Elemente, Schulbuch

Abb. 168.1: Die Elemente der Stickstoffgruppe N P As Sb Bi Stickstoff Phosphor Arsen Antimon Bismut 15. Gruppe 1756 1669 Alter- Alter- Mittel- entdeckt Farbe farblos gelblich/rot/ grauglänzend/ grauglänzend silberweiß-rosa tum alter tum schwarz gelb/schwarz N P As Sb Bi +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 Abb. 168.2: Die Oxidationszahlen der Elemente der Stickstoff- gruppe häufig/wichtig selten/weniger wichtig nicht bekannt/unwichtig Abb. 168.5: Ammoniak: Daten Abb. 168.4: Magnesiumnitridbildung in Versuch 168.1 Abb. 168.3: Stickstoff: Daten 1: Magnesium glüht unter Becherglas 3: Magnesiumoxid nach dem Erkalten 4: Gelbgrünes Mg-Nitrid 2: Glühendes Mg 168 7.5 DIe 15. GRUPPe Elektronenanordnung in der äußersten Schale: s 2 p 3 Die 15. Gruppe – früher 5. Hauptgruppe – enthält die Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut . Stickstoff und Phosphor sind reine Nichtmetalle. Von Arsen und Antimon kennt man sowohl metallische als auch nichtmetallische Modi- fikationen. Bismut ist ein Metall und das Element mit der höchsten Ordnungszahl, von dem ein stabiles Nuklid existiert. Stickstoff und seine Verbindungen Elementarer Stickstoff Stickstoff – N 2 – ist ein farbloses, reaktionsträges Gas. Die geringe Reaktivität ist eigentlich überraschend, da die Elektronegativität von Stickstoff (3,0) der von Chlor entspricht und elektronegative Elemente sonst sehr reaktiv sind. Das inerte Verhal- ten liegt in der Stabilität des Stickstoff-Moleküls begründet. Zur Spaltung von N 2 in Atome benötigt man 946 kJ/mol. Daher liegt der größte Teil des Stickstoffvorrates der Erde elementar als Luftstickstoff vor (ca. vier Fünftel der Atmosphäre). Stick- stoffhältige Mineralien sind selten (zB Chilesalpeter NaNO 3 ). Mit den unedlen Metallen der 1. und 2. Hauptgruppe verbindet sich auch elementa- rer Stickstoff, wobei Nitride entstehen. Nitride mit Silicium und Bor kommen als sogenannte Hartstoffe (Kap. 5.7) zur Anwendung. ■ 168.1: Reaktion von Magnesium mit Stickstoff Man entzündet ein Häufchen Magnesiumpulver (mehrere Spatellöffel) auf einem Ziegelstein. Nach dem Erkalten findet man unter einer weißen Schicht von Magnesiumoxid eine gelbgrüne Schicht von Magnesiumnitrid Mg 3 N 2 . Man gibt et- was Magnesiumnitrid in eine Porzellanschale mit wenig Wasser. Sofort ist inten- siver Ammoniakgeruch wahrnehmbar. Das Nitrid-Ion N 3– ist eine sehr starke Base und reagiert in einer dreistufigen Protolysereaktion mit Wasser zu Ammoniak. Als Nebenprodukt entsteht Magnesiumhydroxid (Abb. 168.4). LEHRERVERSUCH Stickstoff ist ein wichtiges Bioelement und am Aufbau von Eiweiß und Nucleinsäu- ren beteiligt. Pflanzen können (bis auf einige Arten in Symbiose mit Bakterien) den reaktionsträgen Luftstickstoff nicht verwerten und sind auf lösliche Stickstoffver- bindungen im Boden angewiesen. (Kap. 5.3) Tierische Organismen versorgen sich über die Nahrungskette mit pflanzlichen Stickstoffverbindungen. Für die Technik ist Luftstickstoff hauptsächlich Ausgangsstoff für die Düngemittelerzeugung. Ammoniak Die Synthese von Ammoniak NH 3 ist heute die Schlüsselreaktion zur Erzeugung aller Stickstoffverbindungen. (Kap. 5.2) Ammoniak ist ein giftiges Gas (MAK 50 ppm). Auf Grund des stechenden Geruches und der zu Tränen reizenden Wirkung kommen Ammoniakvergiftungen aber kaum vor. Die Wasserlöslichkeit des Ammoniaks ist sehr gut. 1 Liter Wasser löst bei Zimmertemperatur (20 °C) 775 Liter Ammoniak. Die wässrige Lösung heißt Ammoniakwasser oder Salmiakgeist und reagiert basisch. Ammoniak kommt meist als 25%ige wässrige Lösung in den Handel. Der Name „Ammoniak“ stammt von „Ammonssalz“, wie das in der Oase des Ammon (heute: Oase Siwa im westlichen Ägypten) gewonnene Ammoniumchlorid früher genannt wurde. 7 CHEMISCHE EIgEnSCHAFTEn EInIgER STOFFE NH 3 Stickstoff 14,0 7 EN 3,1 N Festpunkt: –209,9 °C Kochpunkt: –195,8 °C Molekül: N 2 • giftiges, stechend riechendes Gas • Dichte kleiner als Luft • Fp = –77,7 °C Kp = –33,4 °C • wasserlöslich 775 L NH 3 (g) /L H 2 O (bei 20 °C, 1 bar) • schwache Base Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv