Stickstoff und seine Verbindungen

Stickstoff

und seine Verbindungen

Experimentalvortrag von Tobias Gerhardt am 02.07.2009

Inhalt des Vortrags

1. Das Element Stickstoff (N₂) 2. Nitrat (NO₃^-)

3. Salpetersäure (HNO₃) 4. Ammoniak (NH₃)

5. Schulrelevanz der Versuche

6. Abbildungs- & Literaturverzeichnis

Stickstoff

• Scheele wies 1771 Stickstoff als Luftbestandteil nach

• Rutherford erkannte 1772 die Elementnatur

• Lavoisier gab ihm den Namen Azote, von azotikos (griech. = das Leben

nicht unterhaltend)

Abb. 1: Daniel Rutherford (1749 – 1819) ^[1]

Stickstoff

• Gehört zur 15. Gruppe des Periodensystems und ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas

• Unter Normalbedingungen liegt er nur als Di-Stickstoff vor, ein sehr reaktionsträges (inertes) Gas

• Erst ab 8500 K (ca. 8200 °C) ist die Dissoziation des Moleküls in die reaktionsfähigeren Atome möglich

|

| N  N

Verwendung

• Schutzgas bei leicht oxidierbaren Substanzen, beim Schweißen und in Flugzeugreifen

• Zur Herstellung einer Vielzahl an chemischen

Verbindungen, z.B. Ammoniak und Salpetersäure

• Flüssiger Stickstoff: zum Schockgefrieren, Konservieren und raschen örtlichen Betäuben

Versuch 1

Bananenhammer

Bananenhammer

• Flüssiger Stickstoff ist eine farblose Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur von - 195,82 °C

• Wasser würde zu einem großen Eisblock gefrieren und beim Aufschlag zerbrechen

• Das Wasser in den Zellen (75 %) gefriert blitzartig, ohne größere Eiskristalle. Ihre proteinogene Faserstruktur

stabilisiert sie

(g) (l)

(sehr s) (l)

(s) x N Banane x-y N y N

Banane  ₂   ₂  ₂

Elementare Vorkommen

• 99 % (ca. 10¹⁵ t) des auf der Erde existenten Stickstoffs liegen elementar als N₂ in der Luft vor

• Das Verhältnis zum Luftsauerstoff beträgt 4:1

Abb. 2: Zusammensetzung der Luft ^[2]

Versuch 2

Luftverflüssigung

Luftverflüssigung

• Im Reagenzglas findet ein stetiger Gasaustausch statt, wodurch Sauerstoff nachgeliefert wird

• Sauerstoff kondensiert bei - 182,97 °C, Argon bei - 186 °C (Smp.: - 189,2 °C)

• Im Reagenzglas entsteht ein Flüssigkeitsgemisch von Sauerstoff und Argon mit einem Verhältnis von 21:1

Stickstoffdarstellung (physikalisch)

• Durch das Linde-Verfahren (Carl v. Linde, um 1900) und anschließende fraktionierende Destillation der

flüssigen Luft gewonnen

Abb. 3: Schematische Darstellung des Linde- Verfahrens ^[3]

Stickstoffdarstellung (chemisch)

• Luft wird über glühendes Kupfer geleitet

• Verbleibende Sauerstoffspuren: < 20 ppm Gereinigtem Stickstoff: < 2 ppm O₂

Sauerstofffreier, ultrareiner Stickstoff: < 10 ppm Ar

• Die verbleibenden Edelgase spielen aufgrund ihrer Reaktionsträgheit keine Rolle

) ( )

( 2 )

( )

( 2 )

(

2 2 4 2

4 N0 0 0 0 _g  O _g  Cu _s  N _g  CuO+2 -2 _s

Versuch 3

Oszillierende

Stickstoffentwicklung

Oszillierende

Stickstoffentwicklung

• Irreversible Gasfreisetzung aus einer Ammoniumnitrit-Lösung:

(g) (aq)

(aq) (aq)

(aq) (aq)

- (aq)

(l) (g)

(aq) (aq)

