Stickstoff -Hauptbestandteil der Luft

Stickstoff Luft Hauptbestandteil
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Stickstoff
Carl Wilhelm Scheele

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

Sauerstoff – Oxygenium

Sauerstoff oxygenium
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Element Nummer 8 Sauerstoff oxygenium

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. Dazu tauchen wir einen glimmenden Holzspan in ein Gefäß (hier ein Reagenzglas). Ist Sauerstoff enthalten, so flammt der Span auf. Aus dem Glimmen wird eine Flamme.
Andere Gase zeigen diesen Effekt bezüglich eines Glimmspans nicht.

Saccharose – Zucker (Kohlenhydrate)

Saccharose der weiße, kristalline Haushaltszucker oder Kristallzucker der auch einfach Zucker genannt wird, gehört zur Gruppe der Zweifachzucker (Disaccharide) einer Untergruppe der Kohlenhydrate. Andere Bezeichnungen für Saccharose sind Rohrzucker, Rübenzucker, Raffinadezucker oder raffinierter Zucker, brauner Zucker, Rohzucker und Sukrose oder Sucrose.

Das Molekül – ein wissenschaftlicher Name ist α-D-Glucopyranosyl-(1-2)-β-D-fructofuranosid.

Zucker - Zuckerrübe
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Zucker gewinnt man …
vornehmlich aus der Zuckerrübe(Europa), dem Zuckerrohr(Äquatorialzone) und der indonesischen Zuckerpalme. Dazu wäscht man den zuckerhaltigen Teil der Pflanze und schnetzelt sie. Sie wird ausgelaugt, eingedickt und der so entstehende Sirup in Verdampfern schrittweise kristallisiert. Aus 1 Tonne Zuckerrüben erhält man ungefähr 160kg Zucker.

Die Zuckerrübe wird in Deutschland seit ca. 1800 n.Chr. kultiviert und zu einer zuckerreicheren Art gezüchtet.
Die ersten Zuckerrüben (Runkelrüben) enthielten ca. 8% Zucker

Zuckerrohr

Zuckerrohr war bis 1800 n.Chr. die einzige Zuckerquelle. Ihre Kultivierung gelang nur in subtropischen und tropischem Klima . Sie benötigt Temperaturen zwischen 25°C und 30°C. Unter 15°C wächst das Süßgras nicht. Ihre Nutzung begann um 500 v .Chr. im asiatischen Raum. Von dort breitete sich die Nutzung dieser Pflanze bis um das Mittelmeer herum aus.

Zuckerrohr liefert bei 2 (Indien) bis zu 5 (Brasilien) Ernten pro Jahr ca. 20% Zuckersaft im Mark.
In Brasilien nutzt man es auch zur Herstellung von Bioethanol für Fahrzeuge genutzt. Dort fahren beinahe alle Autos mit einer Motorvariante – gebaut von VW – die sowohl Benzin als auch Ethanol nutzen kann.

Herstellung von Zucker aus Rüben

Zucker aus Zuckerrohr (unraffiniert)

Zuckersaft – ein Erfrischungsgetränk

Ethen und Ethin

Die besondere Geometrie des Kohlenstoffatoms erlaubt auch die gemeinsame Nutzung mehrerer Elektronenpaare. Dadurch entstehen die doppelte Atombindung – Doppelbindung und die dreifache Atombindung – Dreifachbindung. Hier am Beispiel von Ethen und Ethin erläutern.

Da diese Stoffe „relativ wenig“ Wasserstoff an den Kohlenstoffatomen binden, heißen diese Substanzen auch „ungesättigte Kohlenwasserstoffe“. Solche Stoffe können durch Katalysatoren oder auch Fremdmoleküle in die Lage versetzt werden, ihre Mehrfachbindung aufzuspalten und weitere Atome an das Molekül zu „addieren“, sie werden gesättigt.

Ethen C2H4 (Ethen bei Wikipedia)

Ethin C2H2 (Ethin bei Wikipedia)

Arbeitsblatt – Ethen, Ethin

Alkane – Moleküle

Die homologe Reihe der n-Alkane gehört zu den Kohlenwasserstoffen und bildet „gesättigte Moleküle“ aus Kohlenstoffketten. Verzweigung en und Cyclisierungen dieser Ketten werden hier nicht betrachtet.

gasförmige Alkane
Methan, Ethan, Propan und Butan

Stoffe die bei Raumtemperatur gasförmig sind, bestehen aus den kleinsten/kürzesten Molekülen. Sie kommen natürlich in Erdgas (Hauptbestandteil Methan) vor. Methan entsteht bei der Verdauung von pflanzlicher Nahrung zum Beispiel bei Kühen. Verwendungen wie „Heizgas“ oder „Ausgangsstoff zur Kunststoffproduktion“ haben für diese Stoffe eine große Bedeutung.

Alkane - gasförmig - Heizgase

Methan CH4

Ethan C2H6

Propan C3H8

Butan C4H10

flüssige Alkane
Pentan, Hexan, Oktan… bis Heptadekan

Flüssigkeiten wie Oktan tanken wir als Benzin, Dekan oder Dodekan als Diesel. Sie werden zu über 90% verbrannt, um Energie zu erzeugen.

Alkane - flüssig - Benzine und Diesel

Pentan C5H12

Hexan C6H14

Heptan C7H16

Oktan C8H18

Nonan C9H20

Dekan C10H22

die ebenfalls flüssigen Undekan C11H24 und Dodekan C12H26 folgen …

Feste Alkane

Höhere Alkane, also langkettige Moleküle sind bei Raumtemperatur feste Stoffe. Diese Alkane finden wir in Kerzenwachs (Paraffin), Schmierölen und die extrem langkettigen (C-Kettenlänge: 35+) im Bitumen(Straßenbelag).

Alkane - fest - Kerzen, Wachse,...

Oktadekan C18H38

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