Salpeter geben - so wird das Wort Stickstoff aus dem Lateinischen übersetzt. Dies ist der Name von Stickstoff - ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 7, das die 15. Gruppe in der langen Version des Periodensystems anführt. In Form einer einfachen Substanz verteilt es sich in der Lufthülle der Erde - der Atmosphäre. Eine Vielzahl von Stickstoffverbindungen kommt in der Erdkruste und in lebenden Organismen vor und wird in großem Umfang in Industrie, Militär, Landwirtschaft und Medizin verwendet.
Warum Stickstoff als "erstickend" und "leblos" bezeichnet wurde
Wie Chemiehistoriker andeuten, war Henry Cavendish (1777) der erste, der diese einfache Substanz erhielt. Der Wissenschaftler leitete Luft über heiße Kohlen und absorbierte die Reaktionsprodukte mit Alkali. Als Ergebnis des Experiments entdeckte der Forscher ein farb- und geruchloses Gas, das nicht mit Kohle reagierte. Cavendish nannte es „erstickende Luft“, weil er nicht in der Lage war zu atmen und zu brennen.
Ein moderner Chemiker würde erklären, dass Sauerstoff mit Kohlenstoff zu Kohlendioxid reagiert. Der verbleibende "erstickende" Teil der Luft bestand hauptsächlich aus N2 Molekülen. Cavendish und andere Wissenschaftler kannten diese Substanz damals noch nicht, obwohl Stickstoff- und Salpeterverbindungen damals in der Wirtschaft weit verbreitet waren. Der Wissenschaftler meldete das ungewöhnliche Gas seinem Kollegen Joseph Priestley, der ähnliche Experimente durchführte.
Zugleich machte Karl Scheele auf einen unbekannten Bestandteil der Luft aufmerksam, erklärte aber dessen Herkunft nicht richtig. Erst Daniel Rutherford erkannte 1772, dass das „erstickende“, „verdorbene“Gas, das in den Experimenten vorhanden war, Stickstoff war. Welcher Wissenschaftler als sein Entdecker gelten soll – darüber streiten sich Wissenschaftshistoriker bis heute.
15 Jahre nach Rutherfords Experimenten schlug der berühmte Chemiker Antoine Lavoisier vor, den Begriff „verdorbene“Luft, der sich auf Stickstoff bezieht, durch einen anderen zu ersetzen – Stickstoff. Zu diesem Zeitpunkt wurde bewiesen, dass diese Substanz nicht brennt und die Atmung nicht unterstützt. Gleichzeitig tauchte der russische Name "Stickstoff" auf, der unterschiedlich interpretiert wird. Der Begriff wird am häufigsten als „leblos“bezeichnet. Nachfolgende Arbeiten widerlegten die weit verbreitete Meinung über die Eigenschaften von Materie. Stickstoffverbindungen - Proteine - sind die wichtigsten Makromoleküle im Aufbau lebender Organismen. Um sie aufzubauen, nehmen Pflanzen die notwendigen Elemente der mineralischen Ernährung aus dem Boden auf - Ionen NO32- und NH4+.
Stickstoff ist ein chemisches Element
Das Periodensystem (PS) hilft, den Aufbau des Atoms und seine Eigenschaften zu verstehen. Durch die Position eines chemischen Elements im Periodensystem kann man es bestimmenKernladung, Anzahl der Protonen und Neutronen (Massenzahl). Es ist notwendig, auf den Wert der Atommasse zu achten - dies ist eines der Hauptmerkmale des Elements. Die Periodenzahl entspricht der Anzahl der Energieniveaus. In der Kurzfassung des Periodensystems entspricht die Gruppennummer der Anzahl der Elektronen im äußeren Energieniveau. Fassen wir alle Daten in den allgemeinen Eigenschaften von Stickstoff nach seiner Position im Periodensystem zusammen:
- Dies ist ein nichtmetallisches Element, das sich in der oberen rechten Ecke des PS befindet.