NO NO

O H HNO

HNO H

NO

O H N

NO NH

3 3

2

2 2

2 2

2 4

2 3

2





























-1 +1 +3 -2 0 +1 -2

+3 -2 +1 +1 +3 -2

+1 +3 -2 +1 -2 +5 -2 +2 -2

+2 -2 0 +4 -2

Oszillierende

Stickstoffentwicklung

• Die oszillierende Reaktion, 1976 von Degn entdeckt, beruht auf dem Phänomen der Nukleation bei einer übersättigten Lösung

) (

) (

) (

) (

) (

) (

2 )

( )

(

) (

) (

2 2

2 2

2

2 2

2

2 2

Gas N

Blase große

N

Blase große

N gelöst

N Blase

N

Blase N

gelöst N

Keim N

Keim N

gelöst N







Abb. 5: Blasenbildung im Wasser ^[5]

Oszillierende

Stickstoffentwicklung

• Bei Übersättigung beträgt die Stickstoffkonzentration c(N₂) = 0,012 mol/L vor. Dies entspricht dem 19-fachen der normalen Löslichkeit

• Der gleiche Effekt tritt beim Öffnen einer Mineralwasserflasche auf

• Die Reaktion führte zur Entdeckung des Edelgases

Argon durch Lord Rayleigh & Sir William Ramsey (1892)

Namensherkunft &

Elementsymbol

• 1790 führte der französische Chemiker Chaptal den

Namen Nitrogenium ein, von nitros (griech.) = Salpeter und gennáo (griech.) = bilden, von welchem sich das Elementsymbol „N“ ableitet

• Pentele (von penta, griech. = fünf, und Element) wurden früher auch Pnictogene genannt,

von pniktos (griech.) = erstickt

 Stickstoff, da er weder selbst verbrennt, noch Verbrennungen unterhält

Versuch 4

„Glimmspanprobe“

Wunderkerzen

Feinverteilt verbrennen Eisen und Aluminium unter starker

Wärme- und Lichtentwicklung

Abb. 6: Materialien für die Wunderkerzen ^[6]

) ( 2 )

( 2 )

( 3

) ( 2 )

( 2 2 )

( 2 3

2 2

) (

) (

g s

s

g s

s

O KNO

KNO

O NO

Ba NO

Ba















+3 +5 -2 +2 +4 -2 0 +1 +5 -2 +1 +3 -2 0

„Glimmspanprobe“

Der Funkenflug durch die Oxidation mit dem Luft- sauerstoff bleibt aus, in

„reinem“ Sauerstoff ist er dagegen umso stärker

kJ O

Al O

Al

O Fe O

Fe

s g

s

s C

g s

8 , 1676 2

3 4

2 3

4

) ( 3 2 )

( 2 )

(

) ( 3 2 500

) ( 2 )

(











 









0 0 +3 -2

0 0 +3 -2

„Glimmspanprobe“

• Die erstickende Eigenschaft von Stickstoff und die oxidierende Eigenschaft seiner Verbindung (Nitrat) arbeiten gegeneinander

• Die erstickende Wirkung des Stickstoffs kommt durch den Sauerstoffmangel zustande

• Elementares Stickstoffgas zeigt keinerlei Wirkung gegenüber den höheren Tieren, Pflanzen oder den Menschen

Stickstoff als

Lebensbestandteil

• Stickstoff ist essentiell für das Leben auf der Erde (Bestandteil der Proteine, Nucleinsäure)

• Stickstoffmangel führt zu kümmerlichem Wachstum, blasser Blattfärbung und zu frühem Blühen (Notblüte)

Gebundene Form

• In der Natur hauptsächlich als Nitrate (NO₃^-),

z.B. Natriumnitrat (NaNO₃), auch Chilesalpeter genannt

• Die chemische Darstellung erfolgt durch die Umsetzung von Salpetersäure (HNO₃) mit Carbonaten oder

Hydroxiden

) ( 2 )

( 3 )

( )

( 3

) ( 2 )

( 2 )

( 3 )

( 3 2

) (

3 2

2

l aq

s aq

g l

aq s

aq

O H KNO

KOH HNO

CO O

H NaNO

CO Na

HNO

















+1 +5 -2 +1 +4 -2 +1 +5 -2 +1 -2 +4 -2

+1 +5 -2 +1 -2 +1 +1 +5 -2 +1 -2

Der Stickstoffkreislauf

Demo 1

Nitratbestimmung

(Kjeldahl-Destillation)

