Ausgewahlte Stickstoffverbindungen

Stickstoff ist das am starksten elektronegative Element der V. Hauptgruppe. Entsprechend seiner Elektronenkonflguration auf der Valenzschale (2s2 2p3) erreicht ein N-Atom das Elektronenoktett durch Ausbildung dreier kovalenter Bindungen. Seine Wasserstoffverbin – dung NH3 (Ammoniak) lagert leicht ein Proton an das nichtbindende Elektronenpaar des Stickstoffs an. Dabei entsteht das Ammoniumion NH4+. Das Ammoniumion besitzt die gleiche Elektronenanzahl wie das Methanmolekul, deshalb bezeichnet man beide Molekiile als isoelektronisch. Da ein N-Atom in der auBersten Schale (n = 2) nicht iiber d-Orbitale verffigt, kann es maximal vier kovalente Bindungen eingehen, wie z. B. im Ammoniumion. Eine Oktetterweiterung ist beim Stickstoff nicht moglich. Stickstoff tritt in seinen Verbin – dungen hauptsachlich in den Oxidationsstufen -III (NH3, NH4+), +Ш (HN02, Nitrite), +IV (N02) und +V (HN03, Nitrate) auf.

Die fur das Bauwesen wichtigsten Stickstoffverbindungen sind die Nitrate. Nitrate sind die Salze der Salpetersaure HNO3. In beiden Verbindungen besitzt Stickstoff mit der Oxi- dationsstufe +V die hochstmogliche Oxidationsstufe eines Elements der funften Haupt­gruppe. Daraus resultiert die oxidierende Wirkung der Salpetersaure. Salpetersaure ist eine starke Saure, die wie Salzsaure HC1 in Wasser praktisch vollstandig protolysiert vorliegt. Es gilt: c(HN03) = c(H30+). Durch Einwirkung salpetersaurer bzw. nitrathaltiger Wasser auf porose mineralische Baustoffe wie Ziegel, Mortel und Beton kann es zu Nitrat – bzw. Salpeterausbluhungen kommen (Mauersalpeter Ca(N03)2, Кар. 9.4.4).

Nitrate sind sehr gut wasserloslich, weshalb sie in zum Teil recht erheblichen Mengen in Grund – und Oberflachenwasser gelangen. Als Nitratquellen kommen vor allem Salpeter – lagerstatten und Dungemittelausschwemmungen in landwirtschaftlichen Gebieten in Be – tracht. Da N-enthaltende tierische organische Verbindungen (vor allem Hamstoff!) durch Bakterien ebenfalls zu Nitraten abgebaut werden konnen, muss auch die Massentierhaltung als wichtige Nitratquelle angesehen werden. Deshalb sind Salpeterausbluhungen vor allem an den Mauem von Stallen sowie an Dung – und Jauchegruben zu finden.

Die Umwandlung des in organischen Verbindungen enthaltenen Stickstoffs in die fur die pflanzliche Emahrung nutzbare Nitratform verlauft wie folgt: Aus dem Hamstoff bzw. den EiweiBen entstehen zunachst durch Hydrolyse des in den Aminogruppen (-NH2) gebunde – nen Stickstoffs Ammoniak oder Ammoniumionen (Ammonifikation, Gl. 5-5, 5-6).

Kat.

(NH2)2CO + H20 ► 2 NH3 + C02 (5-5)

Подпись: R-NH2 Amin Подпись: + H20 Подпись: NH3 + R-OH Alkohol Подпись: (5-6)

Hamstoff

Durch nitrifizierende Bakterien wird ein Entweichen des Ammoniaks aus dem Boden bzw. dem Wasser verhindert. Es bilden sich Nitrit (Gl. 5-7) bzw. Nitrat (Gl. 5-8). Diese Um – wandlung wird als Nitrifikation bezeichnet. Nitrite sind die Salze der salpetrigen Saure

hno2.

