Chemie · Klasse 7–13 · aktualisiert
Stickstoff: Eigenschaften, Kreislauf und Nutzung
Stickstoff in Luft, Kreislauf und Technik: Warum N₂ wenig reagiert, wie Pflanzen Stickstoff nutzen und wo Risiken liegen.
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Kurz gesagt
Stickstoff ist das Element N. Als N₂ bildet er rund 78 Volumenprozent trockener Luft und reagiert unter üblichen Bedingungen nur schwer. Pflanzen nutzen meist gebundene Formen wie Ammonium und Nitrat; gasförmiger Stickstoff dient als Schutzgas, kann aber Sauerstoff verdrängen.
Stickstoff ist das Element mit dem Symbol N. In der Luft liegt er überwiegend als N₂ vor und macht rund 78 Volumenprozent aus. Obwohl Lebewesen Stickstoff brauchen, können Pflanzen den reaktionsträgen Luftstickstoff nicht direkt nutzen.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Stickstoff hat die Ordnungszahl 7 und die relative Atommasse 14,01. Die Ordnungszahl zählt die Protonen im Atom (Protonen: positiv geladene Teilchen im Atomkern); die relative Atommasse vergleicht die Atommasse mit einer festgelegten Bezugsmasse und hat keine Einheit. Elementarer Stickstoff besteht gewöhnlich aus Molekülen mit je zwei Stickstoffatomen: N₂.
Bei Raumtemperatur ist N₂ farb-, geruch- und geschmacklos. Es ist nicht brennbar und löst sich nur wenig in Wasser. Bei normalem Luftdruck siedet es bei etwa −196 °C; bei dieser Temperatur und darunter (bis −210 °C) ist es eine farblose Flüssigkeit.
Definition
Luftgemisch
Luft ist ein Gemisch verschiedener Gase und keine einzelne chemische Verbindung. N₂ ist mit rund 78 Volumenprozent ihr größter Bestandteil.
Merke: N bezeichnet das Element und ein einzelnes Stickstoffatom. N₂ bezeichnet ein Molekül aus zwei Stickstoffatomen.
Teste dich
Die beiden Stickstoffatome im N₂-Molekül sind durch eine sehr starke Dreifachbindung verbunden: Zwischen ihnen liegen drei Bindungen. Um eine Reaktion zu starten, muss diese stabile Bindung aktiviert werden. Das kostet viel Energie. Ein Katalysator ist ein Stoff, der einen leichteren Reaktionsweg ermöglicht und dabei insgesamt nicht verbraucht wird.
Definition
Reaktionsträgheit
Ein Stoff heißt reaktionsträge, wenn er unter üblichen Bedingungen nur langsam oder schwer reagiert. Das bedeutet nicht, dass er grundsätzlich nie reagieren kann.
Beispiel
- 1Als Schutzgas kann N₂ den Kontakt eines Stoffes mit Sauerstoff verringern.
- 2Seine geringe Reaktionsbereitschaft ist dabei nützlich.
- 3Für die Herstellung von Ammoniak muss N₂ dagegen mit Wasserstoff umgesetzt werden; dafür sind hoher Druck, hohe Temperatur und ein Katalysator nötig.
Merke: Die Dreifachbindung ist stark. Ihre Aktivierung braucht viel Energie. Darum reagiert N₂ unter üblichen Bedingungen nur schwer.
Teste dich
Lebewesen brauchen gebundenen Stickstoff für Eiweiße (Proteine) und ihr Erbgut (DNA). Die meisten Pflanzen können \ce{N2} aus der Luft nicht direkt nutzen. Mikroorganismen wandeln Stickstoff zwischen gasförmigen, mineralischen und organischen Formen um.
Bei der Fixierung wird Luftstickstoff zu gebundenem Stickstoff wie Ammonium. Bei der Nitrifikation wird Ammonium über Zwischenstufen zu Nitrat. Pflanzen nehmen vor allem Ammonium- und Nitratverbindungen auf; Tiere erhalten Stickstoff über Nahrung. Beim Abbau von Resten entsteht durch Ammonifikation wieder Ammonium. Bei der Denitrifikation wird Nitrat wieder zu gasförmigem Stickstoff. Das ist ein vereinfachtes Modell mit weiteren Zwischenstufen in der Natur.
Beispiel
- 1Hülsenfrüchtler leben mit Knöllchenbakterien an ihren Wurzeln zusammen.
- 2Die Bakterien binden Luftstickstoff; die Pflanze erhält dadurch nutzbare Stickstoffverbindungen.
- 3So wird aus reaktionsträgem N₂ biologisch verfügbarer Stickstoff.
Beispiel: So gehst du vor
- 1Stickstofffixierung: Bestimmte Mikroorganismen wandeln Luftstickstoff in gebundenen Stickstoff wie Ammonium um.
