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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Stickstoff
ist bei Zimmertemperatur ein farb- und geruchloses Gas, das eine geringfügig
kleinere Dichte als Luft besitzt. Es liegt normalerweise
in der Form zweiatomiger Moleküle (N2) vor. Bei Abkühlung
auf -195,82°C kondensiert das Gas zu einer farblosen Flüssigkeit.
In Wasser ist Stickstoff weniger löslich als Sauerstoff.
Ein Liter Wasser löst bei 0°C etwa 23,2ml Stickstoff. Dagegen
werden 49,1ml Sauerstoff gelöst.
Werden Stoffe oder Gegenstände in flüssigen Stickstoff gehalten, ändern sie durch die Abkühlung ihre Eigenschaften. Eine gefrorene Rose lässt sich zerschlagen, ein Vollgummiball verliert seine Elastizität. Gießt man flüssigen Stickstoff in eine breite, mit heißem Wasser gefüllte Schale (aus Metall), bildet sich eine Dampfschicht, auf der der Stickstoff getragen wird und die sich über den ganzen Tisch ausbreitet. Dieses Phänomen, das man auch beim Gießen von Wasser auf eine heiße Herdplatte beobachten kann, wird nach dem deutschen Arzt Johann Gottlieb Leidenfrost (1715-1794) als "Leidenfrostphänomen" bezeichnet.
Gießt man flüssigen Stickstoff in einen metallenen Behälter, kondensiert am unteren Teil des Behälters flüssige Luft, die mit flüssigem Sauerstoff angereichert ist. Hält man eine glimmende Zigarette an einen solchen Tropfen, flammt sie hell auf. Taucht man mit Kohlenstoffdioxid oder mit Luft gefüllte Ballons in flüssigen Stickstoff, ziehen sich die Ballons unter Knistern zusammen. Beim Erwärmen erhalten die Ballons ihre ursprüngliche Form zurück. Bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Füllgas bildet sich im Ballon Trockeneis, das beim Schütteln des aufgehenden Ballons wahrnehmbar ist.
Stickstoff unterhält wie Kohlenstoffdioxid die Verbrennung nicht. Aufgrund seiner Reaktionsträgheit bildet er nur mit Mühe chemische Verbindungen. Bei Raumtemperatur reagiert Stickstoff nur mit wenigen Stoffen, beispielsweise reagiert er mit Lithium zu Lithiumnitrid: 6 Li + N2 
2 Li3N ΔHR
= -395 kJ/mol
Bei höheren Temperaturen oder unter Druck und besonders in Anwesenheit von Katalysatoren lassen sich zahlreiche Stickstoffverbindungen herstellen. Mit Wasserstoff erhält man beim Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak: 2 NH3 
N2 + 3 H2 ΔHR
= +92 kJ/mol
Mit Sauerstoff reagiert Stickstoff bei sehr hohen Temperaturen zu Stickstoffmonooxid: N2 + O2
2 NO ΔHR
= -180 kJ/mol
Stickstoffmonooxid wird im Ostwaldverfahren auch aus Ammoniak und Sauerstoff hergestellt und dient dort zur Gewinnung von Salpetersäure. Stickstoff bildet zahlreiche, weitere Stickoxide: Distickstoffoxid N2O, Distickstofftrioxid N2O3, Stickstoffdioxid NO2, Distickstofftetroxid N2O4 oder Distickstoffpentoxid N2O5. Weitere bedeutende Stickstoffverbindungen sind die Nitrite und Nitrate, Ammoniumverbindungen wie Ammoniumnitrat, die Cyanide als Salze der Blausäure wie Kaliumcyanid, Aminosäure und Proteine wie Glycin oder die Nitroverbindungen, die in zahlreichen Sprengstoffen vorkommen. |
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Physiologie |
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Stickstoffatome
finden sich im menschlichen Körper in den Aminosäuren
und den daraus aufgebauten Peptiden und Proteinen.
Aber auch die Moleküle der organischen Basen Thymin, Adenin, Cytosin
und Guanin, die die DNS aufbauen, enthalten mehrere Stickstoffatome, genauso
wie das Adenosintriphosphat (ATP) oder einige Enzyme. Dieses Nukleotid
ist ein bedeutender Energie- und Signalträger im menschlichen Körper.
Beim Abbau der Proteine in der Leber entsteht das giftige Gas Ammoniak,
das in der Leber wieder abgebaut werden muss. Bei bestimmten Krankheiten
der Leber kann die Wirkung dieser Ammoniakentgiftung nachlassen. Der erhöhte
Ammoniakspiegel im Blut schädigt langfristig das Gehirn. Dabei treten
Symptome wie eine Abnahme der Konzentrationsfähigkeit oder der Feinmotorik
auf.
