Stickstoff

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

keine Gefahrensymbole

R- und S-Sätze

R: keine R-Sätze

S: keine S-Sätze

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
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)

Geschichte

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.

Natürliches Vorkommen und Kreislauf des Stickstoffs

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.

Stickstoff in der Luft

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

Knöllchenbakterien: Diese sehr kleinen Lebewesen dringen in die Wurzeln der sogenannten Leguminosen ein. Sie ernähren sich von den Assimilaten der Pflanze. Im Tausch dafür liefern sie der Wirtspflanze Stickstoff, den sie selbst direkt aus der Luft aufnehmen. Diese Lebensgemeinschaft ist eine Symbiose. Sie ermöglicht den Leguminosen die Besiedelung auch schlechter Standorte, weshalb der Mensch diese Pflanzen insbesondere im ökologischen Landbau zur Anreicherung des Bodens mit Stickstoff nutzt. Hier stellen Leguminosen die Hauptstickstoffquelle dar.
Freilebende Mikroorganismen: Die nichtsymbiotische Stickstoffbindung beruht auf der Fähigkeit einiger freilebender Mikroorganismen (zum Beispiel Azotobacter und Cyanobakterien), Luftstickstoff zum Aufbau von körpereigenem Eiweiß zu verwenden. Bei ackerbaulicher Nutzung wird die Größenordnung der Bindung von atmosphärischem Stickstoff durch freilebende Mikroorganismen mit 5-15 kg/ha und Jahr angenommen.

Elektrische Entladung bei Gewittern: In niederschlagsreichen Gebieten können jährlich 20-25 kg N/ha und Jahr durch Regenfälle dem Boden zugeführt werden. Das geschieht dadurch, dass die Kraft der elektrischen Entladung Sauerstoff und Stickstoff in der Luft zu Stickstoffoxiden verbindet, die mit dem Regenwasser letztendlich zu Salpetersäure reagieren und diese Salpetersäure im Boden zu Nitraten wird.

Ammoniak-Synthese: Die Chemiker Haber und Bosch haben zu Anfang des 20. Jahrhunderts ein Verfahren entwickelt, mit dem aus Luftstickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt werden kann. Die durch das Haber-Bosch-Verfahren möglich gewordene Nutzung des unerschöpflichen N-Vorrates der Atmosphäre hat in den zurückliegenden Jahrzehnten wesentlich zur Leistungssteigerung der landwirtschaftlichen Produktion beigetragen. Die Ernährungssicherung der Weltbevölkerung konnte damit wesentlich verbessert werden. Die Pflanze baut aus dem aufgenommenem Stickstoff pflanzliches Eiweiß auf, das Mensch und Tier als Nahrung und zum Aufbau des eigenen Körpereiweißes dient. Im menschlichen und tierischen Organismus wird das Eiweiß zum großen Teil wieder abgebaut und mit dem Kot und Harn ausgeschieden.

Autoabgase: Durch die Verbrennung fossiler Energieträger (Benzin, Diesel) werden durch den Autoverkehr Stickstoffverbindungen freigesetzt. Bei dem Verbrennungsvorgang entstehen Stickoxide (NO_x, vor allem Stickstoffdioxid NO₂, aber auch Stickstoffmonoxid NO und andere NO_x-Verbindungen). In der Vergangenheit wurden diese direkt in die Umgebung entlassen; heutzutage besitzen die meisten Autos Katalysatoren, welche diese Verbindungen reduzieren: NO_x wird im Katalysator zu Ammoniak reduziert, dieses wird im Beisein von Wasser in Ammonium umgewandelt (Ammoniak/Ammonium-Gleichgewicht in angesäuerter Lösung: NH₃ + H₃O⁺ ⇔ NH₄⁺ + H₂O). Sowohl die oxidierten, als auch die reduzierten Stickstoffverbindungen werden über die Luft verfrachtet und tragen zu einem beträchtlichen Teil zur Eutrophierung benachbarter Ökosysteme bei.

Stickstoff im Boden

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 in Pflanzen

Aufgaben in der Pflanze

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.

Mangelsymptome

kümmerlicher Wuchs
blassgrüne Farbe der Blätter. Ältere werden chlorotisch und fallen vorzeitig ab.
zu frühes Blühen (Notblüte)
Vergilbungen

Überschusssymptome

Mastiger Wuchs
Blätter dunkelgrün
Blüte verzögert
Pflanze frost- und krankheitsanfällig
Blattgewebe wirkt schwammig und weich

Gewinnung und Darstellung

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.

Eigenschaften

Molekularer Stickstoff

Ein Versorgungstank mit Flüssigstickstoff für Kryokonservierung

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:

Ammoniak
Amine
Hydrazin
Hydroxylamin

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.

Verwendung

Stickstoffverbindungen

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)).

Stickstoffgas

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.

Flüssigstickstoff

Siedender Stickstoff in einem Metallbecher (-196 °C)

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

ZZulV: Verordnung über die Zulassung von Zusatzstoffen zu Lebensmitteln zu technologischen Zwecken

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 15.04. 2022