2 NIV + 3 02 + 2 H20

,л"1пш,,дпег > 2N02- + 4 H30+

(5-7)

Nitratbildner л _

2N02* + 02

—————- ► 2 N03“

(5-8)

Bruttoreaktion:

NH/ + 2 02 + H20

———— ► N03” + 2 H30+

(5-9)

Die reduktive Umwandlung von Nitraten in NO, N02 oder freien Stickstoff nennt man Denitriflkation. Sie erfolgt durch anaerobe, d. h. ohne Sauerstoff lebende, Bakterien. Die anaeroben Bakterien benutzen den Sauerstoff der Nitrate, um organische Nahrstoffe abzu – bauen (,,Nitratatmung“). Die bakterielle Denitriflkation wird zur Entfemung von nitrati – schem Stickstoff aus Abwassem in Klaranlagen genutzt. Sie lauft ebenfalls in den Som – mermonaten in sauerstoffarmen Seen ab. In der Landwirtschaft sind diese Bakterienarten von Nachteil, da sie den bei der Dungung auf die Felder verbrachten Nitratstickstoff um – wandeln.

Stickstoff wird standig durch unterschiedliche naturliche und kunstliche Vorgange der Luft entnommen und ihr wieder zugefuhrt. Aufgrund der beschriebenen Reaktionstragheit kann die lebende Zelle den Stickstoff nicht direkt assimilieren, um aus ihm EiweiBstoffe zu synthetisieren. Durch die Prozesse der Stickstoff-Fixierung wird der Luftstickstoff in Ver – bindungen umgewandelt, die von der Pflanze aufgenommen werden konnen. So reagiert der bei Blitzentladungen in Gewittem entstandene atomare Stickstoff mit Luftsauerstoff zunachst zu Stickstoffmonoxid NO und anschlieBend zu Stickstoffdioxid N02. Letzteres bildet mit dem Wasser der Atmosphare Salpetersaure. Die HN03 gelangt mit dem Regen – wasser in das Erdreich, wird z. B. durch Kalk neutralisiert und in Nitrat Uberfuhrt. In nitra – tischer Form kann der Stickstoff dann von der Pflanze aufgenommen werden (anorgani- sche Stickstoff-Fixierung). Knollchenbakterien der HiilsenfrUchte sowie einige stickstoff- bindende Bakterien in Boden, aber auch Strahlenpilze und Blaualgen sind in der Lage, den Stickstoff der Luft in arteigenes EiweiB einzubauen (biologische Stickstoff-Fixierung).

In der Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch (Gl. 4-9, Кар. 4.5.3) wird der Stickstoff auf technischem Wege mit Wasserstoff fixiert. Aus dem NH3 werden Dungemittel herge – stellt (Nitrate, Ammoniumsalze), die von den Pflanzen in geloster Form aufgenommen werden konnen. Die vorstehend beschriebenen Prozesse sind Bestandteil des natiirlichen Stickstoffkreislaufs.

Ammoniak ist in Wasser auBerordentlich gut loslich. Bei 20°C lost 1 Liter H20 702 Liter NH3. Das entspricht einem NH3-Gehalt der Losung von 35%. Die gebildete Ammoniaklo – sung reagiert schwach alkalisch, da das in Wasser geloste Gas in geringem MaBe unter Bildung von Ammonium – und Hydroxidionen protolysiert (NH3 + H20 ^ NH4+ + OH"). In einer 0,1 mol/1 wassrigen Ammoniaklosung liegen bei 20°C weniger als 1% der NH3- Molekiile protolysiert vor. Mit Sauren bildet NH3 Ammoniumsalze, z. B. mit Salpetersaure

Ammoniumnitrat (NH3 + HNO3 NH4NO3). Ammoniumsalze zeigen in wassriger Losung aufgrund der Protolyse eine saure Reaktion (Кар. 6.5.3.5).

Greifen Losungen von Ammoniumsalzen (vor allem von NH4CI) Beton an, kann es auf­grund der Protolyse des NlV-Ions zur Reaktion mit dem Calciumhydroxid des Zement – steins unter Bildung leicht loslicher Calciumverbindungen und Ammoniak kommen. Die Folge sind Schadigungen der Bausubstanz (Кар. 9.4.2).