Auch wenn der elementare Stoff nicht toxisch wirkt, würde das Einatmen von reinem Stickstoff erstickend wirken. Bei der Taucherkrankheit gelangt mehr Stickstoff aufgrund des höheren Druckes in das Blut. Die dabei auftretenden Symptome wie Orientierungslosigkeit und euphorische Zustände können unter Wasser lebensbedrohlich sein. Distickstoffmonooxid (Lachgas) kann beim Einatmen krampfartiges Lachen, Halluzinationen und Rauschzustände ausgelösen. Es wirkt in geringen Konzentrationen narkotisch und ist daher heute eines der am meisten benutzten Gase bei leichteren operativen Eingriffen. Die anderen Oxide des Stickstoffs wirken stark toxisch. Stickstoffmonooxid ist ein Atemgift, das die Atemfunktion im Blut blockiert, als Folge tritt eine Blauverfärbung der Haut auf. Die Blausucht ist ein Kennzeichen dafür, dass ein innerliches Ersticken stattfindet. Stickstoffdioxid reizt die Schleimhäute und löst starken Hustenreiz aus, beim Einatmen besteht Lebensgefahr. |
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Vorkommen |
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In
der die Erde schützenden Lufthülle sind die Stickstoffatome von
allen Atomsorten am häufigsten vertreten (78 Volumenprozent), in der
Erdhülle stehen sie mit einem Anteil von 0,03%
an 16. Stelle. Die chemischen Verbindungen des Stickstoffs (Eiweiße,
Nucleinsäuren) spielen bei den Lebewesen eine bedeutende Rolle. Pflanzen
stellen sie aus Ammonium- oder Nitratsalzen her. Bei der Verwesung von
toten Lebewesen werden die organischen Stickstoffverbindungen wieder zu
Ammoniak oder zu Ammoniumsalzen umgebaut.
In einem weiteren Prozess oxidieren Bodenbakterien diese Salze
(über den Zwischenschritt der Nitrite) zu den Nitraten,
so dass sich der Stickstoffkreislauf wieder schließt. Alle stickstoffhaltigen
Salze eignen sich zur Herstellung von Düngemitteln.
Mineralische Nitratvorkommen finden sich vor allem in Chile (Chilesalpeter
= Natriumnitrat).
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Geschichte |
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Noch
bis ins 17. Jahrhundert hielt man Luft für einen einheitlichen Stoff.
Erst der französische Chemiker Antoine
Lavoisier und der Schwede Carl W.
Scheele vermuteten in der Luft einen Stoff, der die Verbrennung nicht
unterhält. Der Engländer Henry Cavendish (1731-1810) benannte
1771 den Stoff "mephistische Luft". Der Schotte Daniel Rutherford (1749-1819)
war der erste, der den Unterschied zwischen dem Kohlenstoffdioxid ("fixe
Luft") und dem Stickstoff ("mephistische Luft") erkannte. Ihm wird die
Entdeckung des Elements zugeschrieben. Der Name Nitrogenium wurde
aus dem griechischen Wort nitros ("Salpeter") und gennáo
("bilden") zusammengesetzt und bedeutet "Salpeterbildner". Der deutsche
Name "Stickstoff" bezieht sich auf die erstickende Wirkung des Gases.
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Herstellung |
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In
der Industrie erfolgt die Gewinnung von Stickstoff durch Verflüssigung
von Luft und einer anschließenden fraktionierten Destillation. Nach
dem von Carl von Linde um 1895 erfundenen Verfahren wird Luft mit Hilfe
eines Kompressors auf bis zu 200 bar verdichtet. Bei diesem Vorgang steigt
die Temperatur um etwa 45 °C. Zunächst wird die verdichtete Luft
durch eine Kühlung wieder auf die Raumtemperatur abgekühlt. An
einem Entspannungsventil wird die Luft entspannt. Hierbei kühlt sie
sich bis auf -25 °C ab, dabei entweicht Wärme aus dem System.
Die abgekühlte Luft wird in den Kompressor zurückgeleitet und
gleichzeitig kühlt sie in einem Wärmeübertrager die komprimierte
Luft vor ihrer Entspannung. Durch diesen Kreisprozess wird die Luft so
tief gekühlt, bis bei 20 bar und einer Temperatur von -190 °C
eine Verflüssigung eintritt.
Während der nachfolgenden fraktionierten Destillation verdampft der Stickstoffanteil der Luft bei -196 °C, bei -183°C verdampft der Sauerstoffanteil. So kann man beide Gase voneinander trennen. Die flüssige Luft wird auch dazu benutzt, flüssigen Stickstoff oder flüssigen Sauerstoff zu gewinnen. Im Labor kann man Stickstoff
durch die thermische Zersetzung von Natriumazid herstellen:
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Verwendung |
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Stickstoff
ist neben Wasserstoff ein wichtiger Ausgangstoff
zur Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren
und wird zur Herstellung zahlreicher Stickstoffverbindungen benötigt
(Düngemittel oder Salpetersäure,
Amine, Nitride). Mit Hilfe der Salpetersäure lassen sich viele Sprengstoffe
herstellen (Kaliumnitrat im Schwarzpulver,
Hexogen). Das Gas ist im Handel in grünen, grauen oder schwarzen Stahlflaschen
mit schwarzer Schulter erhältlich.
Stickstoff wird aufgrund seiner Reaktionsträgheit als Schutzgas beim Schweißen oder für Füllungen in Glühlampen verwendet. Flüssiger Stickstoff dient als Kältemittel für Lebensmittel oder in der Medizin zum Schockgefrieren von Embryonen, Gewebeteilen (bei Operationen), Blut, Antibiotika, Bakterienkulturen oder Impfstoffen. |
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Experimente - Medien |
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| Demonstrationen
mit flüssigem Stickstoff
Ammoniaksynthese Düngemittel Ostwaldverfahren |
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Stickstoffverbindungen im Portrait |
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| Copyright: Thomas Seilnacht |
Achtung
