Stickstoffund 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

202.07.2009

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)

302.07.2009

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

02.07.2009 4

|| NN

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

02.07.2009 5

Versuch 1

Bananenhammer

602.07.2009

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

7

(g) (l)(sehr s) (l)(s) N y N x-y Banane N x Banane 222

02.07.2009

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

8

Abb. 2: Zusammensetzung der Luft [2]

02.07.2009

Versuch 2

Luftverflüssigung

902.07.2009

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

1002.07.2009

Stickstoffdarstellung(physikalisch)

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

11

Abb. 3: SchematischeDarstellung des Linde-Verfahrens [3]

02.07.2009

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

12

)()(2)()(2)(2 2424 sgsgg CuO N Cu O N

02.07.2009

0 0 0 0 +2 -2

Versuch 3

Oszillierende Stickstoffentwicklung

1302.07.2009

Oszillierende Stickstoffentwicklung

• Irreversible Gasfreisetzung aus einer Ammoniumnitrit-Lösung:

14

(g) (g)(g)

(g) (aq)(aq) (aq)

(aq)(aq)

-

(aq)

(l) (g) (aq) (aq)

NO O NO

NO NO O H HNO

HNO H NO

OH N NO NH

22

332

22

2224

22

23

2

Abb. 4: Sehr giftig [4]

02.07.2009

-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

15

)()(

)()()(

)(2)()(

)()(

22

222

222

22

GasNBlasegroßeN

BlasegroßeNgelöstNBlaseN

BlaseNgelöstNKeimN

KeimNgelöstN

Abb. 5: Blasenbildungim Wasser [5]

02.07.2009

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)

1602.07.2009

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

02.07.2009 17

Versuch 4

„Glimmspanprobe“

1802.07.2009

Wunderkerzen

Feinverteilt verbrennen Eisen und

Aluminium unter starker

Wärme- und Lichtentwicklung

1902.07.2009

Abb. 6: Materialien für die Wunderkerzen [6]

)(2)(2)(3

)(2)(22)(23

22

)()(

gss

gss

OKNOKNO

ONOBaNOBa

+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

2002.07.2009

Abb. 7 + 8: Verbrennung in Stickstoff(links) und Sauerstoff (rechts) [6]

kJOAlOAl

OFeOFe

sgs

s

C

gs

8,1676234

234

)(32)(2)(

)(32

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

02.07.2009 21

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)

02.07.2009 22

Abb. 9: TeilschematischerAufbau der DNA (Adenin) [7]

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

23

)(2)(3)()(3

)(2)(2)(3)(32)(3 22

laqsaq

glaqsaq

OHKNOKOHHNO

COOHNaNOCONaHNO

02.07.2009

+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

02.07.2009 24Abb. 10: Vereinfachtes Diagramm zum Stickstoffkreislauf [7]

Demo 1

Nitratbestimmung

(Kjeldahl-Destillation)

2502.07.2009

Nitratbestimmung(Kjeldahl-Destillation)

2602.07.2009

Abb. 11 – 13: zerkleinerte und erhitze Kartoffel (oben links),Destillationsaufbau (rechts), Rücktitration (unten links) [6]

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

02.07.2009 27

Salpetersäure (HNO3)

• Sie wurde früher durch Umsetzung von Chilesalpeter mit Schwefelsäure gewonnen

• Industriell mittels katalytischer Ammoniakverbrennung (Ostwald-Verfahren)

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)(3)(4)(42)(3 aqaqaqaq HNONaHSOSOHNaNO

)(3)(2)(2)(

)(2)()(2)(3

25,12

11,9066454

aqglg

gggg

HNOOOHNO

kJOHNOONH

+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 Säurender 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

02.07.2009 29

Abb. 14: Verbrennung von Nitrocellulose [6]

Demo 2

Saurer Regen

3002.07.2009

Saurer Regen

02.07.2009 31

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

Saurer Regen

02.07.2009 32

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

)(3)(2)(2)(

)()(2)(2

25,12

262,180

aqglg

ggg

HNOOOHNO

NOONkJ

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)

02.07.2009 33

Ammoniak (NH3)

• 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)

02.07.2009 34

kJNHNH ggg 28,9223 )(3)(2)(2 0 0 -3 +1

Versuch 5

Ammoniak-springbrunnen

3502.07.2009

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

02.07.2009 36

N HH

H

H

O

H

H N

H

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

)()(4)(2)(3 aqaqlg OHNHOHNH-3 +1 +1 -2 -3 +1 -2 +1

O

OH

OH

O

O-

OCOO-

2 OH-

- 2 OH-

Lactoide Struktur (farblos) Chinoide Struktur (pink)

+ 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, fakultativ)

02.07.2009 38

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 Lösemitteln9G.1 - Wassermolekül als Dipol (Zusammenhang zwischen Löslichkeit und Molekülstruktur)9G.2 - Herstellung und Eigenschaften von Laugen und/oder Säuren (Ammoniakwasser)

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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.

4002.07.2009

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)

4102.07.2009

Ende!

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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