Nitratbestimmung (Kjeldahl-Destillation)

Abb. 11 – 13: zerkleinerte und erhitze Kartoffel (oben links),

Nitratbestimmung (Kjeldahl-Destillation)

• Frischeinwaage: 50,2 g

• Trockenmasse: 9,1 g  Wassergehalt: 81,87 %

• Einwaage zur Destillation: 2,7 g

• Verbrauch an Salzsäure: 1,4 mL

• Nitratgehalt in 2,7 g Destillationseinwaage: 0,87 mg

• Nitratgehalt in der Trockenmasse: 2,93 mg = 58,4 ppm

• Literatur: zwischen 38 und 337 ppm, je nach Anbaugebiet, Kartoffelsorte und Düngung

Salpetersäure (HNO

)

• Sie wurde früher durch Umsetzung von Chilesalpeter mit Schwefelsäure gewonnen

• Industriell mittels katalytischer Ammoniakverbrennung (Ostwald-Verfahren)

) ( 3 )

( 4 )

( 4 2

) (

3 aq H SO aq NaHSO aq HNO aq

NaNO   

) ( 2 )

( )

( 2 )

( 3

2 5

, 1 2

11 , 906 6

4 5

4 _{g g g g}

HNO O

O H NO

kJ O

H NO

O NH



















+1 +5 -2 +1 +6 -2 +1 +1 +6 -2 +1 +5 -2

-3 +1 0 +2 -2 +1 -2

+2 -2 +1 -2 0 +1 +5 -2

Salpetersäure

• Salpetersäure (HNO₃) zählt neben Salz- und Schwefel- säure zu den wichtigsten Säuren

der chemischen Industrie

• Zur Herstellung von Ammonium- nitrat (Düngemittel) sowie Farb- und Explosivstoffen

• Mit konz. Salzsäure bildet konz. Salpetersäure (3:1) Königswasser, welches sogar Gold aufzulösen vermag

Abb. 14: Verbrennung von Nitrocellulose ^[6]

Demo 2

Saurer Regen

Saurer Regen

Abb. 15: Versuchsaufbau ^[6] Abb. 16: Lichtbogen ^[6]

Saurer Regen

Abb. 17 -19: Stickstoffmonoxid (links), Methylrot-Lösung (Mitte und rechts) ^[6]

) ( )

( 2 )

(

2 2

62 ,

180 kJ N _g O _g NO _g















 0 0 +2 -2

+2 -2 +1 -2 0 +1 +5 -2

Saurer Regen

• Stickstoffmonoxid ist eine stark endotherme Verbin- dung und kann nur bei starker Energiezufuhr (Licht- bogen) aus den Elementen erzeugt werden

• Große Mengen NO werden in Verbrennungsmotoren und bei Gewittern erzeugt

• Salpetersäure trägt zu 1/3 zum sauren Regen bei

(2/3 werden durch Schwefelsäure aus SO₂ verursacht)

Ammoniak (NH

)

• Farbloses, stechend riechendes Gas

• Nach dem Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen gewonnen (500 °C, 200 bar in Ammoniak-Kontaktöfen)

• 90 % des industriell hergestellten Ammoniaks dienen der Düngemittelproduktion (NH₄⁺ & NO₃^-)

• Außerdem für verschiedene Stickstoffverbindungen, u.a. Salpetersäure (Ostwald-Verfahren)

kJ NH

N

H _{g g} 2 _g 92,28 3 0 0 -3 +1_{2( )}  _{2( )}  _{3( )} 

Versuch 5

Ammoniak-

springbrunnen

Ammoniak- springbrunnen

• Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich (in 1 L Wasser bei 20 °C ca. 700 L Ammoniakgas) wodurch ein Unterdruck entsteht, der das restliche Wasser „nachsaugt“

• Hydratation durch Dipol-Dipol-WW und Wasserstoff- brückenbindungen

N H H

H H

O H

H N

^ H

^

^

^

Ammoniak- springbrunnen

• Ammoniak bildet in Wasser Ammonium- und Hydroxid- Ionen, welche das Phenolphthalein bei einem pH-Wert zwischen 8,4 - 10,0 in die chinoide (pinke) Struktur

