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 Stickstoffgruppe
• Verwendung der Elemente der 5. Hauptgruppe
• Gewinnung der Elemente der Stickstoffgruppe
• Verbindungen der Stickstoffgruppe

Stickstoffgruppe – Eigenschaften und Vorkommen

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.

Allgemeine Trends in der Stickstoffgruppe

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.

Steckbrief der Elementeigenschaften der Stickstoffgruppe

*weißer Phosphor

**Sublimationspunkt

Steckbrief Stickstoff

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.

Verwendungsbeispiele von Stickstoff

• In Form von Stickstoffverbindungen als Düngemittel
• Stickstoff als Sprengstoffe wie Nitroverbindungen oder Salpetersäureester
• Flugzeugreifen werden mit Stickstoff gefüllt
• Stickstoff als Schutzgas
• Flüssiger Stickstoff in der Kryotechnik als Kältemedium

Steckbrief Phosphor

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.

Phosphatmodifikationen

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.

Verwendungsbeispiele von Phosphor

• Zur Herstellung von Phosphor(V)-oxid als Trocknungsmittel und reiner Phosphorsäure für Düngerherstellung
• Phosphate für Düngemittel, Medikamente, in Waschmitteln, als Futterzusatz und Konservierungsmittel
• Metallphosphide und Phosphor für die Stahlgewinnung
• Herstellung von Streichhölzern und Feuerwerkskörpern
• Weißer Phosphor in Brandbomben

Steckbrief Arsen

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.

Verwendungsbeispiele von Arsen

• Zur Härtung in Kupfer- und Blei-Legierungen
• Zur Halbleiterdotierung und in III-V-Halbleitern (z.B. Gallium-Arsenid-Halbleiter)
• Manche Arsen-Verbindungen als Insektizid, Fungizid und Rattengift

Steckbrief Antimon

Verwendungsbeispiele von Antimon

• In Legierungen zur Härtung
• In Halbleiterindustrie zum Dotieren von Silicium und in III-V-Halbleitern
• Als Antimontrisulfid in Bremsbelägen
• Antimonsalze in Pestiziden und Feuerwerksartikeln

Steckbrief Bismut

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.

Verwendungsbeispiele von Bismut

• in Metalllegierungen (z.B. Woodsches Metall als Schmelzsicherung)
• als Katalysator
• als Kühlmittel in Kernreaktoren

Gewinnung der Elemente der Stickstoffgruppe

Stickstoff

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.

Druckwechseladsorption

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

Membranverfahren

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

Darstellung von Stickstoff im Labor

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

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.

Darstellung der anderen Phosphor Modifikationen

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.

Arsen, Antimon und Bismut

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

Arsen kann man auch durch das direkte Erhitzen von Arsenopyrit oder Arsenikalkies unter Luftausschluss gewinnen.

Verbindungen der Stickstoffgruppe

Wasserstoffverbindungen

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.

Halogenverbindungen

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 und die Salpetersäure

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

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.