Stickstoff - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Stickstoff ist überall um Dich herum: Etwa 78 Volumenprozent der trockenen Luft bestehen aus molekularem Stickstoff. Trotzdem können Menschen, Tiere und die meisten Pflanzen das Gas ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ nicht direkt als Baustoff nutzen. Erst wenn Stickstoff chemisch gebunden wird, entstehen wichtige Stoffe wie Ammoniak, Ammonium, Nitrat, Aminosäuren und Proteine.

In diesem aiMOOC lernst Du das Element Stickstoff, das Stickstoffmolekül, wichtige Verbindungen, technische Verfahren und den Stickstoffkreislauf kennen. Außerdem untersuchst Du, warum Stickstoff zugleich lebensnotwendig, technisch wertvoll und bei falscher Nutzung ein Umweltproblem sein kann.

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du Stickstoff im Periodensystem einordnen, die besondere Stabilität von ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ erklären, wichtige Stickstoffverbindungen unterscheiden und die Schritte des Stickstoffkreislaufs beschreiben. Du kannst außerdem Anwendungen beurteilen und Sicherheitsregeln für gasförmigen und flüssigen Stickstoff begründen.

Das Element Stickstoff

Steckbrief

Merkmal	Angabe
Elementsymbol	N
Ordnungszahl	7
Elementgruppe	Stickstoffgruppe, Gruppe 15
Periode	2
Stoffklasse	Nichtmetall
Elektronenverteilung	2 Elektronen in der ersten und 5 Elektronen in der zweiten Schale
Aggregatzustand bei Raumtemperatur	gasförmig
Siedepunkt	ungefähr −196 °C
Schmelzpunkt	ungefähr −210 °C

Ein Stickstoffatom besitzt sieben Protonen und im neutralen Zustand sieben Elektronen. Fünf davon sind Valenzelektronen. Diese Außenelektronen bestimmen wesentlich, welche Bindungen das Atom eingehen kann.

Vom Atom zum Molekül

Elementarer Stickstoff liegt unter normalen Bedingungen überwiegend als zweiatomiges Molekül ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ vor. Jedes Stickstoffatom steuert drei Elektronenpaare zur Bindung bei. Dadurch entsteht eine Dreifachbindung:

$\mathrm{N}\mathrm{\equiv }\mathrm{N}$

Die Dreifachbindung ist sehr stark. Zum vollständigen Trennen der beiden Atome wird viel Energie benötigt. Deshalb reagiert molekularer Stickstoff bei Raumtemperatur nur langsam mit vielen anderen Stoffen. Diese Reaktionsträgheit wird als kinetische Stabilität bezeichnet.

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Eigenschaften von Stickstoff

Physikalische Eigenschaften

Stickstoffgas ist farb-, geruch- und geschmacklos. Es ist nicht brennbar und unterstützt eine Verbrennung nicht. Das Gas ist nur wenig in Wasser löslich. In einer Gasentladungsröhre kann angeregter Stickstoff Licht aussenden.

Bei ungefähr −196 °C siedet Stickstoff unter Normaldruck. Flüssiger Stickstoff ist farblos. Der oft sichtbare weiße Nebel besteht hauptsächlich aus feinen Wassertröpfchen, die durch die starke Abkühlung der Umgebungsluft entstehen.

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Chemische Eigenschaften

Die starke Dreifachbindung erklärt, warum ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ unter normalen Bedingungen wenig reaktiv ist. Unter hoher Temperatur, hohem Druck, bei elektrischen Entladungen oder mit geeigneten Katalysatoren kann Stickstoff jedoch reagieren.

Bei sehr hoher Temperatur können Stickstoff und Sauerstoff zunächst Stickstoffmonoxid bilden:

${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{O}$

An der Luft wird Stickstoffmonoxid weiter zu Stickstoffdioxid oxidiert:

$\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Stickstoff besitzt in seinen Verbindungen verschiedene Oxidationszahlen, zum Beispiel −3 in Ammoniak, 0 in ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ und +5 im Nitrat-Ion.

Gewinnung aus der Luft

Technisch wird Stickstoff vor allem aus Luft gewonnen. Beim Linde-Verfahren wird Luft gereinigt, stark komprimiert und abgekühlt, bis sie flüssig wird. Danach trennt man die Bestandteile durch fraktionierte Destillation. Weil Stickstoff mit ungefähr −196 °C einen niedrigeren Siedepunkt als Sauerstoff mit ungefähr −183 °C besitzt, verdampft Stickstoff zuerst.

Das Verfahren liefert große Mengen Stickstoff für Industrie, Medizin, Forschung und Lebensmitteltechnik.

Haber-Bosch-Verfahren

Pflanzen benötigen gebundenen Stickstoff. Die Luft enthält zwar sehr viel ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$, aber die starke Dreifachbindung erschwert seine Nutzung. Im Haber-Bosch-Verfahren reagieren Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak:

${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$

Die Reaktion läuft industriell bei erhöhter Temperatur und hohem Druck über einen eisenhaltigen Katalysator. Das gebildete Ammoniak ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Düngemittel und viele weitere Chemikalien. Das Verfahren veränderte die Landwirtschaft grundlegend, benötigt aber viel Energie.

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Wichtige Stickstoffverbindungen

Ammoniak und Ammonium

Ammoniak hat die Formel $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$. Das Molekül ist trigonal-pyramidal gebaut und besitzt am Stickstoffatom ein freies Elektronenpaar. In Wasser reagiert Ammoniak als Base. Dabei entstehen Ammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Nitrat und Salpetersäure

Das Nitrat-Ion besitzt die Formel $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{-}}$. Nitrate sind wichtige Pflanzennährstoffe und Bestandteile vieler Düngemittel. In zu hoher Konzentration können sie jedoch Grundwasser und Gewässer belasten. Salpetersäure hat die Formel $\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$ und ist eine starke Säure.

Stickoxide

Zu den Stickoxiden gehören unter anderem $\mathrm{N}\mathrm{O}$, $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$ und ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$. Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid entstehen unter anderem bei Verbrennungsprozessen. Stickstoffdioxid ist ein giftiges, rotbraunes Gas. Distickstoffmonoxid wirkt als Treibhausgas.

Der Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf verbindet Atmosphäre, Boden, Wasser und Lebewesen. Dabei wird Stickstoff fortlaufend in andere Stoffformen umgewandelt.

1. Stickstofffixierung: Bestimmte Bakterien wandeln ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ in biologisch nutzbare Stickstoffverbindungen um. Auch Blitze und technische Verfahren können Stickstoff fixieren.
2. Nitrifikation: Bodenbakterien oxidieren Ammonium zunächst zu Nitrit und anschließend zu Nitrat.
3. Assimilation: Pflanzen nehmen vor allem Nitrat oder Ammonium auf und bauen daraus organische Stoffe.
4. Ammonifikation: Zersetzer wandeln organisch gebundenen Stickstoff wieder in Ammonium um.
5. Denitrifikation: Bakterien reduzieren Nitrat zu gasförmigem Stickstoff, der in die Atmosphäre zurückkehrt.

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Verwendung

Stickstoffgas wird als Schutzgas eingesetzt, weil es viele unerwünschte Reaktionen mit Sauerstoff verhindert. Es schützt Lebensmittel, Metalle und empfindliche Produkte. In der Chemie dient es zur Inertisierung von Apparaturen. Flüssiger Stickstoff wird als Kältemittel verwendet, zum Beispiel in der Kryotechnik, Medizin, Forschung und Lebensmittelverarbeitung. Ammoniak und Nitrate sind besonders wichtig für die Herstellung von Düngemitteln.

Umwelt und Nachhaltigkeit

Stickstoff ist lebensnotwendig, doch ein Überschuss reaktiver Stickstoffverbindungen belastet Ökosysteme. Gelangt zu viel Nitrat in Gewässer, kann starkes Algenwachstum entstehen. Beim Abbau der Biomasse wird Sauerstoff verbraucht. Dieser Vorgang heißt Eutrophierung.

Nitrat kann außerdem in das Grundwasser ausgewaschen werden. Ammoniak aus der Landwirtschaft kann über die Luft in empfindliche Ökosysteme gelangen. Eine nachhaltige Nutzung bedeutet deshalb, Stickstoffdünger möglichst genau an den Bedarf der Pflanzen anzupassen und Verluste zu verringern.

Sicherheit

Gasförmiger Stickstoff ist nicht giftig, kann aber Sauerstoff verdrängen. In schlecht belüfteten Räumen besteht deshalb Erstickungsgefahr, ohne dass Farbe oder Geruch warnen. Druckgasflaschen müssen gegen Umfallen gesichert und nur fachgerecht verwendet werden.

Flüssiger Stickstoff verursacht schwere Kälteverletzungen. Beim Verdampfen vergrößert sich sein Volumen stark. Er darf deshalb niemals in dicht geschlossenen Behältern aufbewahrt werden. Demonstrationen gehören ausschließlich in die Hände geschulter Lehrkräfte oder Fachkräfte mit geeigneter Schutzausrüstung und guter Lüftung.

