Hauptgruppenelemente

Elementarer Stickstoff und Nitride

Wie man Distickstoff aus Luft und im Labor gewinnt, warum die Dreifachbindung ihn so reaktionsträge macht und wie salzartige Nitride entstehen und hydrolysieren.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Elementarer Stickstoff liegt als reaktionsträges Molekül \(\ce{N2}\) vor und ist mit rund 78 % der häufigste Bestandteil der Luft.
  • Technisch gewinnt man \(\ce{N2}\) durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft: Er siedet bei −196 °C und geht vor \(\ce{O2}\) (−183 °C) über.
  • Im Labor liefert das Erhitzen konzentrierter Ammoniumnitrit-Lösung Stickstoff: \(\ce{NH4NO2 -> N2 + 2 H2O}\).
  • \(\ce{N2}\) besitzt eine Dreifachbindung (eine σ-, zwei π-Bindungen) und ist dadurch viel reaktionsträger als der gespannte \(\ce{P4}\)-Tetraeder; man nutzt ihn als Schutzgas.
  • Alkali- und Erdalkalinitride wie \(\ce{Li3N}\) und \(\ce{Mg3N2}\) sind salzartig, entstehen direkt aus den Elementen und hydrolysieren zu Ammoniak, nicht zu \(\ce{N2}\).

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Worum es geht

Stickstoff ist das erste Element der Stickstoffgruppe und liegt elementar als besonders reaktionsträges \(\ce{N2}\) vor. Diese Trägheit macht ihn zum Schutzgas in der Arzneimittelherstellung. An den Nitriden sieht man dagegen, wie sich Stickstoff in der Oxidationsstufe \(-3\) verhält.

Vorkommen und Gewinnung

Stickstoff ist mit rund 78 Volumenprozent der häufigste Bestandteil der Luft. Technisch gewinnt man ihn durch fraktionierte Destillation verflüssigter Luft (Prinzip des Verfahrens). Stickstoff siedet bei −196 °C, Sauerstoff erst bei −183 °C. Der leichter flüchtige \(\ce{N2}\) geht daher vor \(\ce{O2}\) über.

Siede- und Taukurve des Gemisches verlaufen getrennt. Der Dampf über der siedenden Flüssigkeit ist deshalb stets reicher an \(\ce{N2}\) als die Flüssigkeit selbst. Jeder Schritt aus Verdampfen und Kondensieren reichert Stickstoff weiter an (Siedediagramme).

Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm mit zwei linsenförmig auseinanderlaufenden Kurven zwischen den Siedepunkten von Stickstoff und Sauerstoff

Siedediagramm Stickstoff/Sauerstoff: Der Dampf (Taukurve) ist stets reicher an N₂ als die siedende Flüssigkeit.

Labordarstellung

Im Labor erhitzt man eine konzentrierte Lösung von Ammoniumnitrit. Der Stickstoff im Ammonium (\(-3\)) und im Nitrit (\(+3\)) komproportioniert zur Oxidationszahl 0:

\[\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2 ^ + 2 H2O}\]

Festes Ammoniumnitrit ist instabil. Man erwärmt deshalb oft eine Lösung von Ammoniumchlorid mit Kaliumnitrit, die das Salz in situ bildet:

\[\ce{NH4Cl + KNO2 -> N2 ^ + KCl + 2 H2O}\]

Bindung und Eigenschaften von N₂

Nach der VB-Theorie verbindet eine Dreifachbindung die beiden Atome: eine σ- und zwei π-Bindungen. Jedes N-Atom trägt zusätzlich ein freies Elektronenpaar. Die Bindung ist kurz und mit rund 945 kJ/mol sehr stark. Sie zu spalten kostet viel Energie.

Deshalb ist \(\ce{N2}\) ein farb-, geruch- und geschmackloses, reaktionsträges Gas. Man nutzt es als Schutzgas, etwa zum Begasen oxidationsempfindlicher Injektionslösungen.

Weißer Phosphor \(\ce{P4}\) ist viel reaktiver und entzündet sich an der Luft von selbst. Phosphor bildet kaum stabile π-Bindungen (Doppelbindungsregel). Er weicht auf ein Tetraeder mit sechs P–P-Einfachbindungen aus. Die Bindungswinkel von 60° erzeugen starke Ringspannung und schwächen die Bindungen (Modifikationen des Phosphors).

Strukturvergleich: lineares N≡N-Molekül neben einem Tetraeder aus vier Phosphoratomen

N₂ mit kurzer, starker Dreifachbindung gegenüber dem gespannten P₄-Tetraeder des weißen Phosphors.

Nitride

Trotz seiner Trägheit reagiert \(\ce{N2}\) mit sehr unedlen Metallen. Dabei entstehen Nitride.

📖 Definition: Nitrid

Binäre Verbindung des Stickstoffs mit einem elektropositiveren Element. Stickstoff hat darin die Oxidationszahl \(-3\), in salzartigen Nitriden liegt das Nitrid-Ion \(\ce{N^3-}\) vor.

Alkali- und Erdalkalinitride sind salzartig aufgebaut, etwa \(\ce{Li3N}\), \(\ce{Mg3N2}\) und \(\ce{Ca3N2}\). Auch \(\ce{Na3N}\) hat überwiegend Salzcharakter. Man stellt sie direkt aus den Elementen dar. Lithium reagiert schon bei Raumtemperatur, Magnesium beim Erhitzen:

\[\ce{6 Li + N2 -> 2 Li3N}\]

\[\ce{3 Mg + N2 ->[\Delta] Mg3N2}\]

Das Nitrid-Ion ist eine extrem starke Base und in Wasser nicht beständig. Es entreißt dem Wasser drei Protonen, und es entsteht Ammoniak:

\[\ce{Mg3N2 + 6 H2O -> 3 Mg(OH)2 + 2 NH3 ^}\]

Die Hydrolyse ist eine Säure-Base-Reaktion. Der Stickstoff behält die Oxidationszahl \(-3\), daher bildet sich kein \(\ce{N2}\). Mehr zu Ammoniak steht in einer eigenen Einheit.

Quiz

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Aussage 1

Nach der VB-Theorie sind die beiden Atome im \(\ce{N2}\)-Molekül durch eine σ-Bindung und zwei π-Bindungen verknüpft.

Die Dreifachbindung besteht aus einer σ- und zwei π-Bindungen. Sie ist sehr stark und erklärt die Reaktionsträgheit.

Aussage 2

Gibt man Magnesiumnitrid in Wasser, wird das Nitrid-Ion zu elementarem Stickstoff oxidiert.

Die Hydrolyse ist eine Säure-Base-Reaktion: \(\ce{Mg3N2 + 6 H2O -> 3 Mg(OH)2 + 2 NH3}\). Stickstoff bleibt bei \(-3\), es entsteht Ammoniak.

Aussage 3

Bei der fraktionierten Destillation verflüssigter Luft reichert sich Stickstoff im Dampf an, weil er einen tieferen Siedepunkt als Sauerstoff hat.

\(\ce{N2}\) siedet bei −196 °C, \(\ce{O2}\) bei −183 °C. Der Dampf ist daher stets reicher an \(\ce{N2}\), das zuerst übergeht.

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