Stickstoff ist ein in Wasser schwerlösliches Gas, das farb-, geruch- und geschmacklos ist. In seiner freien Form kann Stickstoff in verschiedenen Industrien verwendet werden. Betrachten wir die Industrien, in denen Stickstoff verwendet wird, genauer.

Metallurgie

• Beim Glühen Sintern mit Metallpulver.
• Mit neutraler Härtung, hartlötbar.
• Bei Cyanidierung (Stickstoff ist notwendig, um Eisen- und Nichteisenmetalle zu schützen).
• Auch beim Betrieb der Beschickungseinrichtung in einem Hochofen, einer Brandreinigungsmaschine für Metalle, spielt Stickstoff eine wichtige Rolle.
• An der Kokerei.

Chemie, Gas, Öl

• Bei der Entwicklung von Brunnen wird gasförmiger Stickstoff verwendet. Mit seiner Hilfe wird der Wasserstand in den Brunnen abgesenkt. Dieses Verfahren ist sehr vielversprechend, es zeichnet sich durch Zuverlässigkeit sowie einfache Steuerung und Regelung des Prozesses in einem weiten Bereich von Drücken und Durchflussraten aus. Mit Hilfe von gasförmigem Stickstoff werden Tiefbrunnen schnell entleert, schnell und scharf, oder langsam und sanft der Druck im Brunnen abgebaut. Stickstoff sorgt für die Entwässerung des Reservoirs und die Nachfüllung von Druckgas, was für den Flüssigkeitsfluss erforderlich ist.
• Stickstoff wird verwendet, um in verschiedenen Containern während der Entlade- und Ladevorgänge eine inerte Umgebung zu schaffen. Stickstoff wird auch zum Löschen von Bränden, beim Testen und Spülen von Rohrleitungen verwendet.
• Stickstoff in seiner reinen Form wird für die Synthese von Ammoniak, bei der Herstellung von stickstoffartigen Düngemitteln sowie bei der Verarbeitung von Begleitgasen und der Methanumwandlung verwendet.
• Stickstoff wird verwendet, um Ablagerungen in Ölraffinerien zu reduzieren, hochoktanige Komponenten zu verarbeiten und die Produktivität von Ölcrackanlagen zu steigern.

Feuer bekämpfen

• Stickstoff hat inerte Eigenschaften, wodurch es möglich ist, Sauerstoff zu verdrängen und die Oxidationsreaktion zu verhindern. Die Verbrennung ist in der Tat eine schnelle Oxidation aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff in der Atmosphäre und einer Verbrennungsquelle, die ein Funke, ein Lichtbogen oder einfach eine chemische Reaktion mit einer großen Menge freigesetzter Wärme sein kann. Durch die Verwendung von Stickstoff kann diese Situation vermieden werden. Wenn die Stickstoffkonzentration in der Umgebung 90 % beträgt, findet keine Entzündung statt.
• Sowohl stationäre Stickstoffanlagen als auch mobile Stickstoffproduktionsstationen können Brände wirksam verhindern. Mit ihrer Hilfe kann auch die Zündquelle erfolgreich gelöscht werden.

Die Medizin

• Bei Forschungen in Labors, für Krankenhausanalysen.

Bergbauindustrie

• In Kohlebergwerken wird Stickstoff auch zur Brandbekämpfung benötigt.

Arzneimittel

• Stickstoff wird zum Verpacken, Transportieren und Verdrängen von Sauerstoff aus einer Vielzahl von Produkttanks verwendet.

Lebensmittelindustrie

• Stickstoff ist notwendig für den Umschlag, die Lagerung, die Verpackung von Lebensmitteln (insbesondere Käse und Öl- und Fettprodukte, die durch Sauerstoff sehr schnell oxidiert werden), um ihre Haltbarkeit zu verlängern und auch um den Geschmack dieser Produkte zu erhalten.
• Eine Mischung aus Stickstoff und Kohlendioxid hilft, das Wachstum von Bakterien zu stoppen.
• Stickstoff, der eine inerte Umgebung schafft, ermöglicht es Ihnen, Lebensmittel vor schädlichen Insekten zu schützen.
• Stickstoff wirkt als Verdünnungsmittel, um ein Gasgemisch zu erzeugen.

Zellstoff- und Papierindustrie

• Stickstoff wird in Kathodenstrahlprozessen auf Papier, Pappe und sogar einigen Holzprodukten verwendet, um Lackbeschichtungen zu härten. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Kosten für Photoinitiatoren zu senken, sowie die Emission flüchtiger Verbindungen zu reduzieren und die Verarbeitungsqualität zu verbessern.

Daher gibt es viele Industrien, in denen Stickstoff verwendet wird. Und all dies beweist seine Vielseitigkeit und Relevanz.

DEFINITION

Stickstoff- das siebte Element des Periodensystems. Bezeichnung - N vom lateinischen "Stickstoff". Befindet sich in der zweiten Periode, VA-Gruppe. Bezieht sich auf Nichtmetalle. Die Kernladung beträgt 7.

Der größte Teil des Stickstoffs befindet sich im freien Zustand. Freier Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Luft, die 78,2 % (Vol.) Stickstoff enthält. Anorganische Stickstoffverbindungen kommen in der Natur nicht in großen Mengen vor, mit Ausnahme von Natriumnitrat NaNO 3, das an der Pazifikküste in Chile dicke Schichten bildet. Der Boden enthält geringe Mengen an Stickstoff, hauptsächlich in Form von Salpetersäuresalzen. Aber in Form komplexer organischer Verbindungen - Proteine ​​- ist Stickstoff Bestandteil aller lebenden Organismen.

In Form einer einfachen Substanz ist Stickstoff ein farbloses Gas, geruchlos und sehr wenig wasserlöslich. Es ist etwas leichter als Luft: Die Masse von 1 Liter Stickstoff beträgt 1,25 g.

Atom- und Molekulargewicht von Stickstoff

Die relative Atommasse eines Elements ist das Verhältnis der Masse eines Atoms eines bestimmten Elements zu 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms. Die relative Atommasse ist dimensionslos und wird mit A r bezeichnet (der Index „r“ ist der Anfangsbuchstabe des englischen Wortes relative, was übersetzt „relativ“ bedeutet). Die relative Atommasse von atomarem Stickstoff beträgt 14,0064 amu.

Die Massen von Molekülen werden genau wie die Massen von Atomen in atomaren Masseneinheiten ausgedrückt. Das Molekulargewicht einer Substanz ist die Masse eines Moleküls, ausgedrückt in atomaren Masseneinheiten. Das relative Molekulargewicht einer Substanz ist das Verhältnis der Masse eines Moleküls einer bestimmten Substanz zu 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms, dessen Masse 12 amu beträgt. Es ist bekannt, dass das Stickstoffmolekül zweiatomiges N 2 ist. Das relative Molekulargewicht eines Stickstoffmoleküls ist gleich:

Herr (N 2) \u003d 14,0064 × 2 ≈ 28.

Isotope von Stickstoff

In der Natur kommt Stickstoff in Form von zwei stabilen Isotopen vor, 14 N (99,635 %) und 15 N (0,365 %). Ihre Massenzahlen sind 14 bzw. 15. Der Kern des 14 N-Stickstoffisotops enthält sieben Protonen und sieben Neutronen, und das 15 N-Isotop enthält die gleiche Anzahl von Protonen und sechs Neutronen.

Es gibt vierzehn künstliche Stickstoffisotope mit Massenzahlen von 10 bis 13 und von 16 bis 25, von denen das stabilste Isotop 13 N mit einer Halbwertszeit von 10 Minuten ist.