überführen

02.07.2009 37



 





 _{2 ( ) 4( ) ( )}

) (

3 g H O l NH aq OH aq

NH

-3 +1 +1 -2 -3 +1 -2 +1

O

O H

OH O

O^- COO^- O

2 OH^- - 2 OH^-

+ 2 H₂O

Schulrelevanz (G8)

1. Bananenhammer: 7G.1 - Aggregatzustände und ihre Übergänge 2. Luftverflüssigung: 7G.2 - Quantitative Zusammensetzung der Luft

(natürliche Luftbestandteile kennenlernen)

3. Osz. Stickstoffentwicklung: 7G.1 - Lösungen und Löslichkeit (Lösen

gasförmiger Stoffe in Lösemitteln) & (Gesättigte, ungesättigte Lösungen) 4. „Glimmspanprobe“: 7G.2 - Verbrennungsvorgänge in Alltag und Umwelt

(Bedingungen für Brände kennen)

- Reaktionen von Metallen mit Luft (Verbrennen)

5. Kjeldahl-Destillation: 9G.2 - Aufbau und Funktion von Böden (Düngemittel, fakultativ)

12G.1 - Nachweisreaktionen (Boden- Düngemitteluntersuchungen,

Schulrelevanz (G8)

5. Kjeldahl-Destillation: 9G.2 - Aufbau und Funktion von Böden (Düngemittel, fakultativ)

12G.1 - Nachweisreaktionen (Boden- Düngemitteluntersuchungen, fakultativ)

6. Luftverbrennung: 9G.2 - Säure-Base-Theorie nach Brønsted (Emission von Stickstoff, saure Niederschläge darstellen)

9G.3 - Fossile Brennstoffe (Vorgänge im Verbrennungsmotor)

7. Ammoniak-Springbrunnen: 7G.1 - Löslichkeit (Lösen gasförmiger Stoffe in Lösemitteln

9G.1 - Wassermolekül als Dipol (Zusammenhang zwischen Löslichkeit und Molekülstruktur)

9G.2 - Herstellung und Eigenschaften von Laugen und/oder Säuren (Ammoniakwasser)

Abbildungsverzeichnis

[1] http://www.seilnacht.com/Lexikon/7Stickst.htm(24.06.2009, 19:48 Uhr)

[2] http://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/18340/(31.05.2009, 13:19 Uhr)

[3] Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102.

Auflage. S. 500. Berlin, New York: de Gruyter.

[4] www.chemie-master.de(06.05.2008, 23:30 Uhr)

[5] http://mw2.google.com/mw-panoramio/photos/medium/8388406.jpg (22.06.2009, 16:52 Uhr)

[6] Tobias Gerhardt. Eigene Fotos.

[7] Campbell, N. A. (1997). Biologie. 2. korrigierter Nachdruck (2000). S. 311 & 1258. Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer Verlag.

Literaturverzeichnis

• Campbell, N. A. (1997). Biologie. 2. korrigierter Nachdruck (2000). Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer Verlag.

• Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter.

• Jander, Blasius (2006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. 16., überarbeitete Auflage. Stuttgart: S. Hirzel Verlag.

• Mortimer, C. E. (2001). Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 7., korrigierte Auflage. Stuttgart, New York:

Georg Thieme Verlag.

• FIZ CHEMIE Berlin , Fachinformationszentrum Chemie GmbH. Letzter Zugriff am 30.06.2009 unter:

www.chemgapedia.de.

• Seilnacht, T. Naturwissenschaftliches Arbeiten. Bern. Letzter Zugriff am 24.06.2009, 23:24 Uhr unter:

http://www.seilnacht.com/Lexikon/7Stickst.htm

• http://zs.thulb.uni-jena.de/receive/jportal_jparticle_00022561 (24.06.2009, 01:30 Uhr)

• http://www.essen-und-co.de/trocknen2.html(01.07.2009, 16:08 Uhr)

Ende!

Vielen Dank für die

Aufmerksamkeit!