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Stickstoff
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Stickstoff bezeichnet zum Einen als atomarer Stickstoff ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7 und zum Anderen als molekularer Stickstoff eine anorganische Chemische Verbindung (Gas) mit der Summenformel N2.
Eigenschaften
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Allgemein
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Liste der chemischen Elemente nach dem Namen>Name, Liste der chemischen Elemente nach Symbol, Liste der chemischen Elemente nach der Ordnungszahl
| Stickstoff, N, 7
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Serie des Periodensystems>Serie
| Nichtmetalle
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Gruppe des Periodensystems>Gruppe, Periode des Periodensystems, Block des Periodensystems
| Gruppe-15-Element>15 (VA), Periode-2-Element, p-Block
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Farbe>Aussehen
| farblos
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Massenanteil an der Erdhülle
| 0,03 %
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Atomar
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Atommasse
| Atomare Masseeinheit>u
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Atomradius (berechnet)
| Picometer>pm
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Kovalenter Radius
| 75 pm
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van der Waals-Radius
| 155 pm
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Elektronenkonfiguration
| [Helium>He]2s22p3
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Elektronen pro Energieniveau
| 2, 5
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Oxidationszahl>Oxidationszustände (Oxid)
| 3, 5, 4, 2 (stark Säure>sauer)
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Normalpotential
| -
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Elektronegativität
| 3,04 (Pauling-Skala)
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Kristallstruktur
| hexagonal
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Physikalisch
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Aggregatzustand
| gasförmig
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Modifikationen
| 1
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Dichte (Mohshärte)
| Kilogramm pro Kubikmeter>kg/m3 (bei 273 Kelvin) (-)
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Magnetismus
| -
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Schmelzpunkt
| Kelvin>K (-210,01 °Celsius)
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Siedepunkt
| 77,35 K (-195,80 °C)
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Molares Volumen
| -3 Kubikmeter pro Mol>m3/mol
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Verdampfungswärme
| Kilojoule pro Mol>kJ/mol
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Schmelzwärme
| 0,3604 kJ/mol
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Dampfdruck
| -
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Schallgeschwindigkeit
| Meter pro Sekunde>m/s bei 298,15 K
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Verschiedenes
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Spezifische Wärmekapazität
| Joule pro Kilogramm und Kelvin>J/(kg · K)
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Elektrische Leitfähigkeit
| -
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Wärmeleitfähigkeit
| Watt pro Meter und Kelvin>W/(m · K)
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1. Ionisierungsenergie | 1402,3 kJ/mol
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2. Ionisierungsenergie | 2856 kJ/mol
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3. Ionisierungsenergie | 4578,1 kJ/mol
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4. Ionisierungsenergie | 7475,0 kJ/mol
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5. Ionisierungsenergie | 9444,9 kJ/mol
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6. Ionisierungsenergie | 53266,6 kJ/mol
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7. Ionisierungsenergie | 64360 kJ/mol
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Isotope
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| Isotop>Isotop | Natürliche Häufigkeit>NH | Halbwertszeit>t1/2 | Radioaktivität>ZM | Zerfallsenergie>ZE megaElektronenvolt | Zerfallsprodukt>ZP |
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| 13N | Synthetisches Radioisotop>{syn.} | 9,965 m | e--Einfang | 2,220 | Kohlenstoff>13C | | 14N | 99,634 % | N ist Stabiles Isotop mit 7 Neutronen | | 15N | 0,366 % | N ist stabil mit 8 Neutronen |
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Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheitensystem verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.
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Das Elementsymbol leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium ab.
Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht ("erstickt"). Er ist mit 78 % Hauptbestandteil der Luft. Atomarer Stickstoff ist als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptnährelement aller Organismen.
Er ist ein zentrales Element im Stoffhaushalt der Ökosysteme (siehe Stickstoffkreislauf) und wurde, da es in Mineralien relativ selten auftritt, auf der Erdoberfläche und im Wasser fast ausschließlich biotisch angereichert.
Stickstoff ist in der Umwelt auch ein wichtiger Dünger, er wird durch Luftstickstoffbindungen (vor allem durch Knöllchenbakterien in Wurzeln von Hülsenfrüchtler) auf natürlichem Wege im Humus angereichert.
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 Adolf Frank und Heinrich Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jahrhundert nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure nach Birkeland-Eyde, die katalytische Ammoniakverbrennung nach Wilhelm_Ostwald sowie die Haber-Bosch-Verfahren nach Fritz_Haber und Carl_Bosch. 1906 gelang es dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes erstmals Flüssiger Stickstoff mit -195,80 °C herzustellen.
In der Erdatmosphäre sind 75,5 Massen-Prozent oder 78,7 Volumen-Prozent Stickstoff. In der Erdkruste kommt Stickstoff nur zu 0,03 % vor. Stickstoffhaltige Mineralien sind relativ selten.
In der Natur gibt es zahlreiche wichtige organische Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise: Protein, Nukleinsäure, etc. Aufgebaut werden diese organischen Verbindungen aus NO3- und NH4+ Ionen. Die Aufnahme dieser Nitrat- beziehungsweise Ammoniumionen erfolgen bei Pflanzen über die Wurzeln. Umgekehrt werden beim Abbau organischen Materials (beispielsweise durch Verwesung) diese Ionen wieder frei gesetzt und stehen dem Stoffkreislauf wieder zur Verfügung (Stickstoffkreislauf).
Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft gewonnen. Alternativ kann Stickstoff auch durch das Binden des Luftsauerstoffes an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxides gewonnen werden.
Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen wässriger Ammoniumnitritlösung (NH4NO2 -> N2 +H2O) oder durch die Thermolyse von Natriumazid dargestelllt werden.
Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (2,33 ml Stickstoff in 100 ml Wasser bei 0 °C)
Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Beziehungen ein. In der 2s2p3 Konfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktettkompletierung. Verbindungen in denen dieser Bindungstypus vor kommt sind beispielsweise:
» Ammoniak
» Amine
» Hydrazin
» Hydroxylamin
Diesen Verbindungen ist allen eine triagonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nucleophile und als Basen agieren.
Der in der Natur vorkommende molekulare Distickstoff N2 ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Entsprechend hoch ist die erforderlichen Aktivierungsenergie, die gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann.
In einer Veröffentlichung im August 2004 gaben Forscher vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz bekannt, dass sie unter Drücken von über 110 GigaPascal (Einheit) bei einer Temperatur von über 2000 Kelvin eine neue kristalline Form, sogenannten polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung200408022/index.html.
Verbindungen, in denen Stickstoff vorkommt:
» Stickstoffmonoxid
» Stickstoffdioxid
» Distickstoffoxid
» Aminosäuren
» Peptide
» Proteine
» Spermin
» Jodstickstoff
» Farbstoffe
» Nitrate, Nitrite, Nitride
Technisch wird Stickstoff zur Synthese von Ammoniak 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.
Stickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignesche Probe und quantitativ mittels der Kjeldahlsche Stickstoffbestimmung oder Elementaranalyse erfasst werden.
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