Stickstoff -Hauptbestandteil der Luft

Bild von Arek Socha auf Pixabay

Stickstoff hatte schon viele Namen wie zum Beispiel „schlechte Luft“. Es hieß früher auch „Azot“, „Azotum“, „Stickgas“ oder „Zoogenium“. Das Symbol „N“ bezieht sich auf den lateinischen Namen „Nitrogenium“. Dies ist von „Herkunft des Laugensalzes“ abgeleitet.

Sein elementares Vorkommen in der Luft wurde 1771 von Carl Wilhelm Scheele nachgewiesen. Dort bildet es bei Raumtemperatur ein Gas aus zweiatomigen Molekülen \( (N_2) \). Aus diesem Gas besteht die Luft zu 78%.

Stickstoff kommt in der Natur in den Strukturen von Eiweißen und dem Salz Salpeter vor. Salpeter war bis in das beginnende 20. Jahrhundert die Hauptquelle zur Herstellung von Stickstoffverbindungen. Die stickstoffhaltigen Salze werden von den Menschen schon seit Jahrtausenden genutzt und hergestellt. Diese Nitrate und Ammoniumsalze finden sich in der Erdkruste, sind aber auch aus tierischen Exkrementen herstellbar. Schon im antiken Ägypten stellte man sie aus Kameldung oder dem Boden von Ställen her. In Südamerika erfolgt die Herstellung bis heute aus über Jahrhunderte abgelagerten Vogelkot (Guano).
So stehen uns die Stickstoffverbindungen über diese Salze und Naturstoffe zur Verfügung. Ammoniak, Salpetersäure und Stickstoff-Düngemittel sind die wichtigsten Produkte aus Stickstoff. Das 1913 erfundene Verfahren zur Ammoniakherstellung erlangte als Haber-Bosch-Verfahren Weltruhm.

Experimente mit Stickstoff

Anwendung : flüssiger Stickstoff hilft bei der Reparatur von Rohrleitungen – Rohrfrosten

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Sauerstoff – Oxygenium

Bild von Arek Socha auf Pixabay

Nach dem Sauerstoff wurde lange Zeit in der Chemie gesucht und geforscht. Phlogiston hieß der Stoff, dem man zutraute, für die Brände, die immer wieder ausbrachen verantwortlich zu sein, zweifellos eine Substanz der Götter. Viele berühmte Wissenschaftler der der noch jungen Chemie suchten bis ins Jahr 1777 nach einer Erklärung für dieses bis dahin himmlischen Phänomen.
Carl Wilhelm Scheele , ein Apotheker aus Stralsund, suchte 1771 bis 1773 in verschiedenen Experimenten nach dem Stoff. Er publizierte in seinem Buch „Abhandlungen von der Luft und dem Feuer“ seine Erkenntnisse über „Feuerluft“ und „schlechte Luft“.
Er konnte durch Erhitzen von Braunstein – Manganoxid, wie wir heut wissen – ein Gas erzeugen, welches die Verbrennung verstärkt. Auch der Kristall Kaliumpermanganat (bekannt seit 1659, Johann Rudolph Glauber )zeigte dieses Verhalten.

Viele chemische Verbindungen…

enthalten Sauerstoff, der so durch chemische Reaktionen verfügbar wird. Im Chemieunterricht stellen wir Sauerstoff durch die Zerlegung von Wasserstoffperoxid \(H_2 O_2\) oder die thermische Zersetzung von Kaliumpermanganat \(KMnO_4\)her.
Da wir technisch den Sauerstoff jedoch in großen Mengen brauchen, nutzen wir das Verfahren der Luftverflüssigung nach Linde .

Herstellung und Nachweis:

Hier wird das violette Salz Kaliumpermanganat \(KMnO_4\) erwärmt. Dabei wird der Kristall instabil und Sauerstoffatome verlassen das Salz. Es wird zersetzt. Das sieht man auch an der Farbänderung des Salzes nach dem Experiment. Der entstehende freie Sauerstoff wird pneumatisch aufgefangen.

Die Glimmspanprobe ist die Nachweismethode für das brandfördernde Gas Sauerstoff. Dabei wird ein glimmender Holzspan in ein Gefäß (hier ein Reagenzglas) getaucht. Ist Sauerstoff enthalten, so flammt der Span auf. Aus dem Glimmen wird eine Flamme.
Andere Gase zeigen diesen Effekt bezüglich eines Glimmspans nicht.

