スティックストフ

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Der Name Stickstoff (緯度窒素 ) bezeichnet das chemische Element aus dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Atomar kommt Stickstoff in der Natur kaum vor, da es sich sofort durcheeine stark exotherme Reaktion zu molekularem Stickstoff N₂ 動詞。 Elementar tritt Stickstoff nur in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Stickstoff-Atomen, auf (→ molekularer Stickstoff 、ああ ディスティックストオフ (vgl. Disauerstoff)、Summenformel N₂ ）。

Molekularer Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Luft. Er ist für die Lebewesen ein essentielles Element, das durch Stickstofffixierung auf natürlichem Wege organisch gebunden wird. organischer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptelement aller Organismen. Stickstoff ist ein zentrales Element im Stickstoffkreislauf der Ökosysteme und wird von den Lebewesen in einem energielyticn Prozess organisch gebunden und verfügbar gemacht. Er kommt in Mineralien sehr selten vor. Auf der Erdoberfläche und in der Luft ist er fast ausschließlich abiotisch in der Anfangszeit der Erde entstanden und wurde später von den Lebewesen gebunden.

Das Elementsymbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung 窒素 (von altgriech. νιτρον "Laugensalz" und altgriech. γενος "Herkunft") ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht (「erstickt」) or dass ein Lebewesen (z. B. ein Mensch) in reinem Stickstoff erstickt.

ゲシヒテ

Chemische Verbindungen des Stickstoffs, wie Nitrate und Ammoniumsalze, wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Erstmals im Jahr 1774 wurde Ammoniak von Joseph Priestley dargestellt. Durch die Einführung des Frank-Caro-Verfahrens (Kalkstickstofferzeugung nach Adolph Frank und Nikodem Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure (Birkeland-Eyde-Verfahren, nach Kristian Birkeland und Sam Eyde), die katalytische Ammoniakverbrennung nach Wilhelm Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Fritz Haber und Carl Bosch.

Natürliches Vorkommen und Kreislauf des Stickstoffs

Schon im 19. Jahrhundert erkannte man, dass ein großer Teil der pflanzlichen Materie Stickstoff enthält und ein wichtiges Bauelement aller Lebewesen ist. Er ist das wesentliche Element der Proteine und Proteide (Eiweißstoffe) und der DNA. Stickstoff ist daher auch Baustein aller Enzyme, die den pflanzlichen, tierischen und menschlichen Stoffwechsel steuern. Stickstoff ist für jedes Leben unentbehrlich.

空中でのスティックストフ

Die Lufthülle der Erde besteht zu 78.09 vol% (75.53 % Gewichtsanteil) aus molekularem Stickstoff. Lediglich eine kleine Anzahl von Mikroorganismen kann ihn nutzen, in ihre Körpersubstanz einbauen oder auch an Pflanzen abgeben. Pflanzen können, soweit bekannt, den gasförmigen Stickstoff der Luft nicht unmittelbar nutzen. Die Überführung in eine Form, die von den Pflanzen verwertbar ist, geschieht durch

• Knöllchenbakterien :Diese sehr kleinen Lebewesen dringen in die Wurzeln der sogenannten Leguminosen ein. Sie ernähren sich von den Assimilaten der Pflanze. Im Tausch dafür liefern sie der Wirtspflanze Stickstoff, den sie selbst direkt aus der Luft aufnehmen. Diese Lebensgemeinschaft ist eine Symbiose. .
• Freilebende Microorganismen :Die nichtsymbiotische Stickstoffbindung beruht auf der Fähigkeit einiger freilebender Mikroorganismen (z. B. Azotobacter und Cyanobakterien)、Luftstickstoff zum Aufbau von körpereigenem Eiweiß zu verwenden. Bei ackerbaulicher Nutzung wird die Größenordnung der Bindung von atmosphärischem Stickstoff durch freilebende Mikroorganismen mit 5–15 kg/ha und Jahr angenommen.

• Elektrische Entladung bei Gewittern :In niederschlagsreichen Gebieten können jährlich 20–25 kg N/ha und Jahr durch Regenfälle dem Boden zugeführt werden. Das geschieht dadurch, dass die Kraft der elektrischen Entladung Sauerstoff und Stickstoff in der Luft zu Stickstoffoxiden verbindet, die mit dem Regenwasser letztendlich zu Salpetersäure reagieren und diese Salpetersäure im Boden zu Nitraten wird.