- Chemisches Zeichen: N.
- Auftragsnummer: 7.
- Relative Atommasse: 14.0067.
- Formel für flüchtige Wasserstoffverbindungen: NH3 (Ammoniak).
- Erzeugt das höchste Oxid N2O5, in dem die Stickstoffwertigkeit V ist.
Die Struktur des Stickstoffatoms:
- Grundladung: +7.
- Anzahl Protonen:7; Anzahl der Neutronen: 7.
- Anzahl der Energiestufen: 2.
- Gesamtzahl der Elektronen: 7; Elektronische Formel: 1s22s22p3.
Die stabilen Isotope des Elements Nr. 7 wurden im Detail untersucht, ihre Massenzahlen sind 14 und 15. Der Atomgeh alt der leichteren von ihnen beträgt 99,64%. Es gibt auch 7 Protonen in den Kernen kurzlebiger radioaktiver Isotope, und die Anzahl der Neutronen ist sehr unterschiedlich: 4, 5, 6, 9, 10.
Stickstoff in der Natur
Die Lufthülle der Erde enthält Moleküle einer einfachen Substanz, deren Formel N2 ist. Der Geh alt an gasförmigem Stickstoff in der Atmosphäre ist volumenbezogenetwa 78,1 %. Anorganische Verbindungen dieses chemischen Elements in der Erdkruste sind verschiedene Ammoniumsalze und Nitrate (Nitrate). Formeln von Verbindungen und Namen einiger der wichtigsten Substanzen:
- NH3, Ammoniak.
- NO2, Stickstoffdioxid.
- NaNO3, Natriumnitrat.
- (NH4)2SO4, Ammoniumsulfat.
Wertigkeit von Stickstoff in den letzten beiden Verbindungen - IV. Auch Kohle, Erde, Lebewesen enth alten gebundene N-Atome. Stickstoff ist ein integraler Bestandteil von Aminosäure-Makromolekülen, DNA- und RNA-Nukleotiden, Hormonen und Hämoglobin. Der Gesamtgeh alt eines chemischen Elements im menschlichen Körper erreicht 2,5 %.
Einfache Substanz
Stickstoff in Form von zweiatomigen Molekülen ist nach Volumen und Masse der größte Teil der atmosphärischen Luft. Eine Substanz mit der Formel N2 hat keinen Geruch, keine Farbe oder keinen Geschmack. Dieses Gas macht mehr als 2/3 der Lufthülle der Erde aus. In flüssiger Form ist Stickstoff eine farblose Substanz, die Wasser ähnelt. Siedet bei -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Der einfache Stoff Stickstoff ist etwas leichter als Sauerstoff, seine Dichte in Luft liegt bei etwa 1.
Atome in einem Molekül binden fest 3 gemeinsame Elektronenpaare. Die Verbindung weist eine hohe chemische Stabilität auf, die sie von Sauerstoff und einer Reihe anderer gasförmiger Substanzen unterscheidet. Damit ein Stickstoffmolekül in seine Atome zerfallen kann, muss eine Energie von 942,9 kJ / mol aufgewendet werden. Eine Bindung von drei Elektronenpaaren ist sehr stark.zerfallen bei Erwärmung über 2000 °C.
Unter normalen Bedingungen findet die Dissoziation von Molekülen in Atome praktisch nicht statt. Die chemische Trägheit von Stickstoff ist auch auf das völlige Fehlen von Polarität in seinen Molekülen zurückzuführen. Sie interagieren sehr schwach miteinander, was der Grund für den gasförmigen Zustand der Materie bei Normaldruck und einer Temperatur nahe der Raumtemperatur ist. Die geringe Reaktivität von molekularem Stickstoff findet Anwendung in verschiedenen Prozessen und Geräten, wo es notwendig ist, eine inerte Umgebung zu schaffen.