Merksätze

1. Stickstoff besitzt das Elementsymbol N und die Ordnungszahl 7.
2. In der Luft liegt er überwiegend als ${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}$ vor.
3. Die Dreifachbindung macht das Stickstoffmolekül besonders stabil.
4. Gebundener Stickstoff ist für den Aufbau von Proteinen und Erbmaterial notwendig.
5. Technisch wichtig ist vor allem die Herstellung von Ammoniak.
6. Zu viel reaktiver Stickstoff kann Wasser, Boden, Luft und Klima belasten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Ordnungszahl hat Stickstoff? (7) (!5) (!8) (!15)

In welcher Form kommt elementarer Stickstoff hauptsächlich in der Luft vor? (Als zweiatomiges Molekül N2) (!Als einzelnes Stickstoffatom) (!Als Ammonium-Ion) (!Als Nitrat-Ion)

Welche Bindung verbindet die Atome im Stickstoffmolekül? (Eine Dreifachbindung) (!Eine Einfachbindung) (!Eine Ionenbindung) (!Eine Metallbindung)

Welcher Anteil der trockenen Luft besteht ungefähr aus Stickstoff? (Etwa 78 Volumenprozent) (!Etwa 21 Volumenprozent) (!Etwa 1 Volumenprozent) (!Etwa 50 Volumenprozent)

Welches Produkt entsteht beim Haber-Bosch-Verfahren? (Ammoniak) (!Sauerstoff) (!Kohlenstoffdioxid) (!Chlorwasserstoff)

Welche Formel hat das Nitrat-Ion? (NO3 minus) (!NH4 plus) (!NO2) (!N2)

Was geschieht bei der Denitrifikation? (Nitrat wird zu gasförmigem Stickstoff umgewandelt) (!Stickstoff wird zu Sauerstoff umgewandelt) (!Ammoniak wird zu Wasser umgewandelt) (!Nitrat wird zu Kohlenstoff umgewandelt)

Warum reagiert Stickstoffgas bei Raumtemperatur meist langsam? (Die Dreifachbindung ist sehr stabil) (!Das Molekül besitzt keine Elektronen) (!Das Gas ist ein Edelgas) (!Stickstoff ist immer flüssig)

Welche Gefahr besteht bei austretendem Stickstoffgas in einem kleinen Raum? (Es kann Sauerstoff verdrängen) (!Es entzündet sich sofort) (!Es färbt die Luft rot) (!Es bildet immer Säure)

Welche Aussage zu flüssigem Stickstoff ist richtig? (Er siedet unter Normaldruck bei ungefähr minus 196 Grad Celsius) (!Er kann gefahrlos in verschlossenen Flaschen gelagert werden) (!Er ist bei Raumtemperatur fest) (!Er brennt mit blauer Flamme)

Memory

Stickstoffatom	Ordnungszahl sieben
Stickstoffmolekül	Dreifachbindung
Ammoniak	Formel NH3
Ammonium	Positiv geladenes Teilchen
Nitrat	Pflanzennährstoff im Boden
Nitrifikation	Bakterielle Oxidation
Denitrifikation	Rückführung in die Atmosphäre

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Vorgang im Stickstoffkreislauf
Fixierung	Luftstickstoff wird in nutzbare Verbindungen überführt
Nitrifikation	Ammonium wird über Nitrit zu Nitrat oxidiert
Assimilation	Pflanzen bauen aufgenommenen Stickstoff in Biomasse ein
Ammonifikation	Organisch gebundener Stickstoff wird zu Ammonium
Denitrifikation	Nitrat wird zu gasförmigem Stickstoff reduziert

Kreuzworträtsel

Dreifachbindung	Welche Bindung hält die beiden Atome im Stickstoffmolekül zusammen?
Ammoniak	Welches Produkt entsteht aus Stickstoff und Wasserstoff im Haber-Bosch-Verfahren?
Nitrat	Welches Ion mit drei Sauerstoffatomen ist ein wichtiger Pflanzennährstoff?
Nitrifikation	Wie heißt die bakterielle Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat?
Denitrifikation	Wie heißt die Rückführung von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff?
Schutzgas	Als was wird Stickstoff zur Verhinderung unerwünschter Reaktionen eingesetzt?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Stickstoff trägt das Elementsymbol . Seine Ordnungszahl beträgt . In der Luft liegt das Element hauptsächlich als Molekül vor. Zwischen den beiden Atomen befindet sich eine . Bei ungefähr minus 196 Grad Celsius wird Stickstoff unter Normaldruck . Im Haber-Bosch-Verfahren entsteht aus Stickstoff und Wasserstoff . Pflanzen nehmen gebundenen Stickstoff häufig als Nitrat oder auf. Die bakterielle Oxidation von Ammonium zu Nitrat heißt . Bei der Denitrifikation gelangt Stickstoff zurück in die . Ein Überangebot an Nährstoffen in Gewässern kann zur führen.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Steckbrief Stickstoff: Gestalte eine Lernkarte mit Symbol, Ordnungszahl, Elektronenverteilung, Aggregatzustand und Siedepunkt.
2. Molekülmodell: Baue aus einfachen Materialien ein Modell des Stickstoffmoleküls und kennzeichne die Dreifachbindung.
3. Luftzusammensetzung: Zeichne ein Kreisdiagramm zur Zusammensetzung trockener Luft und erkläre die Größenordnung des Stickstoffanteils.
4. Sicherheitsplakat: Entwirf ein Plakat mit Regeln zum sicheren Umgang mit Stickstoffgas und flüssigem Stickstoff.