Stickstoffionen

Auf der äußeren Energieebene des Stickstoffatoms gibt es fünf Valenzelektronen:

1s 2 2s 2 2p 3 .

Die Struktur des Stickstoffatoms ist unten gezeigt:

Durch chemische Wechselwirkung kann Stickstoff seine Valenzelektronen verlieren, d.h. ihr Donor sein und sich in positiv geladene Ionen verwandeln oder Elektronen von einem anderen Atom aufnehmen, d.h. ihr Akzeptor sein und sich in negativ geladene Ionen verwandeln:

N 0 –5e → N 2+;

N 0 –4e → N 4+;

N 0 –3e → N 3+;

N 0 –2e → N 2+ ;

N 0 –1e → N 1+;

N 0 +1e → N 1– ;

N 0 +2e → N 2– ;

N 0 +3e → N 3– .

Molekül und Atom von Stickstoff

Das Stickstoffmolekül besteht aus zwei Atomen - N 2 . Hier sind einige Eigenschaften, die das Stickstoffatom und -molekül charakterisieren:

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung	Zur Bildung von Ammoniumchlorid wurden 11,2 l (n.o.) gasförmiges Ammoniak und 11,4 l (n.o.) Chlorwasserstoff entnommen. Welche Masse hat das entstehende Reaktionsprodukt?
Lösung	Schreiben wir die Reaktionsgleichung zur Gewinnung von Ammoniumchlorid aus Ammoniak und Chlorwasserstoff: NH 3 + HCl = NH 4 Cl. Finden Sie die Molzahl der Ausgangsstoffe: n (NH 3) \u003d V (NH 3) / V m; n (NH 3) \u003d 11,2 / 22,4 \u003d 0,5 mol. n (HCl) \u003d V (NH 3) / V m; n(HCl) = 11,4 / 22,4 = 0,51 mol. n(NH3) n (NH 4 Cl) \u003d n (NH 3) \u003d 0,5 mol. Dann ist die Masse an Ammoniumchlorid gleich: M (NH 4 Cl) \u003d 14 + 4 × 1 + 35,5 \u003d 53,5 g / mol. m (NH 4 Cl) \u003d n (NH 4 Cl) × M (NH 4 Cl); m (NH 4 Cl) \u003d 0,5 × 53,5 \u003d 26,75 g.
Antworten	26,75 g

BEISPIEL 2

Übung	10,7 g Ammoniumchlorid wurden mit 6 g Calciumhydroxid vermischt und die Mischung erhitzt. Welches Gas und wie viel davon nach Masse und Volumen wurde freigesetzt (n.a.g.)?
Lösung	Schreiben wir die Reaktionsgleichung für die Wechselwirkung von Ammoniumchlorid mit Calciumhydroxid: 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 3 – + 2H 2 O. Bestimmen Sie, welcher der beiden Reaktanten im Überschuss vorhanden ist. Dazu berechnen wir ihre Anzahl an Molen: M(NH 4 Cl) = A r (N) + 4 × A r (H) + A r (Cl); M(NH 4 Cl) \u003d 14 + 4 × 1 + 35,5 \u003d 53,5 g / mol. n (NH 4 Cl) \u003d m (NH 4 Cl) / M (NH 4 Cl); n (NH 4 Cl) \u003d 10,7 / 53,5 \u003d 0,1 mol. M(Ca(OH) 2) = A r (Ca) + 2 × A r (H) + 2 × A r (O); M (Ca (OH) 2) \u003d 40 + 2 × 1 + 2 × 16 \u003d 42 + 32 \u003d 74 g / mol. n (Ca (OH) 2) \u003d m (Ca (OH) 2) / M (Ca (OH) 2); n (Ca (OH) 2) \u003d 6/74 \u003d 0,08 mol. n(Ca(OH)2) n (NH 3) \u003d 2 × n (Ca (OH) 2) \u003d 2 × 0,08 \u003d 0,16 mol. Dann ist die Ammoniakmasse gleich: M(NH 3) \u003d A r (N) + 3 × A r (H) \u003d 14 + 3 × 1 \u003d 17 g / mol. m (NH 3) \u003d n (NH 3) × M (NH 3) \u003d 0,16 × 17 \u003d 2,72 g. Das Ammoniakvolumen beträgt: V (NH 3) \u003d n (NH 3) × V m; V (NH 3) \u003d 0,16 × 22,4 \u003d 3,584 l.
Antworten	Als Ergebnis der Reaktion wurde Ammoniak mit einem Volumen von 3,584 Litern und einer Masse von 2,72 g gebildet.

Das nichtmetallische Element der 15. Gruppe des Periodensystems - Stickstoff, von dem 2 Atome zusammen ein Molekül bilden, ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das den größten Teil der Erdatmosphäre ausmacht und ein wesentlicher Bestandteil davon ist das ganze Leben.

Entdeckungsgeschichte

Stickstoffgas macht etwa 4/5 der Erdatmosphäre aus. Es wurde während der frühen Luftforschung isoliert. 1772 demonstrierte der schwedische Chemiker Karl-Wilhelm Scheele als erster, was Stickstoff ist. Seiner Meinung nach ist Luft eine Mischung aus zwei Gasen, von denen er das eine "feurige Luft" nannte, weil es die Verbrennung unterstützte, und das andere - "unreine Luft", weil es nach dem Verbrauch des ersten übrig blieb. Sie waren Sauerstoff und Stickstoff. Etwa zur gleichen Zeit wurde Stickstoff durch den schottischen Botaniker Daniel Rutherford isoliert, der seine Ergebnisse als Erster veröffentlichte, sowie durch den britischen Chemiker Henry Cavendish und den britischen Geistlichen und Wissenschaftler Joseph Priestley, der mit Scheele die Entdeckung des Sauerstoffs teilte. Weitere Forschungen zeigten, dass das neue Gas Teil von Salpeter oder Kaliumnitrat (KNO 3) war, und dementsprechend wurde es 1790 von dem französischen Chemiker Chaptal Stickstoff ("Nitre-produzierend") genannt. Stickstoff wurde zuerst der Chemikalie zugeordnet Elemente von Lavoisier, dessen Erklärung der Rolle des Sauerstoffs bei der Verbrennung die im 18. Jahrhundert populäre Phlogiston-Theorie widerlegte. Irrtum über Verbrennung. Die Unfähigkeit dieses chemischen Elements, Leben zu unterstützen (auf Griechisch ζωή), veranlasste Lavoisier, das Gas Stickstoff zu nennen.

Entstehung und Verbreitung

Was ist Stickstoff? In Bezug auf die Prävalenz chemischer Elemente steht es an sechster Stelle. Die Atmosphäre der Erde besteht zu 75,51 Gew.-% und zu 78,09 Vol.-% aus diesem Element und ist seine Hauptquelle für die Industrie. Die Atmosphäre enthält auch eine geringe Menge Ammoniak und Ammoniumsalze sowie Stickoxide und entsteht bei Gewittern sowie in Verbrennungsmotoren. Freier Stickstoff findet sich in vielen Meteoriten, Vulkan- und Grubengasen und einigen Mineralquellen, in der Sonne, in Sternen und Nebeln.

Stickstoff findet sich auch in den Mineralvorkommen von Kalium- und Natriumnitrat, aber diese reichen nicht aus, um den menschlichen Bedarf zu decken. Ein weiteres Material, das reich an diesem Element ist, ist Guano, das in Höhlen mit vielen Fledermäusen oder an trockenen, von Vögeln frequentierten Orten zu finden ist. Stickstoff kommt auch in Regen und Boden in Form von Ammoniak und Ammoniumsalzen und im Meerwasser in Form von Ammoniumionen (NH 4 +), Nitriten (NO 2 -) und Nitraten (NO 3 -) vor. Im Durchschnitt macht es etwa 16 % der komplexen organischen Verbindungen wie Proteine ​​aus, die in allen lebenden Organismen vorhanden sind. Sein natürlicher Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,3 Teile pro 1000. Die Prävalenz im Weltraum beträgt 3 bis 7 Atome pro Siliziumatom.

Die größten Stickstoff produzierenden Länder (in Form von Ammoniak) zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren Indien, Russland, die USA, Trinidad und Tobago und die Ukraine.

Kommerzielle Produktion und Nutzung

Die industrielle Herstellung von Stickstoff basiert auf der fraktionierten Destillation verflüssigter Luft. Sein Siedepunkt liegt mit -195,8 °C um 13 °C unter dem des abgetrennten Sauerstoffs. Stickstoff kann auch in großem Maßstab hergestellt werden, indem Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoffe in der Luft verbrannt und das dabei entstehende Kohlendioxid und Wasser vom Reststickstoff getrennt werden. In kleinem Maßstab wird reiner Stickstoff durch Erhitzen von Bariumazid Ba(N 3 ) 2 hergestellt. Laborreaktionen umfassen das Erhitzen einer Ammoniumnitritlösung (NH 4 NO 2), die Oxidation von Ammoniak mit einer wässrigen Bromlösung oder das Erhitzen:

• NH 4 + + NO 2 – → N 2 + 2H 2 O.
• 8NH 3 + 3Br 2 →N 2 + 6NH 4 + + 6Br –.
• 2NH 3 + 3CuO → N 2 + 3H 2 O + 3Cu.

Elementarer Stickstoff kann als inerte Atmosphäre für Reaktionen verwendet werden, die den Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit erfordern. Anwendung findet auch flüssiger Stickstoff. Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Fluor und Sauerstoff sind die einzigen Stoffe, die beim Siedepunkt von Stickstoff nicht in einen festen kristallinen Zustand übergehen.

In der chemischen Industrie wird diese Chemikalie verwendet, um Produktoxidation oder andere Verschlechterungen zu verhindern, als inertes Verdünnungsmittel für reaktive Gase, zum Entfernen von Hitze oder Chemikalien und als Feuer- oder Explosionshemmer. In der Lebensmittelindustrie wird Stickstoffgas verwendet, um den Verderb von Lebensmitteln zu verhindern, und flüssiger Stickstoff wird zur Gefriertrocknung und in Kühlsystemen verwendet. In der Elektroindustrie verhindert das Gas Oxidation und andere chemische Reaktionen, setzt den Kabelmantel unter Druck und schützt Elektromotoren. In der Metallurgie wird Stickstoff beim Schweißen und Löten verwendet, um Oxidation, Aufkohlung und Entkohlung zu verhindern. Als inaktives Gas wird es bei der Herstellung von Zellkautschuk, Kunststoffen und Elastomeren verwendet, es dient als Treibmittel in Aerosoldosen und setzt flüssige Treibmittel in Düsenflugzeugen unter Druck. In der Medizin wird das schnelle Einfrieren mit flüssigem Stickstoff verwendet, um Blut, Knochenmark, Gewebe, Bakterien und Samen zu konservieren. Es hat auch Anwendung in der kryogenen Forschung gefunden.

Verbindungen

Der größte Teil des Stickstoffs wird zur Herstellung chemischer Verbindungen verwendet. Die Dreifachbindung zwischen den Atomen des Elements ist so stark (226 kcal pro Mol, doppelt so viel wie molekularer Wasserstoff), dass das Stickstoffmolekül kaum andere Verbindungen eingeht.

Die wichtigste industrielle Methode zur Fixierung eines Elements ist das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese, das während des Ersten Weltkriegs entwickelt wurde, um die Abhängigkeit Deutschlands davon zu verringern.Es beinhaltet die direkte Synthese von NH 3 - einem farblosen Gas mit einem stechenden, reizenden Geruch - direkt aus seinen Elementen.

Der größte Teil des Ammoniaks wird in Salpetersäure (HNO 3) und Nitrate umgewandelt - Salze und Ester von Salpetersäure, Soda (Na 2 CO 3), Hydrazin (N 2 H 4) - eine farblose Flüssigkeit, die als Raketentreibstoff und in vielen verwendet wird industrielle Prozesse.

Salpetersäure ist die andere wichtige kommerzielle Verbindung dieses chemischen Elements. Eine farblose, stark ätzende Flüssigkeit, die bei der Herstellung von Düngemitteln, Farbstoffen, Medikamenten und Sprengstoffen verwendet wird. Ammoniumnitrat (NH 4 NO 3) – ein Salz aus Ammoniak und Salpetersäure – ist der häufigste Bestandteil von Stickstoffdüngern.

Stickstoff + Sauerstoff

Mit Sauerstoff bildet Stickstoff eine Reihe von Oxiden, darunter Distickstoffmonoxid (N 2 O), dessen Wertigkeit +1 ist, Oxid (NO) (+2) und Dioxid (NO 2) (+4). Viele Stickoxide sind extrem flüchtig; Sie sind die Hauptquellen der Luftverschmutzung. Lachgas, auch als Lachgas bekannt, wird manchmal als Anästhetikum verwendet. Beim Einatmen verursacht es eine leichte Hysterie. Stickoxid reagiert schnell mit Sauerstoff zu braunem Kohlendioxid, einem Zwischenprodukt und starken Oxidationsmittel in chemischen Prozessen und Raketentreibstoffen.

Ebenfalls verwendet werden einige Nitride, die durch die Kombination von Metallen mit Stickstoff bei erhöhten Temperaturen gebildet werden. Bor-, Titan-, Zirkonium- und Tantalnitride haben spezielle Anwendungen. Eine kristalline Form von Bornitrid (BN) zum Beispiel ist Diamant in der Härte nicht unterlegen und oxidiert nicht gut, weshalb es als Hochtemperatur-Schleifmittel verwendet wird.

Anorganische Cyanide enthalten die CN-Gruppe. Cyanwasserstoff oder HCN ist ein hochflüchtiges und hochgiftiges Gas, das bei der Begasung, Erzkonzentration und anderen industriellen Prozessen verwendet wird. Cyanogen (CN) 2 wird als chemisches Zwischenprodukt und zur Begasung verwendet.

Azide sind Verbindungen, die eine Gruppe von drei Stickstoffatomen -N 3 enthalten. Die meisten von ihnen sind instabil und sehr stoßempfindlich. Einige von ihnen, wie Bleiazid Pb(N 3 ) 2 , werden in Zündern und Zündhütchen verwendet. Azide interagieren wie Halogene leicht mit anderen Substanzen und bilden viele Verbindungen.

Stickstoff ist Bestandteil mehrerer tausend organischer Verbindungen. Die meisten von ihnen sind Derivate von Ammoniak, Cyanwasserstoff, Cyanid, Salpetrig- oder Salpetersäure. Amine, Aminosäuren, Amide beispielsweise leiten sich von Ammoniak ab oder sind eng verwandt mit diesem. Nitroglycerin und Nitrocellulose sind Ester der Salpetersäure. Nitrite werden aus salpetriger Säure (HNO 2) gewonnen. Purine und Alkaloide sind heterocyclische Verbindungen, in denen Stickstoff ein oder mehrere Kohlenstoffatome ersetzt.