Dissoziation von Molekülen N2 kann unter dem Einfluss von Sonnenstrahlung in der oberen Atmosphäre auftreten. Dabei entsteht atomarer Stickstoff, der unter normalen Bedingungen mit einigen Metallen und Nichtmetallen (Phosphor, Schwefel, Arsen) reagiert. Dadurch findet eine Synthese von Stoffen statt, die indirekt unter irdischen Bedingungen gewonnen werden.
Stickstoffvalenz
Die äußere Elektronenschicht eines Atoms besteht aus 2 s- und 3 p-Elektronen. Diese negativen Stickstoffpartikel können bei Wechselwirkung mit anderen Elementen aufgeben, was ihren reduzierenden Eigenschaften entspricht. Indem die fehlenden 3 Elektronen an das Oktett gebunden werden, zeigt das Atom oxidierende Fähigkeiten. Die Elektronegativität von Stickstoff ist geringer, seine nichtmetallischen Eigenschaften sind weniger ausgeprägt als die von Fluor, Sauerstoff und Chlor. Bei der Wechselwirkung mit diesen chemischen Elementen gibt Stickstoff Elektronen ab (wird oxidiert). Die Reduktion zu negativen Ionen wird von Reaktionen mit anderen Nichtmetallen und Metallen begleitet.
Die typische Wertigkeit von Stickstoff ist III. In diesem FallChemische Bindungen werden aufgrund der Anziehung externer p-Elektronen und der Bildung gemeinsamer (Bindungs-) Paare gebildet. Stickstoff ist aufgrund seines freien Elektronenpaares in der Lage, eine Donor-Akzeptor-Bindung auszubilden, wie sie im Ammoniumion NH4+.
. vorkommt
Labor- und Industrieproduktion
Eine der Labormethoden basiert auf den oxidierenden Eigenschaften von Kupferoxid. Es wird eine Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung verwendet - Ammoniak NH3. Dieses übel riechende Gas reagiert mit pulverisiertem schwarzem Kupferoxid. Als Ergebnis der Reaktion wird Stickstoff freigesetzt und metallisches Kupfer (rotes Pulver) erscheint. Wassertropfen, ein weiteres Produkt der Reaktion, setzen sich an den Wänden des Röhrchens ab.
Eine andere Labormethode, die eine Kombination von Stickstoff mit Metallen verwendet, ist Azid, wie NaN3. Es stellt sich ein Gas heraus, das nicht von Verunreinigungen gereinigt werden muss.
Ammoniumnitrit wird im Labor zu Stickstoff und Wasser zersetzt. Damit die Reaktion startet, muss erhitzt werden, dann läuft der Prozess unter Wärmefreisetzung ab (exotherm). Stickstoff ist mit Verunreinigungen verunreinigt, daher wird er gereinigt und getrocknet.
Stickstofferzeugung in der Industrie:
- fraktionierte Destillation von flüssiger Luft - ein Verfahren, das die physikalischen Eigenschaften von Stickstoff und Sauerstoff nutzt (unterschiedliche Siedepunkte);
- chemische Reaktion von Luft mit glühender Kohle;
- Adsorptionsgastrennung.
Wechselwirkung mit Metallen und Wasserstoff - oxidierende Eigenschaften
Trägheit starker Moleküleerlaubt es nicht, einige Stickstoffverbindungen durch direkte Synthese zu erh alten. Um Atome zu aktivieren, ist eine starke Erwärmung oder Bestrahlung der Substanz notwendig. Stickstoff kann mit Lithium bei Raumtemperatur reagieren, mit Magnesium, Calcium und Natrium findet die Reaktion nur bei Erwärmung statt. Es entstehen die entsprechenden Metallnitride.
