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Die V. Hauptgruppe des Periodensystems:br />
Die Stickstoffgruppe
Zur V. Hauptgruppe gehören die Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Bismut (Bi).
Die Elemente der V. Hauptgruppe sind in ihren Eigenschaften sehr verschieden, da die Trennungslinie zwischen den Nichtmetallen und Metallen die Gruppe in der Mitte teilt. Der Metallcharakter nimmt innerhalb der Gruppe mit steigender Atommasse zu.
Stickstoff und Phosphor gehören zu den Nichtmetallen, Arsen und Antimon zu den Halbmetallen und Bismut zu den Metallen. In ihren Verbindungen treten sie vor allem 3- und 5-wetig auf. Keines der Elemente reagiert mit Wasser oder nichtoxidierenden Säuren. Mit Sauerstoff reagieren sie im Allgemeinen zu Oxiden mit der Oxidationsstufe +3 (Ausnahmen: N bildet mehrere Oxide, P wir bis zur Oxidationsstufe +5 oxidiert).
Stickstoff
Vorkommen und Darstellung
Stickstoff kommt in Form zweiatomiger Moleküle N2 mit der Strukturformel N N vor. Er ist Hauptbestandteil der Luft (78,09 Vol.-%), die den größten Anteil des auf der Erde vorkommenden Stickstoffs (99%) enthält. In chemisch gebundener Form findet er sich Hauptsächlich in Form von Nitraten, z.B. Natriumnitrat NaNO3 (Chilesalpetersäure). Weiterhin ist er Bestandteil der Proteine im tierischen und pflanzlichen Organismus.
Zur Darstellung von Stickstoff dient ausschließlich Luft, die auf physikalischem Weg durch fraktionierte Destillation in ihre Bestandteile zerlegt wird.
Eigenschaften
Stickstoff ist ein ungiftiges, farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Die N2 -Moleküle sind chemisch sehr stabil und infolgedessen reaktionsträge. Stickstoff ist weder brennbar noch unterhält er die Verbrennung. Lebewesen ersticken in Stickstoffgas.
Verwendung
Der weitaus größte Teil des Stickstoffes wird zur Synthese von Ammoniak verwendet. Es kommt in grünen Druckflaschen in den Handel und wird aufgrund seiner Reaktionsträgheit als Inertgas verwendet.
Stickstoffverbindungen
Ammoniak
Ammoniak NH3 ist ein farbloses, stechend riechendes Gas, dass sich leicht verflüssigen lässt. Das Ammoniakmolekül ist pyramidal aufgebaut und besitzt am Stickstoff ein freies Elektronenpaar. Die N-H-Bindungen sind aufgrund der Differenz in den Elektronegativitätswerten polare Atombindungen. Das Molekül liegt als Dipol vor. Flüssiges Ammoniak ist wie Wasser über Wasserstoffbrückenbindungen assoziiert und ein gutes Lösungsmittel für Salze. Wie beim Wasser tritt Autoprotolyse auf:
NH3 + H2O ó NH2- + NH4+
Ammoniakgas ist in Wasser sehr gut löslich. Aufgrund des freien Elektronenpaares wirkt Ammoniak als Base (Protonenakzeptor). Die wässrige, alkalisch reagierend Lösung wird Ammoniakwasser oder Salmiakgeist genannt:
NH3 + H2O ó NH4+ + OH-
Das entstandene Ammonium-Ion NH4+ ist tetraedrisch gebaut. Das Gleichgewicht der Reaktion liegt auf der linken Seite. Beim Erwärmen entweicht in Umkehrung des Lösungsvorgangs NH3, weshalb festes, undissoziiertes Ammoniumhydroxis NH4OH bisher nicht isoliert werden konnte.
Mit Säuren (Protonendonatoren) entstehen vom Ammoniak oder seiner wässrigen Lösung ausgehend die Ammoniumsalze, z.B.:
NH3 + HCl -> NH4+ + Cl- (Ammoniumchlorid/Salmiak)
oder
NH4+ + OH- + H+ + NO3- -> NH4+ + NO3- + H2O (Ammoniumnitrat/ Ammonimsalpeter)
Sie verhalten sich ähnlich wie die Salze der Alkalimetalle.
Darstellung und Verwendung
Ammoniak ist Ausgangsstoff für die Synthese wichtiger chemischer Produkte wie Salpetersäure, Harnstoff und Amine. Es wird deshalb großtchnisch aus den Elementen nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt:
N2 + 3 H2 ó 2 NH3
Die Synthese erfolgt bei hohem Druck und erhöhter Temperatur unter Verwendung eines Mischkatalysators (Kontaktmasse aus Eisen, Aluminiumoxid und Kaliumoxid). Die Ausbeute beträgt 17,6%.
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