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Inhalt des Vortrags
1. Das Element Stickstoff (N2)
2. Nitrat (NO3-)
3. Salpetersäure (HNO3)
4. Ammoniak (NH3)
5. Schulrelevanz der Versuche
6. Abbildungs- & Literaturverzeichnis
202.07.2009
Stickstoff
• Scheele wies 1771 Stickstoff als Luftbestandteil nach
• Rutherford erkannte 1772 die
Elementnatur
• Lavoisier gab ihm den Namen Azote,
von azotikos (griech. = das Leben
nicht unterhaltend)
302.07.2009
Abb. 1: Daniel Rutherford(1749 – 1819) [1]
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
• Erst ab 8500 K (ca. 8200 °C) ist die Dissoziation des Moleküls in die reaktionsfähigeren Atome möglich
02.07.2009 4
|| NN
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
02.07.2009 5
Bananenhammer
• Flüssiger Stickstoff ist eine farblose Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur von - 195,82 °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
7
(g) (l)(sehr s) (l)(s) N y N x-y Banane N x Banane 222
02.07.2009
Elementare Vorkommen
• 99 % (ca. 1015 t) des auf der Erde existenten Stickstoffs liegen elementar als N2 in der Luft vor
• Das Verhältnis zum Luftsauerstoff beträgt 4:1
8
Abb. 2: Zusammensetzung der Luft [2]
02.07.2009
Luftverflüssigung
• Im Reagenzglas findet ein stetiger Gasaustausch statt, wodurch Sauerstoff nachgeliefert wird
• Sauerstoff kondensiert bei - 182,97 °C,
Argon bei - 186 °C (Smp.: - 189,2 °C)
• Im Reagenzglas entsteht ein Flüssigkeitsgemisch von Sauerstoff und Argon mit einem Verhältnis von 21:1
1002.07.2009
Stickstoffdarstellung(physikalisch)
• Durch das Linde-Verfahren (Carl v. Linde, um 1900) und anschließende fraktionierende Destillation der flüssigen Luft gewonnen
11
Abb. 3: SchematischeDarstellung des Linde-Verfahrens [3]
02.07.2009
Stickstoffdarstellung(chemisch)
• Luft wird über glühendes Kupfer geleitet
• Verbleibende Sauerstoffspuren: < 20 ppm
Gereinigtem Stickstoff: < 2 ppm O2
Sauerstofffreier, ultrareiner Stickstoff: < 10 ppm Ar
• Die verbleibenden Edelgase spielen aufgrund ihrer Reaktionsträgheit keine Rolle
12
)()(2)()(2)(2 2424 sgsgg CuO N Cu O N
02.07.2009
0 0 0 0 +2 -2
Oszillierende Stickstoffentwicklung
• Irreversible Gasfreisetzung aus einer Ammoniumnitrit-Lösung:
14
(g) (g)(g)
(g) (aq)(aq) (aq)
(aq)(aq)
-
(aq)
(l) (g) (aq) (aq)
NO O NO
NO NO O H HNO
HNO H NO
OH N NO NH
22
332
22
2224
22
23
2
Abb. 4: Sehr giftig [4]
02.07.2009
-1 +1 +3 -2 0 +1 -2
+3 -2 +1 +1 +3 -2
+1 +3 -2 +1 -2 +5 -2 +2 -2
+2 -2 0 +4 -2
Oszillierende Stickstoffentwicklung
• Die oszillierende Reaktion, 1976 von Degn entdeckt, beruht auf dem Phänomen der Nukleation bei einer übersättigten Lösung
15
)()(
)()()(
)(2)()(
)()(
22
222
222
22
GasNBlasegroßeN
BlasegroßeNgelöstNBlaseN
BlaseNgelöstNKeimN
KeimNgelöstN
Abb. 5: Blasenbildungim Wasser [5]
02.07.2009
Oszillierende Stickstoffentwicklung
• Bei Übersättigung beträgt die Stickstoffkonzentration c(N2) = 0,012 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 (1892)
1602.07.2009
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
02.07.2009 17
Wunderkerzen
Feinverteilt verbrennen Eisen und
Aluminium unter starker
Wärme- und Lichtentwicklung
1902.07.2009
