoffe) und der DNA. Stickstoff ist daher auch Baustein aller Enzyme, die den pflanzlichen, tierischen und menschlichen Stoffwechsel steuern. Stickstoff ist für jedes Leben unentbehrlich.
Die Lufthülle der Erde besteht zu 78,09 vol% (75,53 % Gewichtsanteil) aus molekularem Stickstoff. Lediglich eine kleine Anzahl von Mikroorganismen kann ihn nutzen, in ihre Körpersubstanz einbauen oder auch an Pflanzen abgeben. Pflanzen können, soweit bekannt, den gasförmigen Stickstoff der Luft nicht unmittelbar nutzen. Die Überführung in eine Form, die von den Pflanzen verwertbar ist, geschieht durch
In der Ackerkrume (A-Horizont) liegen meist mehr als 95 % des Gesamt-N als organisch gebundener Stickstoff in lebender Wurzelmasse, abgestorbener Pflanzenmasse, Humusstoffen und Bodenlebewesen vor. Der Rest von weniger als 5 % ist anorganischer Stickstoff in Form von Ammonium-N oder Nitrat-N und in sehr geringer Menge in Form von Nitrit-N. Dieser mineralische Stickstoffgehalt wird im Frühjahr vor der Düngung mit der Nmin-Methode bestimmt. Der Gesamtstickstoffgehalt der Böden ist stark abhängig von deren Kohlenstoffgehalt. Er wird durch Klima und Vegetation, Bodenart, Geländegestalt und Maßnahmen des Landwirts, wie Bodenbearbeitung, beeinflusst.
Stickstoff wird in die Photosyntheseprodukte eingebaut, um unter anderem Eiweiße herzustellen, und fördert so das Wachstum. Je nach Art liegt der Anteil der Trockensubstanz bei 2-6 %, oder bei durchschnittlich 1,5 %. Die Aufnahme des Stickstoffs erfolgt meist in Form von Ammonium- oder Nitrat-Salzen.
Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft in Luftzerlegungsanlagen mit einer Reinheit von bis zu 99,99999% gewonnen. Stickstoff mit Verunreinigungen unter 1 ppb erfordert zusätzliche Reinigungsschritte. Oft ist er aber nur mit niedrigerer Reinheit vorhanden und mit Sauerstoff, Edelgasen und Wasser verunreinigt. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs gibt es eine biologische Methode unter Verwendung von Reis-Keimlingen.
Eine andere Möglichkeit ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxids. Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer oder durch eine alkalische Pyrogallol- bzw. Natriumdithionit-Lösung entfernt werden.
Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen einer wässrigen Ammoniumnitrit-Lösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit auf etwa 70 °C dargestellt werden.
Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen (-196 °C) zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (23,2 ml Stickstoff in 1 l Wasser bei 0 °C) und nicht brennbar.
In einer Gasentladungs-Spektralröhre werden bei einem Unterdruck von ca. 5-10 mBar die Molekülorbitale des Stickstoffs beim Betrieb mit 1,8 kV Hochspannung, 18 mA Stromstärke und einer Frequenz von 35 kHz zum Leuchten angeregt. Bei der Rekombination der ionisierten Gasmoleküle wird hierbei das charakteristische Farbspektrum abgestrahlt.
Kritische Daten: Temperatur - 147,1 °C (126,1 K), Druck 33,83 bar, Dichte 0,311 g/cm3. Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Bindungen ein. In der 2s2p3 Elektronenkonfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktett-Komplettierung. Verbindungen, in denen dieser Bindungstypus vorkommt, sind beispielsweise:
Diesen Verbindungen ist allen eine trigonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nukleophile und als Basen agieren.
Der in der Natur vorkommende molekulare Distickstoff N2 ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Deswegen braucht es in der Regel einen hohen Energieaufwand, um diese Verbindung zu trennen und Stickstoff an andere Elemente zu binden. Hoch ist auch die erforderliche Aktivierungsenergie, die gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann.
Stickstoff wird zur Synthese von Ammoniak (Haber-Bosch-Verfahren) und Kalkstickstoff und bei chemischen Reaktionen verwendet. Darüber hinaus finden Stickstoffverbindungen mannigfaltige Anwendungen im Bereich der organischen Chemie und dienen als Düngemittel.
Viele Sprengstoffe sind Stickstoffverbindungen. Es handelt sich meistens um Nitro-Verbindungen. Bei ausreichend Nitro-Gruppen im Molekül können die Sauerstoffatome der Nitro-Verbindung bei ausreichender Anregung mit den Kohlenstoff- oder Wasserstoffatomen im selben Molekül exotherm reagieren und somit wird aus dem Feststoff oder der Flüssigkeit (z.B. Nitroglycerin) plötzlich ein Gas hoher Temperatur, das sich mit großer Gewalt ausdehnt. Sprengstoffe befinden sich also in einem metastabilen Zustand. Bei wenigen Nitro-Gruppen erfolgt lediglich eine schnelle und unvollständige Verbrennung (z.B. Zelluloid (Tischtennisball)).
Stickstoff wird zur Füllung von Flugzeugreifen großer Flugzeuge verwendet. Der reine Stickstoff verhindert, dass Flugzeugreifen durch die große Hitzeentwicklung beim Aufsetzen während der Landung, oder beim Startlauf, von innen in Brand geraten können.
Stickstoff dient auch als Schutzgas, u.a. beim Schweißen und als Lampen-Füllgas. Die inerten Eigenschaften des Stickstoffs sind hier von Bedeutung. Als Treibgas, Packgas, Gas zum Aufschlagen von Sahne u.ä. ist es als Lebensmittelzusatzstoff E 941[1] zugelassen.
Stickstoff findet in Getränkezapfanlagen Verwendung, wenn auf Grund von baulichen Umständen (langer Leitungsweg, großer Höhenunterschied) ein hoher Zapfdruck notwendig wird. Stickstoff wird hier zusammen mit Kohlenstoffdioxid als Mischgas verwendet. Da sich Stickstoff nicht im Getränk löst, kann auch bei höheren Drücken ohne zu viel Schaumbildung bzw. Aufcarbonisierung gezapft werden.
Aufgrund des niedrigen Siedepunkts wird flüssiger Stickstoff (engl. "Liquid Nitrogen", LN) als Kältemedium in der Kryotechnik eingesetzt. Der Stickstoff entzieht dabei dem Kühlgut seine Verdampfungswärme und hält dieses solange kalt, bis er verdampft ist.
Flüssigstickstoff wird industriell in großen Mengen zusammen mit Flüssigsauerstoff durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft hergestellt.
Gegenüber flüssigem Sauerstoff, der bei -183 °C (90 K) siedet, ist der Siedepunkt von LN um weitere 13 K niedriger, er siedet bei -196 °C (77 K) und bringt Luftsauerstoff und andere Gase zur Kondensation, die auf diese Weise getrennt werden können.
Flüssiger Stickstoff (Dichte 807 g/l) wird unter
anderem dazu verwendet, bei Hochtemperatursupraleitern
den supraleitenden Zustand zu erzeugen.
Er wird auch zur Lagerung
biologischer und medizinischer Proben, Eizellen und Sperma, sowie zum Schockfrieren
von biologischem Material verwendet.
Ein Beispiel ist auch die Kühlung von
Infrarot-Fotoempfängern, um
deren thermisches Rauschen zu verringern oder überhaupt erst einen halbleitenden
Zustand in ihnen herbeizuführen.
Flüssigstickstoff kann leicht in den festen Zustand überführt werden, indem es in eine Vakuumkammer mit einer Drehschieberpumpe gegeben wird. Stickstoff gefriert bei einer Temperatur von 63 K (−210 °C). Als Kühlungsmittel ist Stickstoff nur bedingt effizient, da Flüssigstickstoff bei Kontakt mit wärmeren Objekten sofort siedet, wodurch das Objekt durch eine Schicht von gasförmigem Stickstoff gegen den Flüssigstickstoff isoliert wird. Dieser Effekt ist als Leidenfrost-Effekt bekannt und kommt in allen Situationen vor, bei denen eine Flüssigkeit mit einem Gegenstand in Kontakt gebracht wird, der eine wesentlich höhere Temperatur hat als der Siedepunkt dieser Flüssigkeit. Schnellere und bessere Kühlung kann erreicht werden, indem ein Gegenstand in eine Mischung aus festem und flüssigem Stickstoff gegeben wird anstatt in flüssigen Stickstoff allein.
Im Tiefbau dient er der Bodenvereisung.
Im Bereich der Werkstofftechnik benutzt man Flüssigstickstoff um Restaustenit in bestimmten gehärteten Stählen zu beseitigen oder die Werkstoffe durch "Tiefkühlen" künstlich zu altern. LIN wird auch eingesetzt um z.B. Getriebewellen soweit zu schrumpfen, dass aufgesetzte Zahnräder durch Presspassung auf der Welle halten.
Beim Recycling von Kabeln wird der Isolierstoff durch Kühlen mit flüssigem Stickstoff spröde und kann vom Metall (Aluminium bzw. Kupfer) abgeschlagen werden.
Ein weiteres Einsatzgebiet für flüssigen Stickstoff ist die Kryochirurgie, in der z.B. Warzen "vereist" werden. In diesem Fall wird flüssiger Stickstoff direkt auf die zu behandelnde Hautpartie aufgesprüht.
In Deutschland ist die "Stickstoff-Bestattung" (Promession) noch verboten.
Als Alternative zur krematorischen Bestattung (Leichenverbrennung) wird der
Leichnam in einem Bad aus flüssigem Stickstoff bei -196 °C eingefroren. Der
erstarrte Leichnam wird anschließend zu einem Pulver zermahlen. In einer
Vakuumkammer wird dieses getrocknet, und die so aufbereitenten sterblichen
Überreste in einer biologisch abbaubaren Urne beigesetzt. Eine traditionelle
Holzsargbestattung erfolgt in etwa 2 m Tiefe, der Verweseungsprozess dauert
hier - im Gegensatz zur Stickstoff-Bestattung - mehrere Jahre.
An einem
Pilotprojekt bezüglich dieser neuen Bestattungsart arbeitet die schwedische
Biologin Susanne
Wiigh-Mäsak
Stickstoff-Verbraucher bekommen Stickstoff oft statt in Druckgasflaschen als Flüssigstickstoff in Thermosbehältern ähnlich einer Thermosflasche bereitgestellt. Diese Behälter bezeichnet man als Dewargefäß. Der Stickstoff wird dazu flüssig aus ebenfalls doppelwandigen Tankfahrzeugen abgefüllt.
Anmerkungen
Basierend auf einem Artikel in:
Wikipedia
