Stickstoff – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

Der größte Vorrat an Stickstoff ist die Atmosphäre, in der er als zweiatomiges Molekül N₂ vorliegt. In der Erdkruste ist Stickstoff dagegen selten. Nennenswerte Mineralvorkommen sind Nitrate wie Chilesalpeter (Natriumnitrat), der sich in den trockenen Wüsten Südamerikas abgelagert hat und im neunzehnten Jahrhundert ein wichtiger Rohstoff für Dünger und Sprengstoff war. Gebunden kommt Stickstoff in allen Lebewesen vor, in Aminosäuren, Proteinen, Nukleinsäuren und Harnstoff. Boden enthält Stickstoff als Ammonium- und Nitrat-Ionen, die Pflanzen über die Wurzeln aufnehmen.

Im Stickstoffkreislauf wandeln Bakterien Luftstickstoff in Ammonium um; manche leben in den Wurzelknöllchen von Hülsenfrüchten wie Erbsen, Bohnen und Klee. Andere Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrat oder führen Nitrat als Stickstoffgas in die Luft zurück. Blitze erzeugen zusätzlich Stickoxide, die mit dem Regen in den Boden gelangen. Technisch gewinnt man Stickstoff durch Luftzerlegung: Luft wird verflüssigt und dann fraktioniert destilliert, wobei Stickstoff wegen seines niedrigeren Siedepunkts vor dem Sauerstoff verdampft. Kleinere Anlagen trennen Stickstoff mit Membranen oder Molekularsieben ab. Entdeckt wurde Stickstoff 1772 von Daniel Rutherford, der ihn als den Teil der Luft beschrieb, der weder Verbrennung noch Atmung unterhält. Der deutsche Name erinnert daran, dass eine Flamme in reinem Stickstoff erstickt.

Eigenschaften und Reaktionen

Stickstoff hat die Elektronenkonfiguration [He] 2s² 2p³ mit fünf Valenzelektronen und steht in Periode 2 und Gruppe 15. Zwei Stickstoffatome verbinden sich über eine Dreifachbindung zum N₂-Molekül. Diese Bindung gehört zu den stärksten in der Chemie, und darin liegt der Grund für die Reaktionsträgheit des Gases: Stickstoff brennt nicht, unterhält keine Verbrennung und reagiert bei Raumtemperatur fast mit nichts. Erst bei hohen Temperaturen, hohem Druck oder mit Katalysatoren lässt sich die Dreifachbindung aufbrechen.

Als Gas ist Stickstoff farblos und geruchlos, mit einer Dichte von 1,25 g/L etwas leichter als Luft. Er wird bei -195,79 °C flüssig und bei -210 °C fest. Flüssiger Stickstoff ist ein verbreitetes Kühlmittel. Die Elektronegativität von 3,04 ist hoch, nur Sauerstoff, Fluor und Chlor liegen darüber. In Verbindungen tritt Stickstoff in vielen Oxidationsstufen auf, von minus drei im Ammoniak bis plus fünf in der Salpetersäure. Mit Wasserstoff bildet er Ammoniak, eine Base, die mit Säuren Ammoniumsalze bildet. Mit Sauerstoff entstehen Stickoxide, die bei Verbrennungsprozessen in Motoren und Kraftwerken anfallen und zu Smog und saurem Regen beitragen. Salpetersäure ist eine starke Säure und ein kräftiges Oxidationsmittel. Viele Stickstoffverbindungen wie Nitroglycerin oder TNT sind Sprengstoffe, weil bei ihrer Zersetzung sehr stabiles N₂ entsteht und viel Energie frei wird. Mit Lithium reagiert Stickstoff schon bei Raumtemperatur, mit Magnesium beim Erhitzen zu Nitriden.

Verwendung in Alltag und Technik

Die wichtigste Anwendung ist die Herstellung von Ammoniak im Haber-Bosch-Verfahren. Dabei reagieren Stickstoff und Wasserstoff bei hohem Druck und hoher Temperatur an einem Eisenkatalysator. Aus Ammoniak werden Düngemittel wie Ammoniumnitrat und Harnstoff hergestellt, ohne die die heutige Weltbevölkerung nicht ernährt werden könnte. Ammoniak ist außerdem Ausgangsstoff für Salpetersäure, Kunststoffe wie Nylon, Farbstoffe und Sprengstoffe.

Gasförmiger Stickstoff dient als Schutzgas überall dort, wo Sauerstoff stört: in Verpackungen von Chips und Kaffee, in Weintanks, beim Schweißen und in der Elektronikfertigung. Reifen von Flugzeugen und Rennwagen werden mit Stickstoff gefüllt, weil das trockene Gas keinen Wasserdampf enthält, der Druckschwankungen verstärkt, und das Reifeninnere nicht oxidiert. Flüssiger Stickstoff kühlt Lebensmittel beim Schockfrosten, lagert biologische Proben, Spermien und Eizellen, entfernt in der Medizin Warzen und macht Eiscreme besonders cremig. Lachgas, ein Stickstoffoxid, dient als Narkosemittel und als Treibgas in Sprühsahne. Im Alltag steckt Stickstoff vor allem in Düngern für Garten und Landwirtschaft. Ein Zuviel davon gelangt als Nitrat ins Grundwasser und als Ammoniak und Lachgas in die Luft, weshalb der Umgang mit Stickstoffdünger heute streng geregelt ist.

Moleküle mit diesem Element

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Kurz gefragt

Welches Elementenpaar besitzt gleich viele Valenzelektronen?

Häufige Fragen