Die Wechselwirkung von Stickstoff mit Wasserstoff findet bei hohen Temperaturen und Drücken statt. Dieser Prozess erfordert auch einen Katalysator. Es stellt sich heraus, dass Ammoniak eines der wichtigsten Produkte der chemischen Synthese ist. Stickstoff als Oxidationsmittel weist in seinen Verbindungen drei negative Oxidationsstufen auf:
- −3 (Ammoniak und andere Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs sind Nitride);
- −2 (Hydrazin N2H4);
- −1 (Hydroxylamin NH2OH).
Das wichtigste Nitrid - Ammoniak - wird in großen Mengen in der Industrie produziert. Die chemische Trägheit von Stickstoff blieb lange Zeit ein großes Problem. Salpeter war seine Rohstoffquelle, aber die Mineralreserven begannen mit zunehmender Produktion rapide abzunehmen.
Eine große Errungenschaft der chemischen Wissenschaft und Praxis war die Schaffung der Ammoniakmethode zur Stickstofffixierung im industriellen Maßstab. In speziellen Kolonnen wird die Direktsynthese durchgeführt - ein reversibler Prozess zwischen aus Luft gewonnenem Stickstoff und Wasserstoff. Wenn optimale Bedingungen geschaffen werden, die das Gleichgewicht dieser Reaktion in Richtung des Produkts verschieben, erreicht die Ammoniakausbeute mit einem Katalysator 97 %.
Wechselwirkung mit Sauerstoff - reduzierende Eigenschaften
Um die Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff zu starten, ist starkes Erhitzen notwendig. Ein Lichtbogen und eine Blitzentladung in der Atmosphäre haben genügend Energie. Die wichtigsten anorganischen Verbindungen, in denen Stickstoff in seinen positiven Oxidationsstufen vorliegt:
- +1 (Stickstoffmonoxid (I) N2O);
- +2 (Stickstoffmonoxid NO);
- +3 (Stickstoffmonoxid (III) N2O3; salpetrige Säure HNO2, seine Salze sind Nitrite);
- +4 (Stickstoff(IV)dioxid NO2);
- +5 (Stickstoffpentoxid (V) N2O5, Salpetersäure HNO3, Nitrate).
Bedeutung in der Natur
Pflanzen absorbieren Ammoniumionen und Nitratanionen aus dem Boden, nutzen für chemische Reaktionen die in Zellen ständig stattfindende Synthese organischer Moleküle. Atmosphärischer Stickstoff kann von Knötchenbakterien aufgenommen werden – mikroskopisch kleine Lebewesen, die Wucherungen an den Wurzeln von Hülsenfrüchten bilden. Dadurch erhält diese Pflanzengruppe das notwendige Nährstoffelement, reichert den Boden damit an.
Während tropischer Regengüsse treten atmosphärische Stickstoffoxidationsreaktionen auf. Oxide lösen sich zu Säuren auf, diese Stickstoffverbindungen gelangen im Wasser in den Boden. Durch die Zirkulation des Elements in der Natur werden seine Reserven in Erdkruste und Luft ständig aufgefüllt. Stickstoffh altige komplexe organische Moleküle werden von Bakterien in anorganische Bestandteile zerlegt.
Praxiseinsatz
Die wichtigsten VerbindungenStickstoff für die Landwirtschaft sind gut lösliche Salze. Harnstoff, Salpeter (Natrium, Kalium, Calcium), Ammoniumverbindungen (eine wässrige Lösung von Ammoniak, Chlorid, Sulfat, Ammoniumnitrat) werden von Pflanzen aufgenommen Nitrate. Teile des pflanzlichen Organismus können Makronährstoffe „für die Zukunft“speichern, was die Qualität der Produkte verschlechtert. Ein Überschuss an Nitraten in Gemüse und Obst kann bei Menschen zu Vergiftungen und zum Wachstum bösartiger Neubildungen führen. Neben der Landwirtschaft werden Stickstoffverbindungen auch in anderen Industrien verwendet:
- Medikamente erh alten;
- zur chemischen Synthese makromolekularer Verbindungen;
- bei der Herstellung von Sprengstoffen aus Trinitrotoluol (TNT);
- zur Herstellung von Farbstoffen.
