Stickstoff

Stickstoff begegnet dir jedes Mal, wenn du Luft holst: Der größte Teil der Luft besteht daraus. Trotzdem merkst du ihn nicht, weil Stickstoff als Gas farblos, geruchlos und sehr reaktionsträge ist. Nach dieser Erklärung kannst du Stickstoff einordnen, seine wichtigsten Eigenschaften erklären und typische Prüfungsfragen zum Stickstoffkreislauf lösen.

Deine Lernziele

• Ich kann Stickstoff im Periodensystem und in der Luft einordnen.
• Ich kann erklären, warum Stickstoff meistens als Molekül $N_2$ vorkommt.
• Ich kann wichtige Eigenschaften und Gefahren von Stickstoff beschreiben.
• Ich kann die Bildung von Ammoniak aus Luftstickstoff deuten.
• Ich kann den Stickstoffkreislauf in einfachen Schritten erklären.

Stickstoff in Luft und Periodensystem

Wenn du an Luft denkst, denkst du vielleicht zuerst an Sauerstoff. Für die Chemie ist aber wichtig: Sauerstoff ist nur ein Teil der Luft, Stickstoff ist der größte Teil.

Definition

Stickstoff

Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Elementarer Stickstoff kommt bei normalen Bedingungen fast immer als zweiatomiges Molekül \(N_2\) vor. In der Luft macht Stickstoff etwa 78 Volumenprozent aus.

Stickstoff steht in der 2. Periode und in der 15. Gruppe des Periodensystems. Seine Atome haben fünf Außenelektronen. Das hilft später zu verstehen, warum Stickstoff viele Verbindungen bilden kann, obwohl das Molekül \(N_2\) selbst sehr stabil ist.

Beispiel

Stell dir 100 gleich große Luftportionen vor.

1. Etwa 78 Portionen enthalten Stickstoff.
2. Etwa 21 Portionen enthalten Sauerstoff.
3. Etwa 1 Portion enthält vor allem Argon und kleine Mengen anderer Gase.

Darum kann man sagen: Luft ist kein Reinstoff, sondern ein Gasgemisch. Stickstoff ist darin der Hauptbestandteil.

Merke

Symbol N, Molekül \(N_2\), etwa 78 Prozent der Luft: Das sind die drei Grunddaten zu Stickstoff.

Warum \(N_2\) so reaktionsträge ist

Viele Stickstoffverbindungen sind wichtig und teilweise sehr reaktionsfreudig. Das reine Stickstoffmolekül in der Luft reagiert aber nur schwer.

Definition

Molekül $N_2$

Ein Molekül besteht aus fest verbundenen Atomen. Beim Stickstoffmolekül \(N_2\) sind zwei Stickstoffatome miteinander verbunden. Zwischen ihnen liegt eine sehr starke Dreifachbindung.

Eine Dreifachbindung bedeutet: Zwischen den beiden Stickstoffatomen werden drei Elektronenpaare gemeinsam genutzt. Diese Bindung ist schwer zu lösen. Darum braucht man für viele Reaktionen mit \(N_2\) viel Energie, hohen Druck, hohe Temperatur oder einen Katalysator.

Definition

Katalysator

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion erleichtert, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden. Er senkt die Hürde, die Teilchen überwinden müssen.

Beispiel

Eine Kerze brennt in normaler Luft, weil Sauerstoff die Verbrennung ermöglicht.

In fast reinem Stickstoff erlischt die Kerze:

1. Der Stickstoff selbst brennt nicht.
2. Er liefert keinen Sauerstoff für die Verbrennung.
3. Wenn Stickstoff den Sauerstoff verdrängt, kann die Flamme nicht weiterbrennen.

Das heißt nicht, dass Stickstoff giftig ist. Das Problem ist der fehlende Sauerstoff.

Gut zu wissen

Der deutsche Name "Stickstoff" passt zu dieser Beobachtung: In reinem Stickstoff ersticken Lebewesen, weil ihnen Sauerstoff fehlt. Chemisch genauer sagt man: Stickstoff wirkt erstickend durch Sauerstoffverdrängung.

Beispiel

Eine der wenigen einfachen Reaktionen von Stickstoff ist die Reaktion mit Lithium:

$$ 6 Li + N_2 \rightarrow 2 Li_3N $$

Dabei entsteht Lithiumnitrid. Du erkennst daran: Stickstoff kann Verbindungen bilden, aber das \(N_2\)-Molekül muss dafür erst aufgebrochen werden.

Merke

Reaktionsträge heißt nicht "kann nie reagieren". Es heißt: Unter normalen Bedingungen reagiert der Stoff nur schwer.

Eigenschaften und Sicherheit

Bei Raumtemperatur ist Stickstoff ein Gas. Im Labor oder in der Industrie begegnet dir aber auch flüssiger Stickstoff.

Definition

Flüssiger Stickstoff

Flüssiger Stickstoff ist Stickstoff, der stark abgekühlt wurde. Er siedet ungefähr bei \(-196^\circ C\). Beim Erwärmen verdampft er wieder zu gasförmigem Stickstoff.

Flüssiger Stickstoff ist extrem kalt. Er kann Stoffe schnell abkühlen und spröde machen. Eine wichtige Gefahr ist außerdem die Ausdehnung: Aus wenig Flüssigkeit entsteht viel Gas. In geschlossenen Gefäßen kann dadurch hoher Druck entstehen.

Beispiel

Ein Luftballon wird in flüssigen Stickstoff gehalten.

1. Das Gas im Ballon kühlt stark ab.
2. Kalte Gasteilchen bewegen sich langsamer.
3. Der Druck und das Volumen des Ballons werden kleiner.
4. Beim Erwärmen dehnt sich das Gas wieder aus.

