Stickstoff - Anorganische Chemie
Anorganische Chemie
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Transkript (automatisch erstellt)

0:13 Hallo, schön, dass Sie hier sind! In diesem Video lernen Sie mit dem Stickstoff
0:17 das erste Element der Gruppe der Pentele kennen. Sie lernen sein Vorkommen und seine Eigenschaften
0:23 sowie einen Weg zur chemischen Aktivierung des Elements zu beschreiben. Das Element Stickstoff ist in vielen Kontexten bedeutend,
0:31 sowohl in der organischen und anorganischen Chemie als auch in der Biochemie, wo er beispielsweise als zentraler Baustein der Aminosäuren
0:39 und der Purinbasen vorkommt. Obwohl der menschliche Körper nur zu etwa 3% aus Stickstoff besteht,
0:46 ist das Element damit doch das Vierthäufigste in unserem Körper. In der Natur kommt der Stickstoff elementar als diatomares Molekül vor.
0:56 In der Luft bildet es mit etwa 78,1 Volumenprozent den Hauptbestandteil und gleichzeitig die wichtigste Quelle
1:03 für die Darstellung stickstoffhaltiger Verbindungen. Daher ist es auch ein wichtiges Industriegas,
1:10 das technisch durch die Verflüssigung und anschließende fraktionierte Destillation der Luft gewonnen wird.
1:18 Der durch Luftverflüssigung erhaltene Stickstoff enthält in der Regel noch Edelgase, insbesondere das Argon,
1:23 dessen Siedepunkt nur etwa 10°C über dem des Distickstoffs liegt. Alternativ zur Luftverflüssigung kann die Aufreinigung der Luft
1:33 daher auch mithilfe membranbasierter Verfahren erfolgen. Diese liefern etwa 95%igen Stickstoff.
1:42 Sofern im Labor chemisch reiner Stickstoff benötigt wird, kann dieser auch vor Ort durch die thermische Zersetzung
1:48 von reinem Natriumazid gewonnen werden. Das Natriumazid zersetzt sich oberhalb 275°C wie hier beschrieben
1:57 in die Elemente. Formell handelt es sich dabei um eine Reduktion des Natriums
2:03 bei gleichzeitiger Oxidation des Stickstoffs. Der molekulare Stickstoff ist ein sehr reaktionsträges Gas
2:10 mit einem Siedepunkt von -196°C bzw. 77 K. In flüssiger Form ist der Distickstoff
2:19 daher auch ein viel verwendetes Tieftemperatur-Kühlmittel. Die Reaktionsträgheit des Moleküls kann auf seinen unpolaren Charakter
2:29 und insbesondere die hohe Bindungsenthalpie von 942 kJ/mol zurückgeführt werden. Diese wiederum resultiert aus der formellen Bindungsordnung von drei.
2:41 Diese hohe Bindungsordnung wird erreicht, da das Stickstoffatom mit seiner Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 und 2p3
2:50 drei Bindungen eingehen muss, um formell eine Edelgaskonfiguration zu erreichen. Nach einer Vorstellung
2:58 würde das Molekül seine drei p-Orbitale zur Bindungsbildung verwenden, um eine sigma- und zwei pi-Bindungen auszubilden.
3:07 Allerdings liegen das 2s- und die 3p- Orbitale energetisch so nahe beieinander, dass eine Wechselwirkung zwischen diesen möglich ist.
3:16 Im Sinne der Valenzbindungstheorie kann man daher von einer zumindest teilweisen Hybridisierung ausgehen.
3:24 Im Fall einer angenommenen sp- Hybridisierung würde die Dreifachbindung daher wie hier gezeigt zustande kommen.
3:31 Je ein sp-Hybridorbital der beiden Stickstoff-Atome ist entlang der Bindungsachse zum Bindungspartner hin orientiert.
3:39 Es kommt zu einer Überlappung und Ausbildung einer sigma-Bindung. Man kann sich hierbei gut vorstellen,
3:46 dass die Überlappung zweier stark zueinander orientierter sp-Hybridorbitale zu einer besseren Überlappung führt,
3:53 als die Überlappung zweier nicht hybridisierter p-Orbitale. Parallel hierzu können je zwei in der Projektionsfläche
4:01 bzw. senkrecht dazu stehende p-Orbitale seitlich miteinander überlappen und, wie hier angedeutet, eine pi-Bindung ausbilden.
4:11 Mit einer sigma- und zwei pi-Bindungen, die so gebildet würden, wäre damit die Bindungsordnung von drei erreicht.
4:19 In einer Beschreibung der Bindung im Sinne der Molekülorbitaltheorie führt die Wechselwirkung der energetisch ähnlichen 2s- und 2p-Niveaus
4:27 zu einer Interferenz dieser Niveaus. Ein Resultat hieraus ist, dass, anders als im Disauerstoff-Molekül,
4:34 das bindende sigma-Molekülorbital ein geringfügig höheres Energieniveau annimmt, als die beiden bindenden pi-Niveaus,
4:41 die aus einer Wechselwirkung von px- und py-Orbitalen resultieren. Die Bindungsachse wäre gemäß dieser Betrachtung entlang der z-Achse orientiert.
4:54 Die Bindungsordnung von drei ergibt sich dann daraus, dass diese drei bindenden Molekülorbitale mit jeweils zwei Elektronen vollständig
5:02 und die entsprechenden antibindenden Molekülorbitale nicht gefüllt sind. Die genannte Interferenz der 2s- und 2p-Niveaus beider Stickstoffatome
5:13 hatten wir bei der Betrachtung im Sinne der Valenzbindungstheorie alternativ als sp-Hybridisierung interpretiert.
5:21 Um den Stickstoff als Quelle für weitere Verbindungen nutzen zu können, ist aufgrund der starken Bindung bzw. der hohen Bindungsenthalpie
5:28 ein erheblicher Energieeintrag notwendig. Eine reduktive Aktivierung mit dem starken Reduktionsmittel Wasserstoff
5:36 erfolgt beispielsweise im Haber-Bosch-Verfahren, das aber an anderer Stelle diskutiert wird.
5:42 Einen anderen klassisch- anorganischen Zugang zu einer reaktiven Stickstoffverbindung bietet die hier beschriebene Reaktion
5:49 mit Calciumcarbid als Reduktionsmittel. Diese Verbindung enthält formell eine C2(2-)-Anion
5:58 und somit Kohlenstoff in der Oxidationsstufe –I. Die Umsetzung mit Distickstoff liefert bei Temperaturen zwischen 1000 und 1100°C
6:09 die Verbindung Ca-NCN, das Calciumcyanamid. Das Cyanamid-Anion ist ebenfalls zweifach negativ geladen
6:20 und enthält Stickstoff in der Oxidationsstufe –III, welcher somit um jeweils drei Elektronen reduziert wurde.
6:29 Gleichzeitig sind oxidierte Kohlenstoffatome enthalten, die die Oxidationsstufen +IV, im Cyanamid,
6:35 bzw. 0, im elementaren Kohlenstoff, aufweisen. Das Cyanamid-Anion ist isoelektronisch mit dem Kohlendioxid
6:45 und daher ebenfalls linear gebaut. Das Calciumcyanamid wird unter der Bezeichnung Kalkstickstoff
6:53 unter anderem als Düngemittel eingesetzt. Im Boden reagiert es mit der Feuchtigkeit
6:58 gemäß der hier formulierten Reaktions- gleichung zu Calciumcarbonat CaCO3 und liefert den für die Pflanzen wichtigen Ammoniak als Stickstoffquelle.
7:09 Das Calciumcarbonat sorgt zudem dafür, dass eine Übersäuerung des Bodens vermieden wird.
7:16 Zusammenfassend haben Sie das Vorkommen, die Gewinnung und die Eigenschaften des Stickstoffs kennengelernt und sind nun in der Lage diese
7:22 sowie einen Weg zu seiner chemischen Aktivierung zu beschreiben. Versuchen Sie nun selbst einmal,
7:28 die Eigenschaften des Distickstoffs zu formulieren und in unterschiedlichen Kontexten anzuwenden.