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Stickstoff: Eigenschaften, Kreislauf und Nutzung
Stickstoff ist das Element mit dem Symbol N. In der Luft liegt er überwiegend als N₂ vor und macht rund 78 Volumenprozent aus. Obwohl Lebewesen Stickstoff brauchen, können Pflanzen den reaktionsträgen Luftstickstoff nicht direkt nutzen.
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Was ist Stickstoff?
Stickstoff hat die Ordnungszahl 7 und die relative Atommasse 14,01. Elementarer Stickstoff besteht gewöhnlich aus Molekülen mit je zwei Stickstoffatomen: N₂.
Luftgemisch
Luft ist ein Gemisch verschiedener Gase und keine einzelne chemische Verbindung. N₂ ist mit rund 78 Volumenprozent ihr größter Bestandteil.
Bei Raumtemperatur ist N₂ farb-, geruch- und geschmacklos. Es ist nicht brennbar und löst sich nur wenig in Wasser. Bei etwa −196 °C siedet es; unterhalb dieser Temperatur kann es als farblose Flüssigkeit vorliegen.
N bezeichnet das Element und ein einzelnes Stickstoffatom. N₂ bezeichnet ein Molekül aus zwei Stickstoffatomen.
Warum reagiert N₂ so langsam?
Die beiden Stickstoffatome im N₂-Molekül sind durch eine sehr starke Dreifachbindung verbunden. Um eine Reaktion zu starten, muss diese stabile Bindung aktiviert werden. Das kostet viel Energie; Katalysatoren können die nötige Aktivierungsbarriere senken.
Reaktionsträgheit
Ein Stoff heißt reaktionsträge, wenn er unter üblichen Bedingungen nur langsam oder schwer reagiert. Das bedeutet nicht, dass er grundsätzlich nie reagieren kann.
Als Schutzgas kann N₂ den Kontakt eines Stoffes mit Sauerstoff verringern. Seine geringe Reaktionsbereitschaft ist dabei nützlich. Für die Herstellung von Ammoniak muss N₂ dagegen mit Wasserstoff umgesetzt werden; dafür sind hoher Druck, hohe Temperatur und ein Katalysator nötig.
Starke Bindung → hoher Aufwand zur Aktivierung → geringe Reaktionsbereitschaft unter üblichen Bedingungen.
Wie läuft der Stickstoffkreislauf ab?
Lebewesen benötigen gebundenen Stickstoff unter anderem für Proteine und die DNA. Die meisten Pflanzen können N₂ aus der Luft jedoch nicht direkt verwerten. Mikroorganismen überführen Stickstoff deshalb zwischen gasförmigen, mineralischen und organischen Formen.
- Stickstofffixierung: Bestimmte Mikroorganismen wandeln N₂ in gebundenen Stickstoff wie Ammonium, NH₄⁺, um.
- Nitrifikation: Andere Bakterien wandeln Ammonium schrittweise in Nitrat, NO₃⁻, um.
- Aufnahme: Pflanzen nehmen vor allem Ammonium- und Nitratverbindungen auf und bauen den Stickstoff in körpereigene Stoffe ein. Tiere erhalten ihn über ihre Nahrung.
- Ammonifikation: Mikroorganismen bauen stickstoffhaltige Reste und Ausscheidungen ab; dabei entsteht wieder Ammonium.
- Denitrifikation: Bodenbakterien wandeln Nitrat schließlich wieder in gasförmigen Stickstoff um.
Dieses Modell zeigt die Hauptstationen. In der Natur gibt es weitere Zwischenstufen und verschiedene beteiligte Organismen.
Hülsenfrüchtler leben mit Knöllchenbakterien an ihren Wurzeln zusammen. Die Bakterien binden Luftstickstoff; die Pflanze erhält dadurch nutzbare Stickstoffverbindungen. So wird aus reaktionsträgem N₂ biologisch verfügbarer Stickstoff.
Wozu wird Stickstoff genutzt, und wann wird er gefährlich?
Industriell gewinnt man N₂ vor allem durch fraktionierte Destillation verflüssigter Luft. Dabei nutzt man unterschiedliche Siedepunkte der Luftbestandteile, um sie zu trennen.
Gasförmiger Stickstoff dient wegen seiner Reaktionsträgheit als Schutz-, Transport- und Füllgas. Er ist außerdem Ausgangsstoff für Ammoniak. Daraus entstehen unter anderem Düngemittel, die Pflanzen mit gebundenem Stickstoff versorgen.
Flüssigstickstoff siedet bei etwa −196 °C. Beim Verdampfen nimmt er viel Wärme aus seiner Umgebung auf und eignet sich deshalb zur Tieftemperaturkühlung, zum Schockfrieren und zur Lagerung biologischer Proben.
Stickstoffgas ist ungiftig, aber nicht automatisch ungefährlich: Es kann Sauerstoff verdrängen. In geschlossenen oder mit N₂ gespülten Räumen drohen unbemerkter Sauerstoffmangel, Bewusstlosigkeit und Tod.
Mehr reaktiver Stickstoff kann landwirtschaftliche Erträge erhöhen, belastet im Überschuss aber Umwelt und Gesundheit. Genannte Folgen sind Nitrat im Grundwasser, Eutrophierung, Stickoxide in der Luft und die Klimawirkung von Lachgas, N₂O.
Ein Behälter wird mit N₂ gefüllt, damit ein Stoff nicht mit Sauerstoff reagiert. Das ist chemisch nützlich. Für Menschen entsteht jedoch eine Gefahr, wenn austretendes N₂ in einem schlecht belüfteten Raum den Sauerstoffanteil senkt. Schutzwirkung und Erstickungsgefahr beruhen hier auf derselben Eigenschaft: der Verdrängung von Sauerstoff.
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Alles auf einen Blick
- Stickstoff
- N₂ als größter Bestandteil der Luft
- starke Dreifachbindung und geringe Reaktionsbereitschaft
- Fixierung und Kreislauf durch Mikroorganismen
- Baustein von Proteinen und DNA
- Schutzgas und Ausgangsstoff für Ammoniak
- Flüssigstickstoff als Kühlmittel
- Sauerstoffverdrängung als Erstickungsgefahr
- Überschuss reaktiver Verbindungen als Umweltbelastung