Eigenschaften und Reaktionen

Was ist Stickstoff? Es ist ein farb- und geruchloses Gas, das bei -195,8 °C zu einer farblosen, dünnflüssigen Flüssigkeit kondensiert. Das Element existiert in Form von N 2 -Molekülen, dargestellt als: N::: N:, in dem die Bindungsenergie von 226 kcal pro Mol nur von Kohlenmonoxid (256 kcal pro Mol) übertroffen wird. Aus diesem Grund ist die Aktivierungsenergie von molekularem Stickstoff sehr hoch, sodass das Element unter normalen Bedingungen relativ inert ist. Außerdem trägt das hochstabile Stickstoffmolekül zu einem großen Teil zur thermodynamischen Instabilität vieler stickstoffhaltiger Verbindungen bei, in denen die Bindungen, obwohl ziemlich stark, den Bindungen von molekularem Stickstoff unterlegen sind.

Relativ kürzlich und unerwartet wurde die Fähigkeit von Stickstoffmolekülen entdeckt, als Liganden in komplexen Verbindungen zu dienen. Die Beobachtung, dass einige Lösungen von Rutheniumkomplexen atmosphärischen Stickstoff absorbieren können, hat dazu geführt, dass bald ein einfacherer und besserer Weg gefunden werden könnte, dieses Element zu fixieren.

Aktiver Stickstoff kann erhalten werden, indem ein Niederdruckgas durch eine elektrische Hochspannungsentladung geleitet wird. Das Produkt leuchtet gelb und reagiert viel leichter als molekulare Produkte mit atomarem Wasserstoff, Schwefel, Phosphor und verschiedenen Metallen und ist auch in der Lage, NO zu N 2 und O 2 zu zersetzen.

Eine klarere Vorstellung davon, was Stickstoff ist, kann aus seiner elektronischen Struktur gewonnen werden, die die Form 1s 2 2s 2 2p 3 hat. Die fünf Elektronen der äußeren Schalen schirmen die Ladung schwach ab, wodurch die effektive Kernladung im Abstand des Kovalenzradius spürbar wird. Stickstoffatome sind relativ klein und stark elektronegativ und befinden sich zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff. Die elektronische Konfiguration umfasst drei halbgefüllte äußere Orbitale, die die Bildung von drei kovalenten Bindungen ermöglichen. Daher muss das Stickstoffatom extrem reaktiv sein und mit den meisten anderen Elementen stabile binäre Verbindungen bilden, insbesondere wenn das andere Element eine signifikant andere Elektronegativität aufweist, was den Bindungen eine signifikante Polarität verleiht. Wenn die Elektronegativität eines anderen Elements niedriger ist, verleiht die Polarität dem Stickstoffatom eine teilweise negative Ladung, die seine nicht geteilten Elektronen freisetzt, um an Koordinationsbindungen teilzunehmen. Wenn das andere Element elektronegativer ist, schränkt die teilweise positive Ladung von Stickstoff die Donoreigenschaften des Moleküls stark ein. Bei geringer Polarität der Bindung überwiegen aufgrund der gleichen Elektronegativität des anderen Elements Mehrfachbindungen gegenüber Einfachbindungen. Wenn eine Fehlanpassung der Atomgröße die Bildung von Mehrfachbindungen verhindert, dann ist die gebildete Einfachbindung wahrscheinlich relativ schwach und die Bindung wird instabil sein.

Analytische Chemie

Häufig kann der Stickstoffanteil in einem Gasgemisch durch Volumenmessung bestimmt werden, nachdem die anderen Komponenten von den Chemikalien absorbiert wurden. Die Zersetzung von Nitraten mit Schwefelsäure in Gegenwart von Quecksilber setzt Stickstoffmonoxid frei, das als Gas gemessen werden kann. Stickstoff wird aus organischen Verbindungen freigesetzt, wenn sie über Kupferoxid verbrannt werden, und freier Stickstoff kann als Gas gemessen werden, nachdem andere Verbrennungsprodukte verbraucht wurden. Die bekannte Kjeldahl-Methode zur Bestimmung des Gehalts des betrachteten Stoffes in organischen Verbindungen besteht in der Zersetzung der Verbindung mit konzentrierter Schwefelsäure (ggf. Quecksilber oder sein Oxid sowie verschiedene Salze enthaltend). Dadurch wird Stickstoff in Ammoniumsulfat umgewandelt. Die Zugabe von Natriumhydroxid setzt Ammoniak frei, das mit normaler Säure aufgefangen wird; die Restmenge an nicht umgesetzter Säure wird dann durch Titration bestimmt.

Biologische und physiologische Bedeutung

Die Rolle von Stickstoff in lebender Materie bestätigt die physiologische Aktivität seiner organischen Verbindungen. Die meisten lebenden Organismen können dieses chemische Element nicht direkt verwenden und müssen Zugang zu seinen Verbindungen haben. Daher ist die Stickstofffixierung von großer Bedeutung. In der Natur geschieht dies als Ergebnis von zwei Hauptprozessen. Eine davon ist die Einwirkung elektrischer Energie auf die Atmosphäre, wodurch die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle dissoziieren, wodurch freie Atome NO und NO 2 bilden können. Das Dioxid reagiert dann mit Wasser: 3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO.

HNO 3 löst sich auf und kommt mit Regen als schwache Lösung auf die Erde. Im Laufe der Zeit wird die Säure Teil des gebundenen Bodenstickstoffs, wo sie neutralisiert wird und Nitrite und Nitrate bildet. Der N-Gehalt in kultivierten Böden wird üblicherweise durch die Anwendung von Düngemitteln, die Nitrate und Ammoniumsalze enthalten, wiederhergestellt. Durch die Ausscheidungen von Tieren und Pflanzen und deren Abbau werden Stickstoffverbindungen in Boden und Luft zurückgeführt.

Der andere Hauptprozess der natürlichen Fixierung ist die vitale Aktivität der Hülsenfrüchte. Durch Symbiose mit Bakterien sind diese Kulturen in der Lage, Luftstickstoff direkt in seine Verbindungen umzuwandeln. Einige Mikroorganismen wie Azotobacter Chroococcum und Clostridium pasteurianum sind in der Lage, N selbst zu fixieren.

Das Gas selbst ist aufgrund seiner Inertheit harmlos, außer wenn es unter Druck eingeatmet wird, und löst sich in höheren Konzentrationen in Blut und anderen Körperflüssigkeiten auf. Dadurch entsteht eine narkotische Wirkung, und bei zu schnellem Druckabbau wird überschüssiger Stickstoff in Form von Gasbläschen an verschiedenen Stellen im Körper freigesetzt. Dies kann zu Muskel- und Gelenkschmerzen, Ohnmacht, teilweiser Lähmung und sogar zum Tod führen. Diese Symptome werden als Dekompressionskrankheit bezeichnet. Wer unter solchen Bedingungen Luft atmen muss, muss daher den Druck sehr langsam auf Normaldruck reduzieren, damit überschüssiger Stickstoff ohne Blasenbildung durch die Lunge ausgestoßen werden kann. Die beste Alternative ist die Verwendung einer Mischung aus Sauerstoff und Helium zum Atmen. Helium ist in Körperflüssigkeiten viel weniger löslich und die Gefahr wird verringert.

Isotope

Stickstoff liegt in Form von zwei stabilen Isotopen vor: 14N (99,63%) und 15N (0,37%). Sie können durch chemischen Austausch oder durch thermische Diffusion getrennt werden. Die Masse von Stickstoff in Form von künstlichen radioaktiven Isotopen liegt im Bereich von 10-13 und 16-24. Die stabilste Halbwertszeit beträgt 10 Minuten. Die erste künstlich induzierte Kerntransmutation wurde 1919 von einem britischen Physiker durchgeführt, der durch Beschuss von Stickstoff-14 mit Alphateilchen Sauerstoff-17-Kerne und Protonen erzeugte.