• Ammoniak-Synthese :Die Chemiker Haber und Bosch haben zu Anfang des 20. Jahrhunderts ein Verfahren entwickelt, mit dem aus Luftstickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt werden kann. Die durch das Haber-Bosch-Verfahren möglich gewordene Nutzung des unerschöpflichen N-Vorrates der Atmosphäre hat in den zurückliegenden Jahrzehnten wesentlich zur Leistungssteigerung der landwirtschaftlichen Produktion beigetragen. Die Ernährungssicherung der Weltbevölkerung konnte damit wesentlich verbessert werden. Die Pflanze baut aus dem aufgenommenem Stickstoff pflanzliches Eiweiß auf, das Mensch und Tier als Nahrung und zum Aufbau des eigenen Körpereiweißes dient. Im menschlichen und tierischen Organismus wird das Eiweiß zum großen Teil wieder abgebaut und mit dem Kot und Harn ausgeschieden.

• オートアブガス :Durch die Verbrennungfossiler Energieträger (Benzin, Diesel) werden durch den Autoverkehr Stickstoffverbindungen freigesetzt. Bei dem Verbrennungsvorgang entstehen Stickoxide (NO_x , vor allem Stickstoffdioxid NO₂ 、 aber auch Stickstoffmonoxid NO und andere NO_x -Verbindungen)。 In der Vergangenheit wurden diese direkt in die Umgebung entlassen; heutzutage besitzen die meisten Autos Katalysatoren, welche diese Verbindungen reduzieren:NO_x wird im Katalysator zu Ammoniak reduziert, dieses wird im Beisein von Wasser in Ammonium umgewandelt (Ammoniak/Ammonium-Gleichgewicht in angesäuerter Lösung:NH₃ + H₃ O⇔NH₄ + H₂ O)。 Sowohl die oxidierten, als auch die reduzierten Stickstoffverbindungen werden über die Luft verfrachtet und tragen zu einem beträchtlichen Teil zur Eutrophierung benachbarter Ökosysteme bei.

Stickstoff im Boden

In der Ackerkrume (A-Horizo​​nt)liegen meist mehr als 95 % des Gesamt-N als organisch gebundener Stickstoff in Lebender Wurzelmasse, abgestorbener Pflanzenmasse, Humusstoffen und Bodenlebewesen vor. Der Rest von weniger als 5 % ist anorganischer Stickstoff in Form von Ammonium-N oder Nitrat-N und in sehr geringer Menge in Form von Nitrit-N. Der Gesamtstickstoffgehalt der Böden ist stark abhängig von deren Kohlenstoffgehalt. Er wird durch Klima und Vegetation, Bodenart, Geländegestalt und Maßnahmen des Landwirts, wie Bodenbearbeitung, beeinflusst.

プランツェンのスティックストフ

アウフガベン イン デア プランツェ

Stickstoff wird in die Photosyntheseprodukte eingebaut, um unter anderem Eiweiße herzustellen, und fördert so das Wachstum. Je nach Artliegt der Anteil der Trockensubstanz bei 2–6 %, or bei durchschnittlich 1,5 %. Die Aufnahme des Stickstoffs erfolgt meist in Form von Ammonium or Nitrat.

マンゲル症候群

• クンメルリッヒャー・ヴックス
• blassgrüne Farbe der Blätter. Ältere werden chlorotisch und Falled vorzeitig ab.
• zu frühes Blühen (Notblüte)

ユーバーシュース症候群

• マスティガー・ウックス
• Blätter dunkelgrün
• Blüte verzögert
• フランツェ フロスト ウント クランハイトサンフェリヒ

Gewinnung und Darstellung

初歩的なStickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft bis zu einer Reinheit von höher als 1 ppb gewonnen.多くの場合、ディーザー・アーバー・ナー・ミット・ニードリゲラー・ラインハイト・ヴォルハンデン – イスト・マイステン・ノーク・ドゥルチ・ザウアーストフ・ウント・エーデルガセ・ヴェルンレイングト. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs gibt es eine biologische Methode unter Verwendung von Reis-Keimlingen.

