Stickstoff und seine Verbindungen. Experimentalvortrag von Tobias Gerhardt am

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1 Stickstoff und seine Verbindungen Experimentalvortrag von Tobias Gerhardt am

2 Inhalt des Vortrags 1. Das Element Stickstoff (N ). Nitrat (NO 3- ) 3. Salpetersäure (HNO 3 ) 4. Ammoniak (NH 3 ) 5. Schulrelevanz der Versuche 6. Abbildungs- & Literaturverzeichnis

3 Stickstoff Scheele wies 1771 Stickstoff als Luftbestandteil nach Rutherford erkannte 177 die Elementnatur Lavoisier gab ihm den Namen Azote, von azotikos (griech. = das Leben nicht unterhaltend) Abb. 1: Daniel Rutherford ( ) [1] 3

4 Stickstoff Gehört zur 15. Gruppe des Periodensystems und ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas Unter Normalbedingungen liegt er nur als Di-Stickstoff vor, ein sehr reaktionsträges (inertes) Gas N N Erst ab 8500 K (ca. 800 C) ist die Dissoziation des Moleküls in die reaktionsfähigeren Atome möglich 4

5 Verwendung Schutzgas bei leicht oxidierbaren Substanzen, beim Schweißen und in Flugzeugreifen Zur Herstellung einer Vielzahl an chemischen Verbindungen, z.b. Ammoniak und Salpetersäure Flüssiger Stickstoff: zum Schockgefrieren, Konservieren und raschen örtlichen Betäuben 5

6 Versuch 1 Bananenhammer 6

7 Bananenhammer Flüssiger Stickstoff ist eine farblose Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur von - 195,8 C Wasser würde zu einem großen Eisblock gefrieren und beim Aufschlag zerbrechen Das Wasser in den Zellen (75 %) gefriert blitzartig, ohne größere Eiskristalle. Ihre proteinogene Faserstruktur stabilisiert sie Banane (s) x N (l) Banane (sehr s) x-y N (l) y N (g) 7

8 Elementare Vorkommen Abb. : Zusammensetzung der Luft [] 99 % (ca t) des auf der Erde existenten Stickstoffs liegen elementar als N in der Luft vor Das Verhältnis zum Luftsauerstoff beträgt 4:1 8

9 Versuch Luftverflüssigung 9

10 Luftverflüssigung Im Reagenzglas findet ein stetiger Gasaustausch statt, wodurch Sauerstoff nachgeliefert wird Sauerstoff kondensiert bei - 18,97 C, Argon bei C (Smp.: - 189, C) Im Reagenzglas entsteht ein Flüssigkeitsgemisch von Sauerstoff und Argon mit einem Verhältnis von 1:1 10

11 Stickstoffdarstellung (physikalisch) Durch das Linde-Verfahren (Carl v. Linde, um 1900) und anschließende fraktionierende Destillation der flüssigen Luft gewonnen Abb. 3: Schematische Darstellung des Linde- Verfahrens [3] 11

12 Stickstoffdarstellung (chemisch) Luft wird über glühendes Kupfer geleitet N( g) O( g) Cu( s) 4 N( g) CuO( s) Verbleibende Sauerstoffspuren: < 0 ppm Gereinigtem Stickstoff: < ppm O Sauerstofffreier, ultrareiner Stickstoff: < 10 ppm Ar Die verbleibenden Edelgase spielen aufgrund ihrer Reaktionsträgheit keine Rolle 1

13 Versuch 3 Oszillierende Stickstoffentwicklung 13

14 Oszillierende Stickstoffentwicklung Irreversible Gasfreisetzung aus einer Ammoniumnitrit-Lösung: (aq) NO (aq) N (g) H O(l) NH Abb. 4: Sehr giftig [4] (aq) H(aq) HNO NO HNO (aq) H3O(aq) NO3 (aq) NO(g) NO (g) O (g) NO (aq) (g) 14

15 Oszillierende Stickstoffentwicklung Die oszillierende Reaktion, 1976 von Degn entdeckt, beruht auf dem Phänomen der Nukleation bei einer übersättigten Lösung N ( gelöst ) N ( Keim ) N ( Keim ) N ( gelöst ) N ( Blase ) N ( Blase ) N ( gelöst ) N ( große Blase ) N ( große Blase ) N ( Gas) Abb. 5: Blasenbildung im Wasser [5] 15

16 Oszillierende Stickstoffentwicklung Bei Übersättigung beträgt die Stickstoffkonzentration c(n ) = 0,01 mol/l vor. Dies entspricht dem 19-fachen der normalen Löslichkeit Der gleiche Effekt tritt beim Öffnen einer Mineralwasserflasche auf Die Reaktion führte zur Entdeckung des Edelgases Argon durch Lord Rayleigh & Sir William Ramsey (189) 16