Eigenschaften

Abschließend listen wir die wichtigsten Eigenschaften von Stickstoff auf:

• Ordnungszahl: 7.
• Atommasse von Stickstoff: 14,0067.
• Schmelzpunkt: -209,86 °C.
• Siedepunkt: -195,8 °C.
• Dichte (1 atm, 0 °C): 1,2506 g Stickstoff pro Liter.
• Übliche Oxidationsstufen: -3, +3, +5.
• Elektronenkonfiguration: 1s 2 2s 2 2p 3 .

Stickstoff ist ein Element der Hauptuntergruppe der fünften Gruppe der zweiten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente mit der Ordnungszahl 7. Es wird mit dem Symbol N (lat. Nitrogenium) bezeichnet. Der Einfachstoff Stickstoff (CAS-Nummer: 7727-37-9) ist ein unter Normalbedingungen recht inertes, farb-, geschmacks- und geruchloses zweiatomiges Gas (Formel N 2), aus dem drei Viertel der Erdatmosphäre bestehen.

Entdeckungsgeschichte

1772 führte Henry Cavendish das folgende Experiment durch: Er leitete wiederholt Luft über heiße Kohle und behandelte sie dann mit Alkali, was zu einem Rückstand führte, den Cavendish erstickende (oder mephitische) Luft nannte. Vom Standpunkt der modernen Chemie aus ist klar, dass bei der Reaktion mit heißer Kohle der Luftsauerstoff zu Kohlendioxid gebunden wurde, das dann vom Alkali absorbiert wurde. Der Rest des Gases war hauptsächlich Stickstoff. So isolierte Cavendish Stickstoff, verstand aber nicht, dass dies eine neue einfache Substanz (chemisches Element) ist. Im selben Jahr berichtete Cavendish Joseph Priestley von der Erfahrung.
Priestley führte damals eine Reihe von Experimenten durch, bei denen er auch den Luftsauerstoff bindet und das dabei entstehende Kohlendioxid entfernt, also auch Stickstoff erhält, jedoch als Anhänger der damals vorherrschenden Phlogiston-Theorie völlig die erhaltenen Ergebnisse falsch interpretiert (seiner Meinung nach war der Prozess umgekehrt - dem Gasgemisch wurde kein Sauerstoff entzogen, sondern im Gegenteil, durch das Brennen wurde die Luft mit Phlogiston gesättigt; er nannte die verbleibende Luft (Stickstoff ) mit Phlogiston gesättigt, dh phlogistisch). Es ist offensichtlich, dass Priestley, obwohl er in der Lage war, Stickstoff zu isolieren, die Essenz seiner Entdeckung nicht verstanden hat und daher nicht als Entdecker des Stickstoffs gilt.
Gleichzeitig wurden ähnliche Versuche mit dem gleichen Ergebnis von Karl Scheele durchgeführt.
1772 wurde Stickstoff (unter dem Namen „verdorbene Luft“) als einfache Substanz von Daniel Rutherford beschrieben, er veröffentlichte seine Magisterarbeit, in der er die wesentlichen Eigenschaften des Stickstoffs angab (reagiert nicht mit Alkalien, unterstützt nicht die Verbrennung, ungeeignet zum Atmen). Als Entdecker des Stickstoffs gilt Daniel Rutherford. Rutherford war jedoch auch ein Anhänger der Phlogiston-Theorie, daher konnte er auch nicht verstehen, was er herausgegriffen hatte. Somit ist es unmöglich, den Entdecker des Stickstoffs eindeutig zu identifizieren.
Später wurde Stickstoff von Henry Cavendish untersucht (eine interessante Tatsache ist, dass es ihm gelang, Stickstoff mit Sauerstoff durch elektrische Stromentladungen zu binden, und nachdem er Stickoxide im Rückstand absorbiert hatte, erhielt er eine kleine Menge Gas, absolut inert, wie in Im Fall von Stickstoff konnte ich nicht verstehen, dass ich ein neues chemisches Element isoliert hatte - das Edelgas Argon).

Herkunft des Namens

Stickstoff (von anderen griechischen ἄζωτος - leblos, lat. Nitrogenium) anstelle der früheren Namen ("phlogistische", "mephitische" und "verdorbene" Luft) wurde 1787 von Antoine Lavoisier vorgeschlagen, der zu dieser Zeit Teil einer Gruppe war anderer französischer Wissenschaftler entwickelten die Prinzipien der chemischen Nomenklatur. Wie oben gezeigt, war schon damals bekannt, dass Stickstoff weder die Verbrennung noch die Atmung unterstützt. Diese Eigenschaft wurde als die wichtigste angesehen. Obwohl sich später herausstellte, dass Stickstoff im Gegenteil für alle Lebewesen lebensnotwendig ist, ist der Name auf Französisch und Russisch erhalten geblieben.
Es gibt eine andere Version. Das Wort "Stickstoff" wurde nicht von Lavoisier oder seinen Kollegen in der Nomenklaturkommission geprägt; es fand bereits im frühen Mittelalter Einzug in die alchemistische Literatur und bezeichnete die „Urmaterie der Metalle“, die als das „Alpha und Omega“ aller Dinge galt. Dieser Ausdruck ist der Apokalypse entlehnt: „Ich bin Alpha und Omega, der Anfang und das Ende“ (Offb 1,8-10). Das Wort setzt sich aus den Anfangs- und Endbuchstaben der Alphabete dreier Sprachen – Latein, Griechisch und Hebräisch – zusammen, die als „heilig“ gelten, weil laut den Evangelien die Inschrift am Kreuz bei der Kreuzigung Christi gemacht wurde in diesen Sprachen (a, alpha, aleph und zet, omega, tav - AAAZOTH). Die Verfasser der neuen chemischen Nomenklatur waren sich der Existenz dieses Wortes wohl bewusst; der Initiator seiner Entstehung, Guiton de Morvo, verwies in seiner „Methodological Encyclopedia“ (1786) auf die alchemistische Bedeutung des Begriffs.
Vielleicht stammt das Wort „Stickstoff“ von einem von zwei arabischen Wörtern – entweder von dem Wort „az-zat“ („Essenz“ oder „innere Realität“) oder von dem Wort „zibak“ („Quecksilber“).
Im Lateinischen wird Stickstoff "Stickstoff" genannt, das heißt "Salpeter gebären"; der englische Name leitet sich aus dem Lateinischen ab. Im Deutschen wird der Name Stickstoff verwendet, was „erstickende Substanz“ bedeutet.