Eine andere Möglichkeit ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxids. Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer または durch eine アルカリ性ピロガロール bzw. Natriumdithionit-Lösung entfernt werden.

Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen einer wässrigen Ammoniumnitrit-Lösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit auf etwa 70 °C dargestellt werden:

Alternativ ist eine Thermolyse von Natriumazid möglich, die zur Herstellung von spektroskopisch reinem Stickstoff verwendet wird.

アイゲンシャフテン

Molekularer Stickstoff

Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen (−196 °C) zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff in Wasser wenig löslich (0 °C で 1 l の Wasser に 23.2 ml Stickstoff) und nicht brennbar.

Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Bindungen ein. In der 2sp Elektronenkonfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktett-Komplettierung. Verbindungen, in denen dieser Bindungstypus vorkommt, sind beispielsweise:

• アモニアック
• アミン
• ヒドラジン
• ヒドロキシルアミン

Diesen Verbindungen ist allen eine trigonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. uber dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nukleophile und als Basen agieren.

Der in der Natural vorkommende molekulare Distickstoff N₂ ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Deswegen braucht es in der Regel einen hohen Energieaufwand, um diese Verbindung zu trennen und Stickstoff an andere Elemente zu binden. Hoch ist auch die erforderliche Aktivierungsenergie, die gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann.

ポリマースティックストフ

In einer Veröffentlichung im 2004 年 8 月 マインツの Max-Planck-Institut für Chemie から 2000 年 8 月 110 GPa bei einer Temperatur 2000 K eine neue kristalline Form, sogenannten Polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben. Diese Modifikation besitzt eine einzigartige kubische Struktur, die sogenannte „cubic gauche“-Struktur.Durch die hohe Instabilität sind die Einsatzmöglichkeiten begrenzt, man könnte sich polymeren Stickstoff aber zum Beispiel als Sprengstoff oder Energiespeicher vorstellen. Polystickstoff wäre dann mit Abstand der stärkste, nicht nukleare Sprengstoff.

同位体

Neben den beiden natürlichen Isotopen N und N gibt es künstliche Isotope mit Massenzahlen von 12 bis 19. Deren Halbwertszeit beträgt zwischen 9,97 Minuten und 11 Millisekunden.

Das N-Isotop wurde von Naude (1929) entdeckt und schon wenige Jahre später von Norman und Werkman (1943) in ersten Feldversuchen eingesetzt. Auch heute noch wird das Isotop in ähnlicher Weise für biochemische Untersuchungen des Stickstoffwechsels im Ackerboden order in Pflanzen, aber auch bei der Umsetzung von Proteinen als Indikator eingesetzt. Die natürliche Konzentration von N in der Atmosphäre beträgt 0,3663 %.

Anreichern kann man N wie andere Isotope gasförmigen Stoffe zum Beispiel durch Thermodiffusionstrennung.

Verwendung

Technisch wird Stickstoff zur Synthese von Ammoniak (Haber-Bosch-Verfahren) und Kalkstickstoff sowie als Schutzgas beim Schweißen, als Lampenfüllung und bei chemischen Reaktionen verwendet. Darüber hinaus finden Stickstoffverbindungen mannigfaltige Anwendungen im Bereich der organischen Chemie und dienen als Düngemittel.

Viele Sprengstoffe sind Stickstoffverbindugen. Es handelt sich meistens um Nitro-Verbindungen. Bei ausreichend Nitro-Gruppen im Molekül können die Sauerstoffatome der Nitro-Verbindung bei ausreichender Anregung mit den Kohlenstoff- oder Wasserstoffatomen im selben Molekül exotherm reagieren und somit wird aus dem Feststoffher oder der Flüssigkeit (z. B. Nitroglycerin) etur Gas plötzlichkeit das sich mit großer Gewalt ausdehnt. Sprengstoffe befinden sich また、einem metastabilen Zustand. Bei wenigen Nitro-Gruppen erfolgt lediglich eine schnelle und unvollständige Verbrennung (z. B. Zellluoid (Tischtennisball)).

