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Die Stickstoffgruppe ist die 5. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Dazu zählen die Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Bismut (Bi). Die Gruppe ist seltener auch als Pnikogene oder Pnictogene bekannt. Eigenschaften und Vorkommen der Elemente der StickstoffgruppeVerwendung der Elemente der 5. Hauptgruppe Gewinnung der Elemente der Stickstoffgruppe Verbindungen der StickstoffgruppeAbbildung 1: Periodensystem der ElementeDie Stickstoffgruppe ist nach neuer…
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Jetzt kostenlos anmeldenDie Stickstoffgruppe ist die 5. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Dazu zählen die Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Bismut (Bi). Die Gruppe ist seltener auch als Pnikogene oder Pnictogene bekannt.
Abbildung 1: Periodensystem der Elemente
Die Stickstoffgruppe ist nach neuer IUPAC Nummerierung die Gruppe 15 im Periodensystem. Alle Elemente der Stickstoffgruppe besitzen fünf Valenzelektronen. Damit fehlen diesen Elementen also drei Elektronen für die Edelgaskonfiguration. Zur Stickstoffgruppe gehören die Nichtmetalle Stickstoff und Phosphor, die Halbmetalle Arsen und Antimon, sowie das Metall Bismut.
In der Stickstoffgruppe kommen am häufigsten die Oxidationsstufen -3, +3 und +5 bei Verbindungen aller Elemente der Gruppe vor. Stickstoff bildet leicht Mehrfachbindungen aus, während bei Phosphor Mehrfachbindungen wesentlich geringer ausgebildet werden. Bei Arsen, Antimon und Bismut kommen keine Mehrfachbindungen vor. Die Schmelz- und Siedetemperatur steigt von Stickstoff bis Antimon und sinkt von Antimon zu Bismut. Die Atomradien und Dichten der Elemente nehmen mit steigender Ordnungszahl ohne Abweichungen zu, während die Elektronegativität und die erste Ionisierungsenergie mit steigender Ordnungszahl abnehmen.
Eigenschaften/Einheit | Stickstoff | Phosphor | Arsen | Antimon | Bismut |
Schmelzpunkt /°C | -210°C | 44* | 814 bei 36 bar | 630,6 | 271 |
Siedepunkt /°C | -196 | 280* | 616** | 1587 | 1564 |
Atomradius /pm | 65 | 100 | 115 | 145 | 160 |
1. Ionisierungsenergie / | 1402 | 1012 | 944 | 830 | 703 |
Elektronegativität | 3,0 | 2,2 | 2,2 | 2,1 | 2,0 |
Ordnungszahl | 7 | 15 | 33 | 51 | 83 |
Molekülformel | |||||
Dichte / | 0,00125 | 1,83* | 5,73 (metall.) | 6,697 | 9,78 |
Elektronenkonfiguration |
*weißer Phosphor
**Sublimationspunkt
Beim Stickstoff handelt es sich um ein farb- und geruchloses Gas. Die Luft bestehlt zu 78% aus molekularem Stickstoff. Molekularer Stickstoff hat eine sehr stabile Dreifachbindung, daher bilden sich Stickstoffverbindungen wie Oxide nur unter extremen Bedingungen. Anorganisch gebunden ist Stickstoff zum Beispiel in Chile-Salpeter (), Ammoniak oder in nitrosen Gasen. In organischen Verbindungen ist er zum Beispiel in Aminosäuren (Baustein der Proteine) und Nukleotiden und daher für Lebewesen essentiell.
Stickstoff ist für Pflanzen und Tiere essentiell. Obwohl unsere Atmosphäre zu 78% aus diesem Element besteht, können Pflanzen und Tiere diesen nicht einfach verwerten. Er ist nicht bioverfügbar. Dafür muss Stickstoff erst bei der sogenannten Stickstofffixierung fixiert werden. Das können prokaryotische Mikroorganismen, die molekularen Stickstoff als Ammoniak fixieren (biotische Stickstofffixierung).
Manche dieser Mikroorganismen (z.B. Knöllchenbakterien) gehen Symbiosen mit Pflanzen ein, um diese mit Stickstoff zu versorgen. Auch bei Blitzeinschlägen entstehen Stickoxide, welche mit Wasser zu Salpetersäure werden und hinabregnen, was auch eine Stickstoffquelle für Pflanzen darstellt (abiotische Stickstofffixierung).
Mit der Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens war es dann möglich, Stickstoff technisch zu fixieren und Düngemittel herzustellen. Das ermöglichte die Ertragssicherung und die Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung.