Kassenbon

In Laboratorien kann es durch die Zersetzungsreaktion von Ammoniumnitrit gewonnen werden:
NH 4 NO 2 → N2 + 2H 2 O

Die Reaktion ist exotherm und setzt 80 kcal (335 kJ) frei, so dass während ihres Verlaufs eine Kühlung des Gefäßes erforderlich ist (obwohl Ammoniumnitrit zum Starten der Reaktion erforderlich ist).
In der Praxis wird diese Reaktion durchgeführt, indem eine gesättigte Lösung von Natriumnitrit zu einer erhitzten gesättigten Lösung von Ammoniumsulfat getropft wird, während sich das als Ergebnis der Austauschreaktion gebildete Ammoniumnitrit sofort zersetzt.
Das dabei freigesetzte Gas ist mit Ammoniak, Stickstoffmonoxid (I) und Sauerstoff verunreinigt, von dem es gereinigt wird, indem es nacheinander durch Lösungen von Schwefelsäure, Eisen(II)-sulfat und über heißes Kupfer geleitet wird. Der Stickstoff wird dann getrocknet.
Eine andere Labormethode zur Gewinnung von Stickstoff ist das Erhitzen einer Mischung aus Kaliumdichromat und Ammoniumsulfat (im Gewichtsverhältnis 2:1). Die Reaktion verläuft nach den Gleichungen:
K 2 Cr 2 O 7 + (NH 4) 2 SO 4 \u003d (NH 4) 2 Cr 2 O 4 + K 2 SO 4 (NH 4) 2 Cr 2 O 7 → (t) Cr 2 O 3 + N 2 + 4H2O

Der reinste Stickstoff kann durch Zersetzung von Metallaziden erhalten werden:
2NaN 3 →(t) 2Na + 3N 2

Der sogenannte „Luft“- oder „atmosphärische“ Stickstoff, also ein Gemisch aus Stickstoff und Edelgasen, wird durch Reaktion von Luft mit heißem Koks gewonnen:
O2 + 4N2 + 2C → 2CO + 4N2

In diesem Fall wird das sogenannte "Generator" - oder "Luft" -Gas gewonnen - Rohstoffe für die chemische Synthese und Kraftstoff. Bei Bedarf kann daraus Stickstoff durch Aufnahme von Kohlenmonoxid freigesetzt werden.
Molekularer Stickstoff wird industriell durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft hergestellt. Dieses Verfahren kann auch zur Gewinnung von "atmosphärischem Stickstoff" verwendet werden. Weit verbreitet sind auch Stickstoffanlagen und -stationen, die nach dem Verfahren der Adsorption und Membrangastrennung arbeiten.
Eine der Labormethoden besteht darin, Ammoniak bei einer Temperatur von ~700 °C über Kupfer(II)-oxid zu leiten:
2NH 3 + 3CuO → N 2 + 3H 2 O + 3Cu

Ammoniak wird seiner gesättigten Lösung durch Erhitzen entzogen. Die CuO-Menge ist doppelt so hoch wie die berechnete. Unmittelbar vor der Verwendung wird Stickstoff durch Überleiten von Kupfer und dessen Oxid (II) (ebenfalls ~700 °C) von Sauerstoff- und Ammoniakverunreinigungen gereinigt und anschließend mit konzentrierter Schwefelsäure und trockenem Alkali getrocknet. Der Prozess ist ziemlich langsam, aber es lohnt sich: Das Gas ist sehr rein.

Physikalische Eigenschaften

Unter Normalbedingungen ist Stickstoff ein farbloses Gas, geruchlos, schwer wasserlöslich (2,3 ml/100 g bei 0 °C, 0,8 ml/100 g bei 80 °C), Dichte 1,2506 kg/m³ (at.).
In flüssigem Zustand (Siedepunkt -195,8 ° C) - eine farblose, bewegliche Flüssigkeit wie Wasser. Die Dichte von flüssigem Stickstoff beträgt 808 kg/m³. Bei Kontakt mit Luft nimmt es daraus Sauerstoff auf.
Bei −209,86 °C erstarrt Stickstoff als schneeartige Masse oder große schneeweiße Kristalle. Bei Kontakt mit Luft nimmt es Sauerstoff auf, während es schmilzt und eine Lösung von Sauerstoff in Stickstoff bildet.

Salpeter - so wird das Wort Nitrogenium aus dem Lateinischen übersetzt. So heißt Stickstoff, ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 7, das in der langen Version des Periodensystems die 15. Gruppe anführt. In Form einer einfachen Substanz verteilt es sich in der Lufthülle der Erde - der Atmosphäre. Eine Vielzahl von Stickstoffverbindungen kommt in der Erdkruste und in lebenden Organismen vor und wird in großem Umfang in Industrie, Militär, Landwirtschaft und Medizin verwendet.

Warum Stickstoff als „erstickend“ und „leblos“ bezeichnet wurde

Wie Chemiehistoriker andeuten, war Henry Cavendish (1777) der erste, der diese einfache Substanz erhielt. Der Wissenschaftler leitete Luft über heiße Kohlen und absorbierte die Reaktionsprodukte mit Alkali. Als Ergebnis des Experiments entdeckte der Forscher ein farb- und geruchloses Gas, das nicht mit Kohle reagierte. Cavendish nannte es "erstickende Luft", weil es nicht in der Lage ist, sowohl die Atmung als auch die Verbrennung aufrechtzuerhalten.

Ein moderner Chemiker würde erklären, dass Sauerstoff mit Kohlenstoff zu Kohlendioxid reagiert. Der verbleibende „erstickende“ Teil der Luft bestand hauptsächlich aus N 2 -Molekülen. Cavendish und andere Wissenschaftler kannten diese Substanz damals noch nicht, obwohl Stickstoff- und Salpeterverbindungen damals in der Wirtschaft weit verbreitet waren. Der Wissenschaftler berichtete seinem Kollegen Joseph Priestley, der ähnliche Experimente durchführte, von einem ungewöhnlichen Gas.

Gleichzeitig machte Karl Scheele auf einen unbekannten Bestandteil der Luft aufmerksam, erklärte aber dessen Herkunft nicht richtig. Erst Daniel Rutherford erkannte 1772, dass das „erstickende“, „verdorbene“ Gas, das in den Experimenten vorhanden war, Stickstoff war. Welcher Wissenschaftler als sein Entdecker anzusehen ist, ist unter Wissenschaftshistorikern bis heute umstritten.

Fünfzehn Jahre nach Rutherfords Experimenten schlug der berühmte Chemiker Antoine Lavoisier vor, den Begriff „verdorbene“ Luft, der sich auf Stickstoff bezieht, in einen anderen zu ändern – Stickstoff. Zu diesem Zeitpunkt wurde bewiesen, dass diese Substanz nicht brennt und die Atmung nicht unterstützt. Gleichzeitig tauchte der russische Name "Stickstoff" auf, der unterschiedlich interpretiert wird. Der Begriff wird am häufigsten als "leblos" bezeichnet. Nachfolgende Arbeiten widerlegten die weit verbreitete Meinung über die Eigenschaften von Materie. Stickstoffverbindungen - Proteine ​​- sind die wichtigsten Makromoleküle im Aufbau lebender Organismen. Um sie aufzubauen, nehmen Pflanzen die notwendigen Elemente der mineralischen Ernährung aus dem Boden auf - NO 3 2- und NH 4+ -Ionen.

Stickstoff ist ein chemisches Element

Es hilft, die Struktur des Atoms und seine Eigenschaften (PS) zu verstehen. Anhand der Position im Periodensystem kann man die Kernladung, die Anzahl der Protonen und Neutronen (Massenzahl) bestimmen. Es ist notwendig, auf den Wert der Atommasse zu achten - dies ist eines der Hauptmerkmale des Elements. Die Periodenzahl entspricht der Anzahl der Energieniveaus. In der Kurzfassung des Periodensystems entspricht die Gruppennummer der Anzahl der Elektronen im äußeren Energieniveau. Fassen wir alle Daten in den allgemeinen Eigenschaften von Stickstoff nach seiner Position im Periodensystem zusammen:

• Dies ist ein nichtmetallisches Element, das sich in der oberen rechten Ecke des PS befindet.
• Chemisches Zeichen: N.
• Ordnungszahl: 7.
• Relative Atommasse: 14,0067.
• Formel einer flüchtigen Wasserstoffverbindung: NH 3 (Ammoniak).
• Bildet das höchste Oxid N 2 O 5, in dem die Stickstoffwertigkeit V ist.

Die Struktur des Stickstoffatoms:

• Kernladung: +7.
• Anzahl Protonen: 7; Anzahl der Neutronen: 7.
• Anzahl der Energiestufen: 2.
• Gesamtzahl der Elektronen: 7; elektronische Formel: 1s 2 2s 2 2p 3.