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Phosphor – Phosphoros – Element 15

Der Lichtträger wurde es altgriechisch genannt. Entdeckt wurde Phosphor 1669 von Hennig Brand , einem deutschen Apotheker. Auf der Suche nach dem Stein der Weisen, auf der er Urin eindampfte, konnte er nach Trocknung Phosphate reduzieren und so weißen Phosphor gewinnen. Aber Hennig Brand wurde nicht reich davon.
Er verkaufte seine Herstellungsart und den bereits hergestellten Phosphor – „icy noctiluca“ genannt – an den Alchemisten Johann Daniel Kraft , der damit ein Vermögen machte. Dieser zeigte diese Entdeckung an Königshöfen und vor großen Wissenschaftlern seiner Zeit als spektakulären Versuch. So erfuhr auch der große Robert Boyle endlich von der Methode und konnte Phosphor in großen Mengen herstellen. Phosphor wurde damals mit Gold aufgewogen.

Bild: Joseph Wright (1771) Das Bild entstand 100 Jahre nach Brands Entdeckung des Phosphors.

Phosphor kommt auf der Erde nur in Verbindungen vor. Den Reinstoff Phosphor findet man nicht. Mineralische Vorkommen findet man weltweit und besonders in Afrika, China und den USA. Die Apatite sind eine solche phosphorhaltige Gesteinsgruppe. 90% der daraus geförderten Rohphosphate werden zur Düngemittelherstellung eingesetzt oder zur Herstellung von Phosphorsäure genutzt. Roter Phosphor wird in der Reibefläche von Streichholzschachteln verarbeitet. Einige Phosphate -die Salze der Phosphorsäure- dienen als Flammschutzmittel in Kunststoffen.

Bild:wikipedia.org

Die vier Modifikationen des Phosphors sind „weiß“, „rot“, „violett“ und „schwarz“. Die Phosphoratome neigen je nach äußeren Bedingungen(Druck, Temperatur) zu veränderten Atomanordnungen. Das geht von „kubisch und instabil“ im selbstentzündlichen, weißen Phosphor bis zu „pyramidalen Doppelschichten“ im reaktionsträgen, schwarzen Phosphor.

Weißer Phosphor leitet keinen Strom, ist übelriechend, fest, in Wasser unlöslich und wachsartig weich. Bei ca. 50°C entzündet sich weißer Phosphor von selbst an der Luft. Roter Phosphor ist fest, geruchlos und bei 300°C entzündbar. Schwarzer Phosphor besitzt Halbleitereigenschaften und somit temperaturabhängig einige typische Metalleigenschaften. Er leitet bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom und glänzt. Schwarzer Phosphor ist spröde also nicht wie die Metalle kalt verformbar. Diese Halbleitereigenschaften machen ihn mit Graphit gemischt für die Batterieherstellung interessant. Seine Speicherdichte sei dreimal so hoch, wie die von herkömmlichen Lithiumakkus, und die Wiederherstellung von 80% seiner Kapazität sei nach 10min erreicht, hört man…

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Schwefel – Sulfur (S) – Element 16

Material: Arbeitsblatt Schwefel

Element Nummer 16 wird „Sulfur“ – abgeleitet von „langsam brennen“ – genannt und ist dem Menschen schon seit dem Altertum bekannt. Schwefel wird schon 5000 v. Chr. erwähnt, da es als Arzneimittel (Augen), zum Bleichen von Textilien und zur Desinfektion genutzt wurde. Man findet Schwefel noch heute an der Erdoberfläche an den Austrittsöffnungen von Vulkanen und in ehemaligen vulkanischen Gebieten. Über besonders große Vorkommen verfügen Russland, Polen, Sizilien, USA, Kanada, u.a.
Zur Gewinnung aus dem Erdinneren wurde bis in das Jahr 2000 das Frasch Verfahren genutzt, bei dem mit einem doppelwandigen Rohr 155°C heißes Wasser in die Erde gepumpt wurde und der dadurch gelöste Schwefel (Schmelztemperatur 119,6°C) im Inneren des Rohres nach oben gesaugt werden konnte. Heute wird Schwefel als Nebenprodukt aus Erdgas/Erdöl im Claus Prozess gewonnen und fällt dort so reichlich an, dass eine unterirdische Produktion unrentabel ist.