Standard

1. Stickstoffkreislauf Modell: Erstelle ein beschriftetes Schaubild mit Fixierung, Nitrifikation, Assimilation, Ammonifikation und Denitrifikation.
2. Erklärvideo Ammoniak: Produziere ein kurzes Erklärvideo zur Reaktionsgleichung und Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens.
3. Medienanalyse Stickstoff: Vergleiche zwei Lernvideos und prüfe, ob Aussagen, Formeln, Bilder und Sicherheitsangaben fachlich korrekt sind.
4. Düngung und Gewässer: Entwickle eine Ursache-Wirkungs-Kette vom Düngemitteleinsatz bis zur möglichen Eutrophierung eines Sees.

Schwer

1. Versuchsplanung Gasgemisch: Plane theoretisch einen sicheren Schulversuch, mit dem gezeigt werden kann, dass Luft ein Stoffgemisch ist. Begründe jede Sicherheitsmaßnahme.
2. Energiebilanz Ammoniaksynthese: Erkläre, warum Temperatur, Druck, Katalysator und Kreislaufführung beim Haber-Bosch-Verfahren zusammen betrachtet werden müssen.
3. Stickstoffbilanz Schule: Entwickle ein Untersuchungskonzept, mit dem Stickstoffeinträge und mögliche Einsparungen auf dem Schulgelände erfasst werden könnten.
4. Podiumsdiskussion Düngemittel: Organisiere eine Diskussion mit Rollen aus Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung, Naturschutz, Chemieindustrie und Politik.

Lernkontrolle

1. Teilchenebene und Stoffebene: Erkläre, wie die Dreifachbindung im Stickstoffmolekül die beobachtete Reaktionsträgheit des Gases beeinflusst.
2. Haber-Bosch und Ernährung: Stelle einen Zusammenhang zwischen Luftstickstoff, Ammoniaksynthese, Düngemitteln und Nahrungsmittelproduktion her.
3. Kreislaufstörung: Analysiere, wie übermäßige Düngung mindestens drei Stationen des natürlichen Stickstoffkreislaufs verändert.
4. Sicherheitsbewertung: Beurteile die Aussage „Stickstoff ist ungefährlich, weil er nicht giftig ist“ anhand zweier konkreter Situationen.
5. Verfahrensvergleich: Vergleiche biologische Stickstofffixierung und technische Ammoniaksynthese nach Bedingungen, Produkten und Bedeutung.
6. Nachhaltige Entscheidung: Entwickle Kriterien, mit denen ein landwirtschaftlicher Betrieb den Einsatz von Stickstoffdünger ökologisch und wirtschaftlich bewerten kann.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Fachbegriffe korrekt verwendest, Reaktionsgleichungen lesen und erläutern kannst und zwischen elementarem sowie chemisch gebundenem Stickstoff unterscheidest. Wichtig sind außerdem die Erklärung des Stickstoffkreislaufs, die Bewertung technischer Anwendungen, die Analyse von Umweltfolgen und die begründete Anwendung von Sicherheitsregeln.

1. Fachwissen: Einordnung des Elements, Molekülbau, Eigenschaften und wichtige Verbindungen
2. Darstellung: Korrekte Formeln, Modelle, Reaktionsgleichungen und Schaubilder
3. Zusammenhänge: Verbindung zwischen Atmosphäre, Boden, Lebewesen, Technik und Umwelt
4. Bewertung: Abwägen von Nutzen und Risiken der Stickstoffnutzung
5. Sicherheit: Begründete Regeln für Gasflaschen, Lüftung und kryogene Flüssigkeiten
6. Transfer: Anwendung des Wissens auf neue Beispiele aus Alltag, Landwirtschaft oder Industrie

Verknüpfte Lernbereiche

Stickstoff - Chemie Periodensystem Atombau Chemische Bindung Redoxreaktion Chemisches Gleichgewicht Haber-Bosch-Verfahren Stickstoffkreislauf Düngemittel Umweltchemie Sicherheit im Chemieunterricht