Die stabilen Isotope des Elements Nr. 7 wurden im Detail untersucht, ihre Massenzahlen sind 14 und 15. Der Atomgehalt der leichteren von ihnen beträgt 99,64%. Die Kerne kurzlebiger radioaktiver Isotope enthalten ebenfalls 7 Protonen, und die Anzahl der Neutronen ist sehr unterschiedlich: 4, 5, 6, 9, 10.

Stickstoff in der Natur

Die Lufthülle der Erde enthält Moleküle einer einfachen Substanz, deren Formel N 2 ist. Der Anteil an gasförmigem Stickstoff in der Atmosphäre beträgt ca. 78,1 Vol.-%. Anorganische Verbindungen dieses chemischen Elements in der Erdkruste sind verschiedene Ammoniumsalze und Nitrate (Nitrate). Formeln von Verbindungen und Namen einiger der wichtigsten Substanzen:

• NH3, Ammoniak.
• NO 2, Stickstoffdioxid.
• NaNO 3, Natriumnitrat.
• (NH 4) 2 SO 4, Ammoniumsulfat.

Die Stickstoffvalenz in den letzten beiden Verbindungen ist IV. Auch Kohle, Erde, Lebewesen enthalten gebundene N-Atome. Stickstoff ist ein integraler Bestandteil von Aminosäure-Makromolekülen, DNA- und RNA-Nukleotiden, Hormonen und Hämoglobin. Der Gesamtgehalt eines chemischen Elements im menschlichen Körper erreicht 2,5 %.

einfache Substanz

Stickstoff in Form von zweiatomigen Molekülen ist volumen- und massenmäßig der größte Teil der atmosphärischen Luft. Eine Substanz, deren Formel N 2 ist, hat keinen Geruch, keine Farbe oder keinen Geschmack. Dieses Gas macht mehr als 2/3 der Lufthülle der Erde aus. In flüssiger Form ist Stickstoff eine farblose Substanz, die Wasser ähnelt. Siedet bei -195,8 °C. M (N 2) \u003d 28 g / mol. Der einfache Stoff Stickstoff ist etwas leichter als Sauerstoff, seine Dichte in Luft liegt nahe bei 1.

Atome in einem Molekül binden stark 3 gemeinsame Elektronenpaare. Die Verbindung weist eine hohe chemische Stabilität auf, die sie von Sauerstoff und einer Reihe anderer gasförmiger Substanzen unterscheidet. Damit ein Stickstoffmolekül in seine Atome zerfallen kann, muss eine Energie von 942,9 kJ / mol aufgewendet werden. Die Bindung von drei Elektronenpaaren ist sehr stark, sie beginnt sich aufzulösen, wenn sie über 2000 ° C erhitzt wird.

Unter normalen Bedingungen findet die Dissoziation von Molekülen in Atome praktisch nicht statt. Die chemische Trägheit von Stickstoff ist auch auf das völlige Fehlen von Polarität in seinen Molekülen zurückzuführen. Sie wechselwirken sehr schwach miteinander, was der Grund für den gasförmigen Zustand der Materie bei Normaldruck und einer Temperatur nahe der Raumtemperatur ist. Die geringe Reaktivität von molekularem Stickstoff findet Anwendung in verschiedenen Prozessen und Vorrichtungen, wo es notwendig ist, eine inerte Umgebung zu schaffen.

Die Dissoziation von N 2 -Molekülen kann unter dem Einfluss von Sonnenstrahlung in der oberen Atmosphäre erfolgen. Dabei entsteht atomarer Stickstoff, der unter normalen Bedingungen mit einigen Metallen und Nichtmetallen (Phosphor, Schwefel, Arsen) reagiert. Dadurch findet eine Synthese von Stoffen statt, die indirekt unter irdischen Bedingungen gewonnen werden.

Stickstoff Wertigkeit

Die äußere Elektronenschicht des Atoms wird von 2 s- und 3 p-Elektronen gebildet. Diese negativen Stickstoffpartikel können bei Wechselwirkung mit anderen Elementen aufgeben, was ihren reduzierenden Eigenschaften entspricht. Indem die fehlenden 3 Elektronen an das Oktett gebunden werden, zeigt das Atom oxidierende Fähigkeiten. Die Elektronegativität von Stickstoff ist geringer, seine nichtmetallischen Eigenschaften sind weniger ausgeprägt als die von Fluor, Sauerstoff und Chlor. Bei der Wechselwirkung mit diesen chemischen Elementen gibt Stickstoff Elektronen ab (wird oxidiert). Die Reduktion zu negativen Ionen wird von Reaktionen mit anderen Nichtmetallen und Metallen begleitet.

Die typische Wertigkeit von Stickstoff ist III. In diesem Fall werden chemische Bindungen aufgrund der Anziehung externer p-Elektronen und der Bildung gemeinsamer (Bindungs-) Paare gebildet. Stickstoff ist aufgrund seines freien Elektronenpaares in der Lage, eine Donor-Akzeptor-Bindung auszubilden, wie dies beim Ammoniumion NH 4+ der Fall ist.

Gewinnung in Labor und Industrie

Eine der Labormethoden basiert auf oxidierenden Eigenschaften, es wird eine Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung verwendet - Ammoniak NH 3. Dieses übel riechende Gas reagiert mit pulverisiertem schwarzem Kupferoxid. Als Ergebnis der Reaktion wird Stickstoff freigesetzt und metallisches Kupfer (rotes Pulver) erscheint. Wassertropfen, ein weiteres Produkt der Reaktion, setzen sich an den Wänden des Röhrchens ab.

Eine andere Labormethode, die die Kombination von Stickstoff mit Metallen verwendet, ist ein Azid, wie beispielsweise NaN 3 . Es stellt sich ein Gas heraus, das nicht von Verunreinigungen gereinigt werden muss.

Im Labor wird Ammoniumnitrit in Stickstoff und Wasser zerlegt. Damit die Reaktion startet, muss erhitzt werden, dann läuft der Prozess unter Wärmefreisetzung ab (exotherm). Stickstoff ist mit Verunreinigungen verunreinigt, daher wird er gereinigt und getrocknet.

Stickstoffgewinnung in der Industrie:

• fraktionierte Destillation von flüssiger Luft - ein Verfahren, das die physikalischen Eigenschaften von Stickstoff und Sauerstoff (unterschiedliche Siedepunkte) nutzt;
• chemische Reaktion von Luft mit heißer Kohle;
• Adsorptionsgastrennung.

Wechselwirkung mit Metallen und Wasserstoff - oxidierende Eigenschaften

Die Trägheit starker Moleküle erlaubt es nicht, einige Stickstoffverbindungen durch direkte Synthese zu erhalten. Um Atome zu aktivieren, ist eine starke Erwärmung oder Bestrahlung der Substanz notwendig. Stickstoff kann mit Lithium bei Raumtemperatur reagieren, mit Magnesium, Calcium und Natrium findet die Reaktion nur bei Erwärmung statt. Die entsprechenden Metallnitride werden gebildet.

Die Wechselwirkung von Stickstoff mit Wasserstoff findet bei hohen Temperaturen und Drücken statt. Dieser Prozess erfordert auch einen Katalysator. Es stellt sich heraus, dass Ammoniak eines der wichtigsten Produkte der chemischen Synthese ist. Stickstoff als Oxidationsmittel weist in seinen Verbindungen drei negative Oxidationsstufen auf:

• -3 (Ammoniak und andere Wasserstoffverbindungen von Stickstoff - Nitride);
• –2 (Hydrazin N 2 H 4);
• –1 (Hydroxylamin NH 2 OH).