17 Namensherkunft & Elementsymbol 1790 führte der französische Chemiker Chaptal den Namen Nitrogenium ein, von nitros (griech.) = Salpeter und gennáo (griech.) = bilden, von welchem sich das Elementsymbol N ableitet Pentele (von penta, griech. = fünf, und Element) wurden früher auch Pnictogene genannt, von pniktos (griech.) = erstickt Stickstoff, da er weder selbst verbrennt, noch Verbrennungen unterhält 17

18 Versuch 4 Glimmspanprobe 18

19 Wunderkerzen ) ( s) Ba( NO ) ( s) Ba( NO KNO 3( s) KNO ( s) O O ( g) ( g) Abb. 6: Materialien für die Wunderkerzen [6] Feinverteilt verbrennen Eisen und Aluminium unter starker Wärme- und Lichtentwicklung 19

20 Glimmspanprobe 4 4 Fe Al ( s) ( s) 3O 3O ( g) ( g) 500 C Fe Al O O 3( s) 3( s) 1676,8 kj Der Funkenflug durch die Oxidation mit dem Luftsauerstoff bleibt aus, in reinem Sauerstoff ist er dagegen umso stärker Abb : Verbrennung in Stickstoff (links) und Sauerstoff (rechts) [6] 0

21 Glimmspanprobe Die erstickende Eigenschaft von Stickstoff und die oxidierende Eigenschaft seiner Verbindung (Nitrat) arbeiten gegeneinander Die erstickende Wirkung des Stickstoffs kommt durch den Sauerstoffmangel zustande Elementares Stickstoffgas zeigt keinerlei Wirkung gegenüber den höheren Tieren, Pflanzen oder den Menschen 1

22 Stickstoff als Lebensbestandteil Stickstoff ist essentiell für das Leben auf der Erde (Bestandteil der Proteine, Nucleinsäure) Stickstoffmangel führt zu kümmerlichem Wachstum, blasser Blattfärbung und zu frühem Blühen (Notblüte) Abb. 9: Teilschematischer Aufbau der DNA (Adenin) [7]

23 Gebundene Form In der Natur hauptsächlich als Nitrate (NO 3- ), z.b. Natriumnitrat (NaNO 3 ), auch Chilesalpeter genannt Die chemische Darstellung erfolgt durch die Umsetzung von Salpetersäure (HNO 3 ) mit Carbonaten oder Hydroxiden ( aq) NaCO3( s) NaNO3( aq) H O( l) HNO HNO 3( aq) KOH ( s) KNO 3( aq) H O ( l) CO ( g) 3

24 Der Stickstoffkreislauf Abb. 10: Vereinfachtes Diagramm zum Stickstoffkreislauf [7] 4

25 Demo 1 Nitratbestimmung (Kjeldahl-Destillation) 5

26 Nitratbestimmung (Kjeldahl-Destillation) Abb : zerkleinerte und erhitze Kartoffel (oben links), Destillationsaufbau (rechts), Rücktitration (unten links) [6] 6

27 Nitratbestimmung (Kjeldahl-Destillation) Frischeinwaage: 50, g Trockenmasse: 9,1 g Wassergehalt: 81,87 % Einwaage zur Destillation:,7 g Verbrauch an Salzsäure: 1,4 ml Nitratgehalt in,7 g Destillationseinwaage: 0,87 mg Nitratgehalt in der Trockenmasse:,93 mg = 58,4 ppm Literatur: zwischen 38 und 337 ppm, je nach Anbaugebiet, Kartoffelsorte und Düngung 7

28 Salpetersäure (HNO 3 ) Sie wurde früher durch Umsetzung von Chilesalpeter mit Schwefelsäure gewonnen NaNO H SO NaHSO HNO 3( aq) 4( aq) 4( aq) 3( aq) Industriell mittels katalytischer Ammoniakverbrennung (Ostwald-Verfahren) NH NO 3( g) ( g) 5O H O ( g) ( l) 4 NO 1,5 O ( g) ( g) 6 H O HNO ( g) 3( aq) 906,11kJ 8

29 Salpetersäure Salpetersäure (HNO 3 ) zählt neben Salz- und Schwefelsäure zu den wichtigsten Säuren der chemischen Industrie Zur Herstellung von Ammoniumnitrat (Düngemittel) sowie Farbund Explosivstoffen Abb. 14: Verbrennung von Nitrocellulose [6] Mit konz. Salzsäure bildet konz. Salpetersäure (3:1) Königswasser, welches sogar Gold aufzulösen vermag 9

30 Demo Saurer Regen 30

31 Saurer Regen Abb. 15: Versuchsaufbau [6] Abb. 16: Lichtbogen [6] 31

32 Saurer Regen Abb : Stickstoffmonoxid (links), Methylrot-Lösung (Mitte und rechts) [6] 180,6kJ NO ( g) N O NO H ( g) O ( l) ( g) 1,5 O ( g) 3( aq) 3 ( g) HNO

33 Saurer Regen Stickstoffmonoxid ist eine stark endotherme Verbindung und kann nur bei starker Energiezufuhr (Lichtbogen) aus den Elementen erzeugt werden Große Mengen NO werden in Verbrennungsmotoren und bei Gewittern erzeugt Salpetersäure trägt zu 1/3 zum sauren Regen bei (/3 werden durch Schwefelsäure aus SO verursacht) 33

34 Ammoniak (NH 3 ) Farbloses, stechend riechendes Gas Nach dem Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen gewonnen (500 C, 00 bar in Ammoniak-Kontaktöfen) H( g) N( g) NH3( g) 9, 8kJ 90 % des industriell hergestellten Ammoniaks dienen der Düngemittelproduktion (NH 4+ & NO 3- ) Außerdem für verschiedene Stickstoffverbindungen, u.a. Salpetersäure (Ostwald-Verfahren) 34

35 Versuch 5 Ammoniakspringbrunnen 35

36 Ammoniakspringbrunnen Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich (in 1 L Wasser bei 0 C ca. 700 L Ammoniakgas) wodurch ein Unterdruck entsteht, der das restliche Wasser nachsaugt Hydratation durch Dipol-Dipol-WW und Wasserstoffbrückenbindungen H H N H H 36 O H H H N H

37 Ammoniakspringbrunnen Ammoniak bildet in Wasser Ammonium- und Hydroxid- Ionen, welche das Phenolphthalein bei einem ph-wert zwischen 8,4-10,0 in die chinoide (pinke) Struktur überführen ( g) HO( l) NH 4( aq) OH( aq) NH O COO - O O OH OH - - OH - + H O HO Lactoide Struktur (farblos) Chinoide Struktur (pink) 37 O -

38 Schulrelevanz (G8) 1. Bananenhammer: 7G.1 - Aggregatzustände und ihre Übergänge. Luftverflüssigung: 7G. - Quantitative Zusammensetzung der Luft (natürliche Luftbestandteile kennenlernen) 3. Osz. Stickstoffentwicklung: 7G.1 - Lösungen und Löslichkeit (Lösen gasförmiger Stoffe in Lösemitteln) & (Gesättigte, ungesättigte Lösungen) 4. Glimmspanprobe : 7G. - Verbrennungsvorgänge in Alltag und Umwelt (Bedingungen für Brände kennen) - Reaktionen von Metallen mit Luft (Verbrennen) 5. Kjeldahl-Destillation: 9G. - Aufbau und Funktion von Böden (Düngemittel, fakultativ) 1G.1 - Nachweisreaktionen (Boden- Düngemitteluntersuchungen, fakultativ) 38

39 Schulrelevanz (G8) 5. Kjeldahl-Destillation: 9G. - Aufbau und Funktion von Böden (Düngemittel, fakultativ) 1G.1 - Nachweisreaktionen (Boden- Düngemitteluntersuchungen, fakultativ) 6. Luftverbrennung: 9G. - Säure-Base-Theorie nach Brønsted (Emission von Stickstoff, saure Niederschläge darstellen) 9G.3 - Fossile Brennstoffe (Vorgänge im Verbrennungsmotor) 7. Ammoniak-Springbrunnen: 7G.1 - Löslichkeit (Lösen gasförmiger Stoffe in Lösemitteln 9G.1 - Wassermolekül als Dipol (Zusammenhang zwischen Löslichkeit und Molekülstruktur) 9G. - Herstellung und Eigenschaften von Laugen und/oder Säuren (Ammoniakwasser) 39

40 Abbildungsverzeichnis [1] ( , 19:48 Uhr) [] ( , 13:19 Uhr) [3] Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 10. Auflage. S Berlin, New York: de Gruyter. [4] ( , 3:30 Uhr) [5] ( , 16:5 Uhr) [6] Tobias Gerhardt. Eigene Fotos. [7] Campbell, N. A. (1997). Biologie.. korrigierter Nachdruck (000). S. 311 & 158. Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer Verlag. 40

41 Literaturverzeichnis Campbell, N. A. (1997). Biologie.. korrigierter Nachdruck (000). Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer Verlag. Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 10., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. Jander, Blasius (006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. 16., überarbeitete Auflage. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. Mortimer, C. E. (001). Chemie Das Basiswissen der Chemie. 7., korrigierte Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag. FIZ CHEMIE Berlin, Fachinformationszentrum Chemie GmbH. Letzter Zugriff am unter: Seilnacht, T. Naturwissenschaftliches Arbeiten. Bern. Letzter Zugriff am , 3:4 Uhr unter: ( , 01:30 Uhr) ( , 16:08 Uhr) 41

42 Ende! Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 4