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Kratersee in Indonesien, Hier bilden die
Schwefelabscheidungen einen Säuresee.
Baden nicht zu empfehlen!

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Die hohen Temperaturen im Erdinneren
lassen den Schwefel oberhalb 120°C
verdampfen.
Bei Austritt aus dem Vulkan kondensiert
und erstarrt der Schwefel an der Luft wieder.

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Und das findet weltweit so statt.
Hier auf Island...

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So wie wir Schneeflocken als feste Kristalle vom Wasser kennen,
bilden auch die Schwefelkristalle ihr eigenen Formen...

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Schwefelträger in Indonesien transportieren 70kg schwere Körbe mit Schwefel kilometerweit aus den Kratern in die benachbarten Dörfer.

Die 70kg bringen dort ungefähr 1€ Verdienst.

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Was macht den Schwefel zum typischen Nichtmetall?

Schwefel ist spröde und leitet keinen Strom. Außerdem fehlt dem Element der typisch metallische Glanz.

Was weiß der Chemiker über Schwefel und wozu wird Schwefel eigentlich benötigt?

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Streichhölzer enthalten den leicht entzündlichen, gelben Schwefel in ihren Kuppen. Die Farbe der Kuppe ist nur noch eine Modeerscheinung, die durch Farbstoffe erreicht wird.
Durch die Reibung am einer Fläche mit Glassplittern und Phosphor, der Reibefläche, entsteht genug Wärme für die Entzündung der Kuppe und des Holzes.

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Große Teile des Schwefels werden im sogenannten Kontaktverfahren zu Schwefelsäure verarbeitet

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Schwefelsäure wird zum Beispiel in Autobatterien verwendet. Sie wird das "Blut der Chemie" genannt und ist eine der wichtigsten Chemikalien in einem Industriestaat. Düngemittel, Farben, Lacke, Arznei- und Wachmittel, Sprengstoffe, Kunststoffe und viel mehr entstehen aus diesem Stoff oder werden mit seiner Hilfe hergestellt.

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Die Farbindustrie hat sich erst vor 100 Jahren entwickelt und konnte dank der Produkte der Kohle, des Erdöls und auch Säuren wie Schwefelsäure oder Salpetersäure eine so große Farbpalette liefern.

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Schon früh hat man die "heilende" Wirkung von Schwefeldämpfen beobachtet. Dass durch die Giftigkeit dabei sämtliche Bakterien starben und somit weniger Krankheitserreger übrig blieben, war lange Zeit unbekannt. Heut wissen wir die keimtötende Wirkung zu schätzen und sorgen von Zeit zu Zeit zum Beispiel in Öfen für "Säuberung".

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Auch Wein enthält Keime, die sich mit Schwefel bekämpfen lassen. Hier nutzt man die keimtötende Wirkung des Schwefels in Form eines Minerals namens Kaliumdisulfit oder man gibt Sulfitlösung, schweflige Säure oder Schwefeldioxidgas hinzu. Allerdings in so geringen Dosen, dass der Geschmack nicht beeinträchtigt wird.

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Hier sehen wir Kunstdünger in Form von Granulat.

Dank Justus von Liebig wissen wir um die Bedeutung von Düngung für eine erfolgreiche Landwirtschaft. Auch Schwefelverbindungen müssen den Pflanzen zugeführt werden.

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Düngemittel sind heute in allen Teilen der Welt Garanten für ertragreiche Landwirtschaft. Si versorgen die Pflanzen mit so wichtigen Elementen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel.

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So wie der Schwefel wichtig für das Wachstum der Pflanzen ist, können seine Verbindungen auch gegen das Wachstum eingesetzt werden. Pflanzenschutz ist mit den Produkten der Schwefelsäure ebenso möglich und kann Schädlinge wie Unkräuter und Insekten eindämmen helfen.

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Und an unzugänglichen Stellen auch aus der Luft...

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Verbrennt man den Schwefel , so entsteht ein Gas mit dem typisch stechenden Geruch, Schwefeldioxid.
Dieses Gas löst sich gut in Wasser. Dabei kommt es zu einer chemischen Reaktion.

\( SO_2 + H_2O \longrightarrow H_2SO_3 \)

Bau des Schwefels

Brennender Schwefel an einem Vulkan in Indonesien

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