Das wichtigste Nitrid, Ammoniak, wird in großen Mengen in der Industrie gewonnen. Die chemische Trägheit von Stickstoff blieb lange Zeit ein großes Problem. Salpeter war seine Rohstoffquelle, aber die Mineralreserven begannen mit zunehmender Produktion schnell abzunehmen.

Eine große Errungenschaft der chemischen Wissenschaft und Praxis war die Schaffung der Ammoniakmethode zur Stickstofffixierung im industriellen Maßstab. In speziellen Kolonnen wird die Direktsynthese durchgeführt - ein reversibler Prozess zwischen aus Luft gewonnenem Stickstoff und Wasserstoff. Wenn optimale Bedingungen geschaffen werden, die das Gleichgewicht dieser Reaktion in Richtung des Produkts verschieben, erreicht die Ammoniakausbeute unter Verwendung eines Katalysators 97 %.

Wechselwirkung mit Sauerstoff - reduzierende Eigenschaften

Um die Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff zu starten, ist starkes Erhitzen notwendig. Auch Blitzentladungen in der Atmosphäre haben genügend Energie. Die wichtigsten anorganischen Verbindungen, in denen Stickstoff in seinen positiven Oxidationsstufen vorliegt:

• +1 (Stickoxid (I)N 2 O);
• +2 (Stickstoffmonoxid NO);
• +3 (Stickstoffmonoxid (III) N 2 O 3; salpetrige Säure HNO 2, ihre Salze sind Nitrite);
• +4 (Stickstoff (IV) NO 2);
• +5 (Stickstoffpentoxid (V) N 2 O 5, Salpetersäure HNO 3, Nitrate).

Wert in der Natur

Pflanzen nehmen Ammoniumionen und Nitratanionen aus dem Boden auf, nutzen die Synthese organischer Moleküle für chemische Reaktionen, die in Zellen ständig ablaufen. Atmosphärischer Stickstoff kann von Knötchenbakterien aufgenommen werden – mikroskopisch kleine Lebewesen, die Wucherungen an den Wurzeln von Hülsenfrüchten bilden. Dadurch erhält diese Pflanzengruppe das notwendige Nährstoffelement und reichert den Boden damit an.

Während tropischer Schauer treten atmosphärische Stickstoffoxidationsreaktionen auf. Oxide lösen sich zu Säuren auf, diese Stickstoffverbindungen gelangen im Wasser in den Boden. Durch die Zirkulation des Elements in der Natur werden seine Reserven in Erdkruste und Luft ständig aufgefüllt. Komplexe organische Moleküle, die in ihrer Zusammensetzung Stickstoff enthalten, werden von Bakterien in anorganische Bestandteile zerlegt.

Praktischer Nutzen

Die wichtigsten Stickstoffverbindungen für die Landwirtschaft sind gut lösliche Salze. Pflanzen assimilieren Harnstoff, Kalium, Kalzium), Ammoniumverbindungen (eine wässrige Lösung von Ammoniak, Chlorid, Sulfat, Ammoniumnitrat).
Die inerten Eigenschaften von Stickstoff, die Unfähigkeit von Pflanzen, ihn aus der Luft aufzunehmen, führen dazu, dass jährlich große Dosen von Nitraten angewendet werden müssen. Teile des pflanzlichen Organismus können Makronährstoffe „für die Zukunft“ speichern, was die Qualität der Produkte verschlechtert. Überschuss und Früchte können bei Menschen Vergiftungen verursachen, das Wachstum bösartiger Neubildungen. Neben der Landwirtschaft werden Stickstoffverbindungen auch in anderen Branchen eingesetzt:

• um Medikamente zu erhalten;
• zur chemischen Synthese makromolekularer Verbindungen;
• bei der Herstellung von Sprengstoffen aus Trinitrotoluol (TNT);
• zur Herstellung von Farbstoffen.

NO-Oxid wird in der Chirurgie eingesetzt, die Substanz wirkt schmerzlindernd. Der Verlust der Empfindungen beim Einatmen dieses Gases wurde sogar von den ersten Forschern der chemischen Eigenschaften von Stickstoff bemerkt. So entstand der Trivialname „Lachgas“.

Das Problem der Nitrate in landwirtschaftlichen Produkten

Die Salze der Salpetersäure - Nitrate - enthalten ein einfach geladenes Anion NO 3-. Bisher wird der alte Name dieser Stoffgruppe verwendet - Salpeter. Nitrate werden zur Düngung von Feldern, Gewächshäusern und Obstplantagen verwendet. Sie werden im zeitigen Frühjahr vor der Aussaat im Sommer in Form von flüssigen Dressings angewendet. Die Substanzen selbst stellen für den Menschen keine große Gefahr dar, aber im Körper werden sie zu Nitriten und dann zu Nitrosaminen. Nitritionen NO 2- sind toxische Partikel, sie bewirken die Oxidation von Eisen(II) in Hämoglobinmolekülen zu dreiwertigen Ionen. In diesem Zustand ist die Hauptsubstanz des Blutes von Menschen und Tieren nicht in der Lage, Sauerstoff zu transportieren und Kohlendioxid aus dem Gewebe zu entfernen.

Welche Gefahr besteht bei der Nitratbelastung von Lebensmitteln für die menschliche Gesundheit:

• bösartige Tumoren, die durch die Umwandlung von Nitraten in Nitrosamine (Karzinogene) entstehen;
• Entwicklung einer Colitis ulcerosa
• Hypotonie oder Hypertonie;
• Herzfehler;
• Blutgerinnungsstörung
• Läsionen der Leber, Bauchspeicheldrüse, Entwicklung von Diabetes;
• die Entwicklung von Nierenversagen;
• Anämie, Gedächtnisstörungen, Aufmerksamkeit, Intelligenz.

Die gleichzeitige Anwendung verschiedener Produkte mit hohen Nitratdosen führt zu akuten Vergiftungen. Quellen können Pflanzen, Trinkwasser, zubereitete Fleischgerichte sein. Das Einweichen in sauberes Wasser und Kochen kann den Nitratgehalt von Lebensmitteln reduzieren. Die Forscher fanden heraus, dass in unreifen und Gewächshauspflanzenprodukten höhere Dosen gefährlicher Verbindungen gefunden wurden.

Phosphor ist ein Element der Stickstoff-Untergruppe

Atome chemischer Elemente, die sich in derselben vertikalen Spalte des Periodensystems befinden, weisen gemeinsame Eigenschaften auf. Phosphor befindet sich in der dritten Periode, gehört wie Stickstoff zur 15. Gruppe. Die Struktur der Atome der Elemente ist ähnlich, aber es gibt Unterschiede in den Eigenschaften. Stickstoff und Phosphor weisen in ihren Verbindungen mit Metallen und Wasserstoff eine negative Oxidationsstufe und die Wertigkeit III auf.

Viele Reaktionen von Phosphor finden bei gewöhnlichen Temperaturen statt; es ist ein chemisch aktives Element. Interagiert mit Sauerstoff unter Bildung des höheren Oxids P 2 O 5 . Eine wässrige Lösung dieses Stoffes hat die Eigenschaften einer Säure (Metaphosphorsäure). Beim Erhitzen entsteht Orthophosphorsäure. Es bildet verschiedene Arten von Salzen, von denen viele als Mineraldünger dienen, wie z. B. Superphosphate. Stickstoff- und Phosphorverbindungen sind ein wichtiger Bestandteil des Stoff- und Energiekreislaufs auf unserem Planeten, sie werden in industriellen, landwirtschaftlichen und anderen Tätigkeitsbereichen verwendet.