- 2Nitrifikation: Andere Bakterien wandeln Ammonium schrittweise in Nitrat um.
- 3Aufnahme: Pflanzen nehmen vor allem Ammonium- und Nitratverbindungen auf und bauen den Stickstoff in körpereigene Stoffe ein. Tiere erhalten ihn über ihre Nahrung.
- 4Ammonifikation: Mikroorganismen bauen stickstoffhaltige Reste und Ausscheidungen ab; dabei entsteht wieder Ammonium.
- 5Denitrifikation: Bodenbakterien wandeln Nitrat schließlich wieder in gasförmigen Stickstoff um.
Teste dich
Industriell gewinnt man N₂ vor allem aus stark gekühlter, verflüssigter Luft. Beim Erwärmen werden ihre Gase bei verschiedenen Temperaturen wieder gasförmig und getrennt aufgefangen. Das heißt fraktionierte Destillation. Gasförmiger Stickstoff dient wegen seiner Reaktionsträgheit als Schutz-, Transport- und Füllgas. Er ist außerdem Ausgangsstoff für Ammoniak und damit für Düngemittel, die Pflanzen gebundenen Stickstoff liefern.
Bei normalem Luftdruck siedet Flüssigstickstoff bei etwa −196 °C. Beim Verdampfen nimmt er viel Wärme auf und wird für Tieftemperaturkühlung, Schockfrieren und die Lagerung biologischer Proben genutzt. Seine extreme Kälte kann Haut schädigen; verdampfendes N₂ kann in schlecht belüfteten Räumen den Sauerstoff verdrängen. Mit flüssigem Stickstoff arbeiten deshalb nur erfahrene, unterwiesene Personen in gut belüfteten Räumen: mit geschlossener Schutzbrille, körperbedeckender trockener Kleidung, geschlossenen Sicherheitsschuhen und Kälteschutzhandschuhen; bei Spritzgefahr zusätzlich mit Gesichtsschutz.
Mehr reaktiver Stickstoff kann Erträge erhöhen. Ein Überschuss belastet Umwelt und Gesundheit: Nitrat kann ins Grundwasser gelangen; zu viele Nährstoffe können Algen in Gewässern stark wachsen lassen (Eutrophierung). Stickoxide belasten die Luft, und Lachgas \ce{N2O} wirkt auf das Klima.
Merke: Stickstoffgas ist ungiftig, aber nicht automatisch ungefährlich: Es kann Sauerstoff verdrängen. In geschlossenen oder mit N₂ gespülten Räumen drohen unbemerkter Sauerstoffmangel, Bewusstlosigkeit und Tod.
Beispiel
- 1Ein Behälter wird mit N₂ gefüllt, damit ein Stoff nicht mit Sauerstoff reagiert.
- 2Das ist chemisch nützlich.
- 3Für Menschen entsteht jedoch eine Gefahr, wenn austretendes N₂ in einem schlecht belüfteten Raum den Sauerstoffanteil senkt.
- 4Schutzwirkung und Erstickungsgefahr beruhen hier auf derselben Eigenschaft: der Verdrängung von Sauerstoff.
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Alles auf einen Blick
Stickstoff
Luft
N₂ ist mit rund 78 Volumenprozent der größte Anteil trockener Luft
Bindung
Die starke Dreifachbindung macht N₂ unter üblichen Bedingungen reaktionsträge
Kreislauf
Fixierung bindet N₂; Nitrifikation bildet Nitrat; Denitrifikation führt zu N₂ zurück
Lebewesen
Pflanzen nehmen gebundene Formen auf; Stickstoff steckt in Proteinen und DNA
Nutzung
N₂ dient als Schutzgas und als Ausgangsstoff für Ammoniak
Sicherheit
Stickstoffgas kann Sauerstoff verdrängen; flüssiger Stickstoff ist extrem kalt
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Stickstoff für eine Pflanze verfolgen
- 1Am Wurzelbereich einer Pflanze leben stickstoffbindende Mikroorganismen.
- 2Sie wandeln Luftstickstoff \ce{N2} in gebundene Stickstoffverbindungen um.
- 3Andere Mikroorganismen können daraus über Zwischenstufen Nitrat bilden.
- 4Die Pflanze nimmt gebundenen Stickstoff auf; sie nimmt das \ce{N2} nicht direkt aus der Luft.
Fehler finden
Weg des Stickstoffs im Boden In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile benennt den Prozess falsch. Richtig: Die Umwandlung von Ammonium über Zwischenstufen zu Nitrat heißt Nitrifikation. Denitrifikation führt von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Luftstickstoff liegt meist als vor. Pflanzen nehmen Stickstoff oft als auf. Die Rückführung von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff heißt .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback