Stickstoff

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Stickstoff: Vorkommen, Struktur, Eigenschaften und Reaktivität

Vorkommen

Stickstoff ist das mengenmäßig am häufigsten vorkommende Element in unserer Atmosphäre und bildet etwa 78 % der Luft. Aber woran liegt das? Stickstoff ist relativ inert, also reaktionsträge, was dazu führt, dass er sich nicht so leicht wie andere Elemente mit Stoffen verbindet. Dies sorgt dafür, dass er sich im Lauf der Erdgeschichte in der Atmosphäre angereichert hat. Gewonnen wird Stickstoff durch die fraktionierte Destillation flüssiger Luft, eine Technik, bei der flüssige Luft erwärmt wird und die verschiedenen Bestandteile bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen und so getrennt werden können.

IMPP-Fokus

Eine häufige Prüfungsfrage bezieht sich darauf, warum Stickstoff in so großer Menge in der Atmosphäre vorkommt und wie er gewonnen werden kann.

Struktur

Ein Stickstoffmolekül (\(N_2\)) besteht aus zwei Stickstoffatomen, die durch eine starke Dreifachbindung (\(\equiv\)) zusammengehalten werden. Diese Bindung ist sehr energiereich und deshalb nicht leicht zu brechen, was zur Inertheit des Stickstoffs beiträgt. Stickstoff hat als Element der zweiten Periode keine d-Orbitale, was bedeutet, dass kovalente Bindungen maximal acht Außenelektronen, entsprechend der Oktettregel, beinhalten können.

Struktur des Stickstoffmoleküls1

Eigenschaften und Reaktivität

Die Oxidationsstufen von Stickstoff können einen Bereich von -III bis +V umfassen:

  • -III in Ammoniak (\(NH_3\)), wo Stickstoff dreifach mit Wasserstoff verbunden ist,
  • +V in Nitraten (\(NO_3^-\)) oder Salpetersäure (\(HNO_3\)).

Zusätzlich zu den üblichen Oxidationsstufen solltest du auf die Stabilität von mesomeriestabilisierten Thiocyanaten (\(SCN^-\)) achten, bei denen die negative Ladung zwischen Schwefel- und Stickstoff atom delokalisiert ist. Damit im Zusammenhang steht auch die NH-Acidität in Amiden, Imiden und Nitrilen. Wie leicht ein Wasserstoffatom abgespalten werden kann, wird durch die elektive Anziehung des Stickstoffs auf das Elektronenpaar der NH-Bindung bestimmt.

Besonders interessant für das IMPP sind die Redoxreaktionen, bei denen der Oxidationszustand des Stickstoffs wechselt. Hier ist es entscheidend, die Änderungen im Oxidationszustand nachvollziehen zu können.

Wichtige Konzepte

Es ist besonders wichtig zu verstehen, wie die verschiedenen Oxidationszustände des Stickstoffs seine Chemie bestimmen und welche Rolle die Elektronegativität von Stickstoff in Molekülen wie Ammoniak spielt.

Zum Schluss sei erwähnt, dass die Elektronegativität von Stickstoff höher ist als die von Wasserstoff, was bedeutet, dass im Ammoniakmolekül die Bindungselektronen zum Stickstoffatom hin verschoben sind, was wichtige Folgen für die chemischen Eigenschaften dieser Verbindung hat.

Zusammenfassung

  • Häufigkeit in der Atmosphäre: Stickstoff ist das häufigste Element in der Luft und macht etwa 78 % aus, als gasförmige, farb- und geruchlose Substanz, die durch eine starke Dreifachbindung zwischen zwei Stickstoffatomen gekennzeichnet ist.
  • Oxidationszustände: Stickstoff tritt in einer Vielzahl von Oxidationsstufen auf, von -III in Ammoniak (NH3) bis +V in Nitrat-Verbindungen oder Salpetersäure (HNO3).
  • Gewinnung: Stickstoff wird häufig durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft gewonnen, wegen dessen hohen Anteils an der atmosphärischen Zusammensetzung.
  • Redoxreaktionen: Das Verständnis der Redoxreaktionen von Stickstoff ist offensichtlich wichtig, um die Veränderungen des Oxidationszustands während chemischer Reaktionen zu bestimmen.
  • Valenzelektronen: Als Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems besitzt Stickstoff fünf Valenzelektronen und kann als Element ohne d-Orbitale nicht mehr als acht Außenelektronen in kovalenten Bindungen nutzen.
  • Mesomeriestabilisierte Verbindungen: Stickstoff ist in Thiocyanaten (SCN-) enthalten, die mesomeriestabilisiert sind und in denen die negative Ladung zwischen dem Schwefel- und Stickstoffatom delokalisiert ist.
  • NH-Acidität: In Verbindungen mit NH-Gruppen, wie Amide, Imide und Nitrile, ist die NH-Acidität wichtig und bezieht sich darauf, wie leicht ein Wasserstoffatom abgespalten werden kann.

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Footnotes

  1. Credits Struktur des Stickstoffmoleküls Grafik: Yikrazuul, Dinitrogen, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