Wie organische Stickstoffverbindungen sind auch Phosphorverbindungen für Lebewesen essenziell. So ist er an Nukleotide gebunden und bildet das Rückgrat von DNA und RNA und ist als Adenosintriphosphat (ATP) ein Energieträger in Organismen. Phosphor kommt nur gebunden, meistens als Phosphate, wie Apatite oder Vivianit, vor.
Phosphor kommt in verschiedenen Elementstrukturen vor. Diese unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. Es gibt den weißen Phosphor, bestehend aus -Molekülen, den roten Phosphor, den violetten (Hittorfscher) Phosphor, den faserigen Phosphor und den schwarzen Phosphor, der die thermodynamisch stabilste Modifikation ist. Weißer Phosphor wird als Ausgangsstoff benutzt und kann in die anderen Modifikation umgewandelt werden. Weißer Phosphor ist giftig und ist die reaktionsfreudigste Modifikation.
Wie Phosphor kommt auch Arsen in verschiedenen Elementstrukturen vor. Dabei gibt es gelbes Arsen, der aus -Tetraedern besteht. Dieser ist metastabil und ein Nichtmetall. Durch Lichteinwirkung wird es zum spröden grauen Arsen, der die stabilste Modifikation darstellt und metallisch ist. Daneben gibt es zwei Arten des schwarzen Arsens und braunes Arsen. Das Element Arsen kommt in der Natur elementar vor, allerdings ist dieser nicht abbauwürdig. Viel häufiger kommt es in intermetallischen Verbindungen wie Allemontit oder als Arsen-Sulfide, wie Realgar (
), Auripigment (
) und Arsenopyrit (
) vor.
Auch Antimon hat verschiedene Modifikationen. Hier gibt es das graue Antimon, welches metallisch und die stabilste Modifikation darstellt. Und es gibt das amorphe schwarze Antimon, welches sehr reaktiv ist. Das graue Antimon gehört zusammen mit dem grauen Arsen und Bismut zu den Sprödmetallen. Es ist ein silberglänzendes Halbmetall, mit einer geringen Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit. Antimon kommt selten elementar vor. Am häufigsten kommt es als Grauspießglanz () (2500 Fundorte) vor. Daneben gibt es weitere Minerale wie Weißspießglanz (
) und Goldschwefel (
).
Bismut ist ein Alphastrahler mit einer sehr geringen Radioaktivität (Halbwertszeit etwa 19 Trillionen Jahre). Das Isotop ist der Bestandteil des natürlichen Bismuts. In der Natur kommt es gelegentlich elementar vor. Abgebaut werden diese aber nicht. Außerdem kommt Bismut in Form von Mineralen wie Sulfide (z.B. Bismuthinit
) oder Oxide (z.B. Bismit
) vor. Das Element Bismut ist ein silberweiß glänzendes, sprödes Metall. Es hat eine geringe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit. Von Bismut sind zwei Elementmodifikationen bekannt.
Wie Sauerstoff, wird auch Stickstoff aus der, durch das Linde-Verfahren verflüssigten Luft, welche anschließend durch Destillation in die einzelnen Bestandteile fraktioniert wird, gewonnen. Näheres zu diesem Verfahren kannst du in der Zusammenfassung zu den Chalkogenen nachlesen. Alternativ kann man Stickstoff durch die sogenannte Druckwechseladsorption an Zeolithen oder Kohlenstoffmolekularsieben, oder durch das Membranverfahren gewinnen.
Bei der Druckwechseladsorption leitet man bei hohem Druck Luft durch einen Festbettreaktor mit Adsorptionsmittelschüttung (z.B. Kohlenstoffmolekularsieb). Die leichter zu adsorbierenden kleineren Moleküle wie Sauerstoff reichern sich an der Oberfläche vom Kohlenstoffmolekularsieb (Adsorbens) an, während Stickstoff, der größer ist, vorbei strömt. Dieser Stickstoff wird aus der Anlage geleitet.
Danach wird der Druck gesenkt, um die adsorbierten Sauerstoffmoleküle vom Adsorbens zu trennen und das Adsorptionsmittel zu regenerieren. Man verwendet zwei parallele Reaktoren. Während einer adsorbiert (a), wird der andere regeneriert (b) und umgekehrt.
Abbildung 2: Schema der Druckwechseladsorption
Das Membranverfahren funktioniert ähnlich wie die Druckwechseladsorption. Hier verwendet man für die Trennung Membranröhren. Mit Druck wird die Luft durch die Membran gepresst. Da Stickstoff langsamer durch diese diffundiert als Sauerstoff, Wasser oder Kohlendioxid, reichert sich auf der Innenseite der Membran Stickstoff an, während Sauerstoff und die anderen Luftbestandteile durch die Membran passieren und ausgeleitet werden.