Abb. 6: Materialien für die Wunderkerzen [6]
)(2)(2)(3
)(2)(22)(23
22
)()(
gss
gss
OKNOKNO
ONOBaNOBa
+3 +5 -2 +2 +4 -2 0
+1 +5 -2 +1 +3 -2 0
„Glimmspanprobe“
Der Funkenflug durch die Oxidation mit dem Luft-sauerstoff bleibt aus, in „reinem“ Sauerstoff ist er dagegen umso stärker
2002.07.2009
Abb. 7 + 8: Verbrennung in Stickstoff(links) und Sauerstoff (rechts) [6]
kJOAlOAl
OFeOFe
sgs
s
C
gs
8,1676234
234
)(32)(2)(
)(32
500
)(2)(
0 0 +3 -2
0 0 +3 -2
„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
02.07.2009 21
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)
02.07.2009 22
Abb. 9: TeilschematischerAufbau der DNA (Adenin) [7]
Gebundene Form
• In der Natur hauptsächlich als Nitrate (NO3-),
z.B. Natriumnitrat (NaNO3), auch Chilesalpeter genannt
• Die chemische Darstellung erfolgt durch die Umsetzung von Salpetersäure (HNO3) mit Carbonaten oder Hydroxiden
23
)(2)(3)()(3
)(2)(2)(3)(32)(3 22
laqsaq
glaqsaq
OHKNOKOHHNO
COOHNaNOCONaHNO
02.07.2009
+1 +5 -2 +1 +4 -2 +1 +5 -2 +1 -2 +4 -2
+1 +5 -2 +1 -2 +1 +1 +5 -2 +1 -2
Nitratbestimmung(Kjeldahl-Destillation)
2602.07.2009
Abb. 11 – 13: zerkleinerte und erhitze Kartoffel (oben links),Destillationsaufbau (rechts), Rücktitration (unten links) [6]
Nitratbestimmung(Kjeldahl-Destillation)
• Frischeinwaage: 50,2 g
• Trockenmasse: 9,1 g Wassergehalt: 81,87 %
• Einwaage zur Destillation: 2,7 g
• Verbrauch an Salzsäure: 1,4 mL
• Nitratgehalt in 2,7 g Destillationseinwaage: 0,87 mg
• Nitratgehalt in der Trockenmasse: 2,93 mg = 58,4 ppm
• Literatur: zwischen 38 und 337 ppm, je nach Anbaugebiet, Kartoffelsorte und Düngung
02.07.2009 27
Salpetersäure (HNO3)
• Sie wurde früher durch Umsetzung von Chilesalpeter mit Schwefelsäure gewonnen
• Industriell mittels katalytischer Ammoniakverbrennung (Ostwald-Verfahren)
02.07.2009 28
)(3)(4)(42)(3 aqaqaqaq HNONaHSOSOHNaNO
)(3)(2)(2)(
)(2)()(2)(3
25,12
11,9066454
aqglg
gggg
HNOOOHNO
kJOHNOONH
+1 +5 -2 +1 +6 -2 +1 +1 +6 -2 +1 +5 -2
-3 +1 0 +2 -2 +1 -2
+2 -2 +1 -2 0 +1 +5 -2
Salpetersäure
• Salpetersäure (HNO3) zählt neben Salz- und Schwefel-säure zu den wichtigsten Säurender chemischen Industrie
• Zur Herstellung von Ammonium-nitrat (Düngemittel) sowie Farb-und Explosivstoffen
• Mit konz. Salzsäure bildet konz. Salpetersäure (3:1) Königswasser, welches sogar Gold aufzulösen vermag
02.07.2009 29
Abb. 14: Verbrennung von Nitrocellulose [6]
Saurer Regen
02.07.2009 32
Abb. 17 -19: Stickstoffmonoxid (links), Methylrot-Lösung (Mitte und rechts) [6]
)(3)(2)(2)(
)()(2)(2
25,12
262,180
aqglg
ggg
HNOOOHNO
NOONkJ
0 0 +2 -2
+2 -2 +1 -2 0 +1 +5 -2
Saurer Regen
• Stickstoffmonoxid ist eine stark endotherme Verbin-dung und kann nur bei starker Energiezufuhr (Licht-bogen) aus den Elementen erzeugt werden
• Große Mengen NO werden in Verbrennungsmotoren und bei Gewittern erzeugt
• Salpetersäure trägt zu 1/3 zum sauren Regen bei (2/3 werden durch Schwefelsäure aus SO2 verursacht)
02.07.2009 33
Ammoniak (NH3)
• Farbloses, stechend riechendes Gas
• Nach dem Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen gewonnen (500 °C, 200 bar in Ammoniak-Kontaktöfen)
• 90 % des industriell hergestellten Ammoniaks dienen der Düngemittelproduktion (NH4
+ & NO3-)
• Außerdem für verschiedene Stickstoffverbindungen, u.a. Salpetersäure (Ostwald-Verfahren)
02.07.2009 34
kJNHNH ggg 28,9223 )(3)(2)(2 0 0 -3 +1
Ammoniak-springbrunnen
• Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich (in 1 L Wasser bei 20 °C ca. 700 L Ammoniakgas) wodurch ein Unterdruck entsteht, der das restliche Wasser „nachsaugt“
• Hydratation durch Dipol-Dipol-WW und Wasserstoff-brückenbindungen
02.07.2009 36
N HH
H
H
O
H
H N
H
H
Ammoniak-springbrunnen
• 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
02.07.2009 37
)()(4)(2)(3 aqaqlg OHNHOHNH-3 +1 +1 -2 -3 +1 -2 +1
O
OH
OH
O
O-
OCOO-
2 OH-
- 2 OH-
Lactoide Struktur (farblos) Chinoide Struktur (pink)
+ 2 H2O
Schulrelevanz (G8)
1. Bananenhammer: 7G.1 - Aggregatzustände und ihre Übergänge
2. Luftverflüssigung: 7G.2 - 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.2 - Verbrennungsvorgänge in Alltag und Umwelt (Bedingungen für Brände kennen)- Reaktionen von Metallen mit Luft (Verbrennen)
5. Kjeldahl-Destillation: 9G.2 - Aufbau und Funktion von Böden (Düngemittel, fakultativ)
12G.1 - Nachweisreaktionen (Boden- Düngemitteluntersuchungen, fakultativ)
02.07.2009 38
Schulrelevanz (G8)
5. Kjeldahl-Destillation: 9G.2 - Aufbau und Funktion von Böden (Düngemittel, fakultativ)
12G.1 - Nachweisreaktionen (Boden- Düngemitteluntersuchungen, fakultativ)
6. Luftverbrennung: 9G.2 - 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 Lösemitteln9G.1 - Wassermolekül als Dipol (Zusammenhang zwischen Löslichkeit und Molekülstruktur)9G.2 - Herstellung und Eigenschaften von Laugen und/oder Säuren (Ammoniakwasser)
02.07.2009 39
Abbildungsverzeichnis
[1] http://www.seilnacht.com/Lexikon/7Stickst.htm (24.06.2009, 19:48 Uhr)
[2] http://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/18340/ (31.05.2009, 13:19 Uhr)
[3] Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. S. 500. Berlin, New York: de Gruyter.
[4] www.chemie-master.de (06.05.2008, 23:30 Uhr)
[5] http://mw2.google.com/mw-panoramio/photos/medium/8388406.jpg(22.06.2009, 16:52 Uhr)
[6] Tobias Gerhardt. Eigene Fotos.
[7] Campbell, N. A. (1997). Biologie. 2. korrigierter Nachdruck (2000). S. 311 & 1258. Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer Verlag.
4002.07.2009
Literaturverzeichnis
• Campbell, N. A. (1997). Biologie. 2. korrigierter Nachdruck (2000). Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer Verlag.
• Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter.
• Jander, Blasius (2006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. 16., überarbeitete Auflage. Stuttgart: S. Hirzel Verlag.
• Mortimer, C. E. (2001). Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 7., korrigierte Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag.
• FIZ CHEMIE Berlin , Fachinformationszentrum Chemie GmbH. Letzter Zugriff am 30.06.2009 unter: www.chemgapedia.de.
• Seilnacht, T. Naturwissenschaftliches Arbeiten. Bern. Letzter Zugriff am 24.06.2009, 23:24 Uhr unter: http://www.seilnacht.com/Lexikon/7Stickst.htm
• http://zs.thulb.uni-jena.de/receive/jportal_jparticle_00022561 (24.06.2009, 01:30 Uhr)
• http://www.essen-und-co.de/trocknen2.html (01.07.2009, 16:08 Uhr)
4102.07.2009