Stickstoff wird zur Füllung von Flugzeugreifen großer Flugzeuge verwendet. Der reine Stickstoff verhindert, dass Flugzeugreifen durch die große Hitzeentwicklung beim Aufsetzen während der Landung, or beim Startlauf, von innen in Brand geraten können. (Siehe:Flugzeugreifen)

Die umstrittene Füllung von Autoreifen mit Stickstoff wird im Artikel „Reifengas“ thematisiert.

Getränkezapfanlagen Verwendung の Stickstoff findet, wenn auf Grund von baulichen Umständen (langer Leitungsweg, großer Höhenunterschied) ein hoher Zapfdruck notwendig wird. Stickstoff wird hier zusammen mit Kohlenstoffdioxid als Mischgas verwendet. Da sich Stickstoff nicht im Getränk löst, kann auch bei höheren Drücken ohne zu viel Schaumbildung bzw. Aufcarbonisierung gezapft werden.

Aufgrund des niedrigen Siedepunkts wird flüssiger Stickstoff als Kältemium in der Kryotechnik eingesetzt. Der Stickstoff entzieht dabei dem Kühlgut die nötige Verdampfungswärme. Vorteilhaft gegenüber der Verwendung von flüssigem Sauerstoff, der bei −183 °C siedet, ist der um weitere 13 °C niedrigere Siedepunkt und die inerten Eigenschaften des Stickstoffs. Flüssiger Stickstoff wird dazu verwendet, bei Hochtemperatursupraleitern den supraleitenden Zustand zu erzeugen. Er wird auch zur Lagerung biologischer und medizinischer Proben sowie zum Schockfrieren von biologischen Material verwendet. Computer-Tuning-Szene wird Flüssigstickstoff unter anderem als Kühlmittel der CPU eingesetzt. Im Tiefbau dient er der Bodenvereisung.

Im Bereich der Werkstofftechnik benutzt man Flüssigstickstoff um Restaustenit in bestimmten gehärteten Stählen zu beseitigen oder die Werkstoffe durch „Tiefkühlen“ künstlich zu altern.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Stickstoff ist die Kryochirurgie, in der z. B. Warzen「vereist」ヴェルデン。 In diesem Fall verwendet man flüssigen Stickstoff, der direkt auf die zu behandelnde Hautpartie aufgesprüht wird.

An einem Pilotprojekt bezüglich dieser neuen Bestattungsart arbeitet die schwedische Biologin Susanne Wiigh-Mäsak.

ナクヴァイス

Stickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignescher Probe und quantitativ mittels der Kjeldahlschen Stickstoffbestimmung order Elementaranalyse erfasst werden. Für anorganisch gebundenen Stickstoff werden als Nachweisreaktion die Kreuzprobe für Ammoniumionen or die Ringprobe für Nitrationen durchgeführt. Zur Durchführung der Ringprobe wird die Probelösung (schwefelsauer, schwermetallfrei) mit frischer Eisen(II)-sulfat-Lösung versetzt und mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet. An der Grenzfläche zwischen beiden Flüssigkeiten werden die Nitrationen zu Stickstoffmonoxid (NO) reduziert. Dieses Radikal bildet in wässriger Lösung mit weiteren Eisenionen einen braunen Komplex, der als „Ring“ and der Phasengrenze im Reagenzglas sichtbar wird:

1. シュリット:

レドックス反応

と

2. シュリット:

コンプレックスビルドの反応

Verbindungen

Verbindungen, in deen Stickstoff vorkommt:

• アモニアック
• ヒドラジン N₂ H₄
• スティックストオフモノキシド
• スティックストフ二酸化物
• ディスティックストオフキシド
• ディスティックストフテトラキシド
• ディスティックストフペントキシド
• サルペトリゲ サウレ
• Salpetersäure
• アミノサウレン
• ペプチド
• プロテイン
• スペルミン
• Jodstickstoff und andere Stickstoffhalogenide
• ファーブストッフェ
• 硝酸塩、亜硝酸塩、窒化物
• オクタニトロキューバン

アインツェルナハヴァイゼ

文学

• Markus Bernhardt-Römermann、Jörg Ewald:Einst zu wenig、heute zuviel:Stickstoff in Waldlebensgemeinschaften . Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 66(6), S. 261–266 (2006), ISSN 0949-8036.