NO-Oxid wird in der Chirurgie verwendet, die Substanz hat eine schmerzlindernde Wirkung. Der Verlust der Empfindungen beim Einatmen dieses Gases wurde sogar von den ersten Forschern der chemischen Eigenschaften von Stickstoff bemerkt. So entstand der Trivialname "Lachgas".
Nitratproblematik in landwirtschaftlichen Produkten
Salpetersäuresalze - Nitrate - enth alten ein einfach geladenes Anion NO3-. Bisher wird der alte Name dieser Stoffgruppe verwendet - Salpeter. Nitrate werden zur Düngung von Feldern, Gewächshäusern und Obstplantagen verwendet. Sie werden im zeitigen Frühjahr vor der Aussaat im Sommer in Form von flüssigen Dressings angewendet. Die Stoffe selbst stellen für den Menschen aber keine große Gefahr darim Körper werden sie zu Nitriten und dann zu Nitrosaminen. Nitritionen NO2- sind toxische Partikel, sie bewirken die Oxidation von Eisen(II) in Hämoglobinmolekülen zu dreiwertigen Ionen. In diesem Zustand ist die Hauptsubstanz des Blutes von Menschen und Tieren nicht in der Lage, Sauerstoff zu transportieren und Kohlendioxid aus dem Gewebe zu entfernen.
Was ist die Gefahr einer Nitratbelastung von Lebensmitteln für die menschliche Gesundheit:
- bösartige Tumore, die entstehen, wenn Nitrate in Nitrosamine (Karzinogene) umgewandelt werden;
- Entwicklung einer Colitis ulcerosa,
- Hypotonie oder Hypertonie;
- Herzinsuffizienz;
- Blutgerinnungsstörung
- Leber, Bauchspeicheldrüse, Diabetesentwicklung;
- Entwicklung von Nierenversagen;
- Anämie, Gedächtnisstörungen, Aufmerksamkeit, Intelligenz.
Der gleichzeitige Verzehr verschiedener Lebensmittel mit hohen Nitratdosen führt zu einer akuten Vergiftung. Quellen können Pflanzen, Trinkwasser, zubereitete Fleischgerichte sein. Durch Einweichen in sauberes Wasser und Kochen kann der Nitratgeh alt von Lebensmitteln reduziert werden. Die Forscher fanden heraus, dass in unreifen und Gewächshauspflanzenprodukten höhere Dosen gefährlicher Verbindungen gefunden wurden.
Phosphor ist ein Element der Stickstoff-Untergruppe
Atome chemischer Elemente, die sich in derselben vertikalen Sp alte des Periodensystems befinden, weisen gemeinsame Eigenschaften auf. Phosphor befindet sich in der dritten Periode, gehört wie Stickstoff zur 15. Gruppe. Die Struktur der AtomeElemente sind ähnlich, aber es gibt Unterschiede in den Eigenschaften. Stickstoff und Phosphor weisen in ihren Verbindungen mit Metallen und Wasserstoff eine negative Oxidationsstufe und die Wertigkeit III auf.
Viele Reaktionen von Phosphor finden bei gewöhnlichen Temperaturen statt, es ist ein chemisch aktives Element. Es interagiert mit Sauerstoff, um ein höheres Oxid P2O5 zu bilden. Eine wässrige Lösung dieses Stoffes hat die Eigenschaften einer Säure (Metaphosphorsäure). Beim Erhitzen entsteht Orthophosphorsäure. Es bildet mehrere Arten von Salzen, von denen viele als Mineraldünger dienen, wie z. B. Superphosphate. Stickstoff- und Phosphorverbindungen sind ein wichtiger Bestandteil des Stoff- und Energiekreislaufs auf unserem Planeten, sie werden in industriellen, landwirtschaftlichen und anderen Tätigkeitsbereichen verwendet.