Der Ballon zeigt: Temperatur, Teilchenbewegung, Druck und Volumen hängen zusammen.

Merke

Mit flüssigem Stickstoff gilt: Kältegefahr, Erstickungsgefahr und Druckgefahr immer mitdenken.

Vom Luftstickstoff zu Verbindungen

Pflanzen, Tiere und Menschen brauchen Stickstoff in Proteinen und Erbgut. Sie können den Luftstickstoff \(N_2\) aber nicht einfach direkt einbauen.

Definition

Stickstofffixierung

Stickstofffixierung bedeutet: Reaktionsträger Luftstickstoff \(N_2\) wird in besser nutzbare Stickstoffverbindungen umgewandelt, zum Beispiel in Ammoniak \(NH_3\) oder Ammonium-Ionen \(NH_4^+\).

In der Natur leisten bestimmte Bakterien diese Umwandlung. In der Industrie ist das Haber-Bosch-Verfahren besonders wichtig. Es stellt Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff her.

Definition

Haber-Bosch-Verfahren

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein industrielles Verfahren zur Herstellung von Ammoniak. Dabei reagieren Stickstoff und Wasserstoff bei hohem Druck, erhöhter Temperatur und mit einem Katalysator.

Beispiel

Die Reaktionsgleichung lautet:

$$ N_2 + 3 H_2 \rightleftharpoons 2 NH_3 $$

So liest du sie:

1. Links steht 1 Molekül Stickstoff und 3 Moleküle Wasserstoff.
2. Rechts entstehen 2 Moleküle Ammoniak.
3. Auf beiden Seiten sind 2 Stickstoffatome und 6 Wasserstoffatome vorhanden.

Die Gleichung ist also ausgeglichen. Kein Atom geht verloren.

Gut zu wissen

Ammoniak ist ein Grundstoff für viele Düngemittel. Ohne technische Stickstofffixierung könnte die Landwirtschaft viel weniger Nahrung erzeugen. Zu viel reaktiver Stickstoff kann aber Gewässer und Böden belasten.

Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf erklärt, wie Stickstoff zwischen Luft, Boden, Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen wechselt. Er ist ein Stoffkreislauf, weil Atome immer wieder in neue Verbindungen eingebaut werden.

Definition

Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf ist die Abfolge von Prozessen, durch die Stickstoff aus der Luft in Lebewesen gelangt und später wieder in Boden oder Luft zurückkehrt.

Die wichtigsten Stationen sind gut lernbar, wenn du auf die chemische Form achtest: \(N_2\) in der Luft, Ammonium im Boden, Nitrat als Pflanzennährstoff und wieder \(N_2\) am Ende.

Beispiel

Ein vereinfachter Weg durch den Kreislauf:

1. Bakterien fixieren Luftstickstoff \(N_2\) zu Ammonium.
2. Andere Bodenbakterien wandeln Ammonium über Nitrit zu Nitrat um.
3. Pflanzen nehmen Nitrat oder Ammonium auf und bauen daraus Proteine.
4. Tiere nehmen Stickstoff auf, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen.
5. Zersetzer bauen tote Lebewesen und Ausscheidungen ab.
6. Denitrifizierende Bakterien können Nitrat wieder zu \(N_2\) umwandeln.

Definition

Nitrifikation und Denitrifikation

Nitrifikation ist die Umwandlung von Ammonium über Nitrit zu Nitrat durch Bakterien. Denitrifikation ist die Rückumwandlung von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff \(N_2\).

Prüfungsmodus

In Aufgaben zu Stickstoff musst du oft entscheiden, welche Aussage zur Situation passt. Achte zuerst auf die Form: Geht es um \(N_2\), um Ammoniak, um Nitrat oder um Stickoxide?

Beispiel

Aufgabe: "In einem Lagerraum tritt unbemerkt Stickstoffgas aus. Warum ist das gefährlich, obwohl Stickstoff nicht giftig ist?"

Lösung:

1. Stickstoffgas kann Sauerstoff aus der Atemluft verdrängen.
2. Der Körper braucht Sauerstoff für die Zellatmung.
3. Ohne genug Sauerstoff kann man ersticken.
4. Die Gefahr ist also Sauerstoffmangel, nicht eine Vergiftung durch \(N_2\).

Beispiel

Fehler finden: "Pflanzen nehmen den Stickstoff der Luft direkt als \(N_2\) über die Blätter auf."

Korrektur:

1. Der Satz klingt plausibel, weil Luft viel Stickstoff enthält.
2. Trotzdem ist er falsch, denn \(N_2\) ist sehr reaktionsträge.
3. Pflanzen nehmen Stickstoff überwiegend als Nitrat oder Ammonium über die Wurzeln auf.
4. Bakterien und technische Verfahren machen aus \(N_2\) zuerst nutzbare Verbindungen.

Alles auf einen Blick

Abschluss-Check

Zusammenfassung

Stickstoff ist das Element N und kommt in der Luft vor allem als Molekül \(N_2\) vor. Dieses Molekül ist wegen seiner starken Bindung sehr stabil und reagiert unter normalen Bedingungen nur schwer.

Trotzdem ist Stickstoff lebenswichtig, weil seine Atome in Proteinen, Erbgut, Ammoniak, Nitrat und vielen weiteren Verbindungen stecken. Natur und Industrie müssen den reaktionsträgen Luftstickstoff erst in nutzbare Formen überführen.

Für Prüfungen merkst du dir besonders: \(N_2\) ist der Hauptbestandteil der Luft, verdrängt Sauerstoff, brennt nicht, wird durch Fixierung nutzbar und kehrt im Stickstoffkreislauf wieder in Boden und Atmosphäre zurück.