Abbildung 3: Das Membranverfahren
Für den Laborbedarf kann man Stickstoff durch Erwärmen auf ca. 70°C einer Ammoniumchlorid-Natriumnitrit-Lösung gewinnen.
Sehr reinen Stickstoff kann man auch durch die thermische Zersetzung von Natriumazid () oder Bariumazid (
) gewinnen.
Phosphor wird aus Phosphat-Mineralien (z.B. Apatit ) gewonnen. Hierfür werden diese in einem Ofen bei ca. 1500°C mit Quarz (
) und Koks umgesetzt. Calciumsilicat setzt sich als Schlacke am Boden des Ofens ab, während das gasförmige weiße Phosphor und Kohlenstoffmonoxid in Wasser gesammelt werden. Dabei scheidet sich der Phosphor als Feststoff aus.
Mit hohem Druck oder hoher Temperatur kann man aus dem weißen Phosphor die anderen Modifikationen gewinnen. So kann man durch Druck von etwa 12 000 Bar und bei 200°C schwarzen Phosphor; durch mehrstündiges Erhitzen unter Luftausschluss auf ca. 260°C roten Phosphor; und durch ein- bis zweiwöchiges Erhitzen auf 550°C Hittorfschen Phosphor gewinnen.
Für die Gewinnung von Arsen, Antimon und Bismut werden ihre Oxide, die bei der Aufarbeitung von z.B. Kupfererzen anfallen, mit Kohlenstoff bei höheren Temperaturen reduziert. Auch erhält man die Oxide beim Rösten sulfidischer Erze, wie Arsen(III)-sulfid oder Antimon(III)-sulfid, an der Luft, welche danach auch mit Koks reduziert werden. Dieses Verfahren ist das sogenannte Röstreduktionsverfahren.
Röstreduktionsverfahren:
Alternativ kann man die Sulfide auch mit Eisen reduzieren. Das Verfahren nennt man Niederschlagsverfahren.
Arsen kann man auch durch das direkte Erhitzen von Arsenopyrit oder Arsenikalkies unter Luftausschluss gewinnen.
Alle Elemente der Stickstoffgruppe bilden Wasserstoffverbindungen der Summenformel (X=N, P, As, Sb, Bi). Zusätzlich bildet Stickstoff Hydrazin (
). Die Wasserstoffverbindungen der letzten vier Elemente dieser Gruppe sind sehr giftige Gase. Die Stabilität nimmt von Ammoniak bis zum Bismutwasserstoff (Bismutan) ab. So zerfällt Bismutan bei Raumtemperatur in Bismut und Wasserstoff.
Mit den Halogenen bilden alle Elemente der Stickstoffgruppe Trihalogenide, während Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut mit Fluor auch Pentahalogenide ausbilden. Von Phosphor sind auch das Phosphorpentachlorid und -pentabromid bekannt. Die Pentahalogenide sind sogenannte Lewis-Säuren. Stickstoff, Phosphor und Arsen bilden auch Dihalogenide wie und
.
Oxide von Stickstoff gibt es in den Oxidationsstufen von +1 bis +5. So kommt zum Beispiel in der Medizin als Gemisch mit Sauerstoff das Lachgas (Oxidationsstufe +1) als Narkosemittel zum Einsatz.
Als Radikal entsteht z.B. beim Ostwald-Verfahren das Zwischenprodukt Stickstoffmonoxid (Oxidationsstufe +2). In der Oxidationsstufe +3 handelt es sich um das Distickstofftrioxid (), welches eine blaue Flüssigkeit ist. Unter normalen Bedingungen ist es allerdings instabil. Sehr giftig ist das Gas Stickstoffdioxid (Oxidationsstufe +4). Das Anhydrid der Salpetersäure ist das farblose, kristalline Distickstoffpentoxid
mit der Oxidationsstufe +5.
Die Salpetersäure wird großtechnisch mit dem Ostwald-Verfahren synthetisiert und ist die wichtigste Oxosäure des Stickstoffs. In der Industrie wird sie vor allem für die Herstellung von Düngemitteln eingesetzt. Zusammen mit der Salzsäure in einem Stoffmengenverhältnis von 1:3 bildet es das Königswasser, welches sogar die Edelmetalle Gold und Platin lösen kann.
Die Elemente der 5. Hauptgruppe besitzen 5 Valenzelektronen.
Die 5. Hauptgruppe ist die Stickstoffgruppe.
Stickstoff ist ein Element der 5. Hauptgruppe des Periodensystems, die auch Stickstoffgruppe bezeichnet wird.
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