Stickstoffwasserstoffsäure

Überblick und Kennwerte

Stickstoffwasserstoffsäure (HN₃), auch Azoimid oder Hydrogenazid, ist eine instabile, farblose, leicht flüchtige und äußerst explosive Flüssigkeit mit stechendem Geruch. Sie reizt die Schleimhäute stark. Ihre Salze heißen Azide. Wegen der Instabilität der Säure werden Azide nicht aus ihr hergestellt, sondern gewöhnlich aus Natriumazid. Zur Gewinnung der Säure wird unter anderem Schwefelsäure mit Natriumazid umgesetzt.

Die molare Masse beträgt 43,03 g·mol⁻¹. Bei 25 °C liegt die Dichte bei 1,09 g·cm⁻³; der Schmelzpunkt beträgt −80 °C und der Siedepunkt 35,7 °C. Bei 20 °C hat die Flüssigkeit einen Dampfdruck von 523 hPa. Sie ist mit Wasser unbegrenzt mischbar und in Ethanol sowie Diethylether löslich. Der pKₛ-Wert, ein Maß für die Säurestärke, beträgt −4,6 in Wasser und −7,9 in DMSO. Die MAK liegt bei 0,1 ml·m⁻³ beziehungsweise 0,18 mg·m⁻³.

Herstellung

Eine Möglichkeit ist die Reaktion von salpetriger Säure mit Hydrazin im Überschuss in wässriger Salpetersäure oder Perchlorsäure bei einer H⁺-Konzentration von über 0,2 mol/l:

N₂H₅⁺ + HNO₂ → HN₃ + H₂O + H₃O⁺

Dabei geht ein Teil der gebildeten Säure durch die Nebenreaktion HN₃ + HNO₂ → N₂ + N₂O + H₂O verloren.

Hydrazin kann außerdem mit wässriger 10%iger Salpetersäure bei etwa 40 °C oxidiert werden. Die Ausbeute beträgt etwa 35 %:

17 N₂H₄ + 16 HNO₃ → 4 HN₃ + 4 NH₄NO₃ + 4 N₂O + 11 N₂ + 32 H₂O.

Weitere Verfahren sind die Elektrolyse einer gesättigten Lösung von Hydraziniumsulfat in 20%iger Schwefelsäure bei 0 °C und hoher anodischer Stromdichte sowie die Umsetzung von Natriumamid mit Natriumnitrat in flüssigem Ammoniak bei 100 °C unter Druck. Dabei entsteht Natriumazid: 2 NaNH₂ + NaNO₃ → NaN₃ + 2 NaOH + H₂O.

Das Neutralisieren einer Natriumazidlösung mit Schwefelsäure und anschließende Destillieren kann zu unkontrollierten Explosionen führen. Günther und Meyer empfehlen für reine Stickstoffwasserstoffsäure daher reines Natriumazid und Stearinsäure.

Struktur und Sicherheitsverhalten

Stickstoffwasserstoffsäure ist leicht beweglich und hochexplosiv. Schlag, Reibung, Feuer und andere Zündquellen können Explosionen auslösen. Wasserfreie Säure explodiert schon beim Erwärmen oder bei geringer Erschütterung. Konzentrierte Lösungen dürfen nicht erhitzt, nicht plätschernd umgefüllt und nicht durch hartes Aufsetzen des Gefäßes erschüttert werden. Verdünnte wässrige Lösungen mit bis zu 20 % HN₃ sind nicht explosiv. Geeignete Behältermaterialien sind Polyethylen, Glas, Edelstahl, Aluminium und Titan.

Beim Säuremolekül sind die Stickstoffatome aufgrund mesomerer Grenzstrukturen nicht linear angeordnet. Der Bindungswinkel am mittleren Stickstoffatom beträgt 173,3°, der Bindungswinkel beim Wasserstoffatom 108,8°. Die Stickstoff-Stickstoff-Bindungen haben unterschiedliche Längen; die H–N-Bindung in gasförmiger Stickstoffwasserstoffsäure ist 101,5 pm lang. Das Azid-Ion N₃⁻, das Anion der Säure, ist dagegen linear und isoelektronisch mit Kohlenstoffdioxid.

Azide und Giftwirkung

Azide ähneln in manchen Eigenschaften Chloriden. Silberazid und Bleiazid sind farblos, schwerlöslich und hochexplosiv. Natriumazid (NaN₃) ist in Wasser leicht löslich, mit einer Löslichkeit von 420 g/L. Es kann ohne Zersetzung geschmolzen werden und zerfällt ab 300 °C kontrollierbar zu metallischem Natrium und Stickstoff. Kupferazid, Cu(N₃)₂, ist extrem brisant und explodiert häufig bereits bei Berührung.

Stickstoffwasserstoffsäure ist sehr giftig, stark schleimhautreizend und riecht unerträglich durchdringend. Schon das Einatmen geringer Mengen verursacht zunächst ein Druckgefühl in der Nase. Die tödliche Dosis liegt unter 5 mg pro kg Körpergewicht. Zu den Vergiftungssymptomen zählen Übelkeit, Kopfschmerz, Schwindel, Blutdruckabfall und Herzrasen.