In der ersten Stufe, der Fixierung, reduzieren einige Bakterien im Boden den Stickstoff zum Ammoniak. Anschließend oxidieren andere Bakterien Ammoniak bzw. Ammoniumsalze im Zuge der Nitrifikation stufenweise zu Nitraten (Bild 3). Show
Die Denitrifizierung bezeichnet den Vorgang, bei dem Nitrate wieder in molekularen Stickstoff überführt werden. Dieser Prozess erfolgt wiederum über Bodenbakterien. Als Zwischenstufe tritt Distickstoffmonooxid N2O auf. Distickstoffmonooxid kann aus dem Boden in die Atmosphäre diffundieren. Daraus ergibt sich ein Problem, weil das Gas ein langlebiges Treibhausgas ist. Obwohl der N2O-Gehalt der Atmosphäre nur etwa 3 ⋅ 10−5% beträgt, verstärkt das Gas merklich den Treibhauseffekt. Die Stickstoffbilanz ist ein wenig komplexer Laborwert, anhand dessen sich recht aussagekräftig der Eiweißstoffwechsel beurteilen lässt. Weiteres empfehlenswertes FachwissenEiweiße bestehen im Wesentlichen aus vielen aneinandergereihten Aminosäuren. Jede dieser Aminosäuren enthält mindestens ein Stickstoff-Atom. Werden nun Proteine beispielsweise aus der Muskulatur abgebaut, entstehen einzelne Aminosäuren. Bei ihrer Verstoffwechselung fällt Stickstoff an, der über die Niere ausgeschieden werden muss. Dazu wird er zunächst in der Leber zu Harnstoff umgewandelt. Mit Stickstoffbilanz bezeichnet man nun die Differenz zwischen aufgenommener und ausgeschiedener Stickstoffmenge. Werden in der Bilanz insbesondere in der Muskulatur mehr Eiweiße vom Körper abgebaut als aufgebaut, was beispielsweise in Hungerzeiten der Fall ist (kataboler Stoffwechsel), so ist die Stickstoffbilanz negativ. Der Körper verliert so Stickstoffverbindungen durch den Protein- und damit Aminosäurenabbau. Nimmt ein Mensch hingegen beispielsweise 10 Gramm Stickstoff auf, gibt aber nur 5 Gramm ab, so besteht eine positive Stickstoffbilanz. Dies ist beispielsweise im Wachstum oder in Regenerationszeiten bei Kraftsportlern der Fall. Es wird mehr Stickstoff aufgenommen, als abgegeben, und damit mehr Protein auf- als abgebaut. Damit lässt sich ebenfalls erkennen, ob der Körper eine Stoffwechselkrise (bspw. durch langes Fasten) durchmacht. Gegen Ende der Krise schwenkt er in den aufbauenden (anabolen) Stoffwechsel zurück, in dem wieder Eiweiße aufgebaut werden. Der Eiweiß-Katabolismus ist von besonderer Bedeutung für den Menschen. Er kann aus Speicherfett keine Glucose aufbauen (andersherum sehr wohl), aber er braucht für den hochenergetischen Fettabbau immer auch Glucose, sonst verschlechtert sich die Energiebilanz. Außerdem ist das Gehirn und die roten Blutkörperchen auf Glukose angewiesen. Bei einer Unterzuckerung kann es sogar zu einer Übersäuerung des Blutes kommen. Leberzellen sind aber in der Lage, Gluconeogenese zu betreiben, also Glukose herzustellen. Dabei werden insbesondere die Proteinbestandteile, die Aminosäuren, in Glukose umgewandelt. Im Detail spalten die Leberzellen bei den einfachen Aminosäuren die Amino(Stickstoff)-Enden ab und fusionieren die Bruchstücke zu C-6-Zuckern wie Glukose. Dabei fällt der oben erwähnte Stickstoff an, der in Harnstoff verpackt und über die Niere ausgeschieden wird. Der Name Stickstoff (lat. Nitrogenium) bezeichnet das chemische Element aus dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Atomar kommt Stickstoff in der Natur kaum vor, da es sich sofort durch eine stark exotherme Reaktion zu molekularem Stickstoff N2 verbindet. Elementar tritt Stickstoff nur in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Stickstoff-Atomen, auf (→ molekularer Stickstoff, auch Distickstoff (vgl. Disauerstoff), Summenformel N2). Molekularer Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Luft. Er ist für die Lebewesen ein essentielles Element, das durch Stickstofffixierung auf natürlichem Wege organisch gebunden wird. In organischer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptelement aller Organismen. Stickstoff ist ein zentrales Element im Stickstoffkreislauf der Ökosysteme und wird von den Lebewesen in einem energieintensiven Prozess organisch gebunden und verfügbar gemacht. Er kommt in Mineralien sehr selten vor. Auf der Erdoberfläche und in der Luft ist er fast ausschließlich abiotisch in der Anfangszeit der Erde entstanden und wurde später von den Lebewesen gebunden. Das Elementsymbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium (von altgriech. νιτρον „Laugensalz“ und altgriech. γενος „Herkunft“) ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht („erstickt“) oder dass ein Lebewesen (z. B. ein Mensch) in reinem Stickstoff erstickt. Weiteres empfehlenswertes FachwissenGeschichteChemische Verbindungen des Stickstoffs, wie Nitrate und Ammoniumsalze, wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Erstmals im Jahr 1774 wurde Ammoniak von Joseph Priestley dargestellt. Durch die Einführung des Frank-Caro-Verfahrens (Kalkstickstofferzeugung nach Adolph Frank und Nikodem Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure (Birkeland-Eyde-Verfahren, nach Kristian Birkeland und Sam Eyde), die katalytische Ammoniakverbrennung nach Wilhelm Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Fritz Haber und Carl Bosch. Natürliches Vorkommen und Kreislauf des StickstoffsSchon im 19. Jahrhundert erkannte man, dass ein großer Teil der pflanzlichen Materie Stickstoff enthält und ein wichtiges Bauelement aller Lebewesen ist. Er ist das wesentliche Element der Proteine und Proteide (Eiweißstoffe) und der DNA. Stickstoff ist daher auch Baustein aller Enzyme, die den pflanzlichen, tierischen und menschlichen Stoffwechsel steuern. Stickstoff ist für jedes Leben unentbehrlich. Stickstoff in der LuftDie Lufthülle der Erde besteht zu 78,09 vol% (75,53 % Gewichtsanteil) aus molekularem Stickstoff. Lediglich eine kleine Anzahl von Mikroorganismen kann ihn nutzen, in ihre Körpersubstanz einbauen oder auch an Pflanzen abgeben. Pflanzen können, soweit bekannt, den gasförmigen Stickstoff der Luft nicht unmittelbar nutzen. Die Überführung in eine Form, die von den Pflanzen verwertbar ist, geschieht durch
Stickstoff im BodenIn der Ackerkrume (A-Horizont) liegen meist mehr als 95 % des Gesamt-N als organisch gebundener Stickstoff in lebender Wurzelmasse, abgestorbener Pflanzenmasse, Humusstoffen und Bodenlebewesen vor. Der Rest von weniger als 5 % ist anorganischer Stickstoff in Form von Ammonium-N oder Nitrat-N und in sehr geringer Menge in Form von Nitrit-N. Der Gesamtstickstoffgehalt der Böden ist stark abhängig von deren Kohlenstoffgehalt. Er wird durch Klima und Vegetation, Bodenart, Geländegestalt und Maßnahmen des Landwirts, wie Bodenbearbeitung, beeinflusst. Stickstoff in PflanzenAufgaben in der PflanzeStickstoff wird in die Photosyntheseprodukte eingebaut, um unter anderem Eiweiße herzustellen, und fördert so das Wachstum. Je nach Art liegt der Anteil der Trockensubstanz bei 2–6 %, oder bei durchschnittlich 1,5 %[2]. Die Aufnahme des Stickstoffs erfolgt meist in Form von Ammonium oder Nitrat. Mangelsymptome
Überschusssymptome
Gewinnung und DarstellungPrimär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft bis zu einer Reinheit von höher als 1 ppb gewonnen. Oft ist dieser aber nur mit niedrigerer Reinheit vorhanden – ist meistens noch durch Sauerstoff und Edelgase verunreinigt. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs gibt es eine biologische Methode unter Verwendung von Reis-Keimlingen. Eine andere Möglichkeit ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxids. Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer oder durch eine alkalische Pyrogallol- bzw. Natriumdithionit-Lösung entfernt werden. Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen einer wässrigen Ammoniumnitrit-Lösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit auf etwa 70 °C dargestellt werden: Alternativ ist eine Thermolyse von Natriumazid möglich, die zur Herstellung von spektroskopisch reinem Stickstoff verwendet wird. EigenschaftenMolekularer StickstoffMolekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen (−196 °C) zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (23,2 ml Stickstoff in 1 l Wasser bei 0 °C) und nicht brennbar. Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Bindungen ein. In der 2s2p3 Elektronenkonfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktett-Komplettierung. Verbindungen, in denen dieser Bindungstypus vorkommt, sind beispielsweise: Diesen Verbindungen ist allen eine trigonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nukleophile und als Basen agieren. Der in der Natur vorkommende molekulare Distickstoff N2 ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Deswegen braucht es in der Regel einen hohen Energieaufwand, um diese Verbindung zu trennen und Stickstoff an andere Elemente zu binden. Hoch ist auch die erforderliche Aktivierungsenergie, die gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann. Polymerer StickstoffIn einer Veröffentlichung im August 2004 gaben Forscher vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz bekannt, dass sie unter Drücken von über 110 GPa bei einer Temperatur von über 2000 K eine neue kristalline Form, sogenannten Polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben. Diese Modifikation besitzt eine einzigartige kubische Struktur, die sogenannte „cubic gauche“-Struktur. Durch die hohe Instabilität sind die Einsatzmöglichkeiten begrenzt, man könnte sich polymeren Stickstoff aber zum Beispiel als Sprengstoff oder Energiespeicher vorstellen. Polystickstoff wäre dann mit Abstand der stärkste, nicht nukleare Sprengstoff.[3] IsotopeNeben den beiden natürlichen Isotopen 14N und 15N gibt es künstliche Isotope mit Massenzahlen von 12 bis 19. Deren Halbwertszeit beträgt zwischen 9,97 Minuten und 11 Millisekunden. Das 15N-Isotop wurde von Naude (1929) entdeckt und schon wenige Jahre später von Norman und Werkman (1943) in ersten Feldversuchen eingesetzt. Auch heute noch wird das Isotop in ähnlicher Weise für biochemische Untersuchungen des Stickstoffwechsels im Ackerboden oder in Pflanzen, aber auch bei der Umsetzung von Proteinen als Indikator eingesetzt. Die natürliche Konzentration von 15N in der Atmosphäre beträgt 0,3663 %. Anreichern kann man 15N wie andere Isotope gasförmigen Stoffe zum Beispiel durch Thermodiffusionstrennung. VerwendungTechnisch wird Stickstoff zur Synthese von Ammoniak (Haber-Bosch-Verfahren) und Kalkstickstoff sowie als Schutzgas beim Schweißen, als Lampenfüllung und bei chemischen Reaktionen verwendet. Darüber hinaus finden Stickstoffverbindungen mannigfaltige Anwendungen im Bereich der organischen Chemie und dienen als Düngemittel. Viele Sprengstoffe sind Stickstoffverbindungen. Es handelt sich meistens um Nitro-Verbindungen. Bei ausreichend Nitro-Gruppen im Molekül können die Sauerstoffatome der Nitro-Verbindung bei ausreichender Anregung mit den Kohlenstoff- oder Wasserstoffatomen im selben Molekül exotherm reagieren und somit wird aus dem Feststoff oder der Flüssigkeit (z. B. Nitroglycerin) plötzlich ein Gas hoher Temperatur, das sich mit großer Gewalt ausdehnt. Sprengstoffe befinden sich also in einem metastabilen Zustand. Bei wenigen Nitro-Gruppen erfolgt lediglich eine schnelle und unvollständige Verbrennung (z. B. Zelluloid (Tischtennisball)). Stickstoff wird zur Füllung von Flugzeugreifen großer Flugzeuge verwendet. Der reine Stickstoff verhindert, dass Flugzeugreifen durch die große Hitzeentwicklung beim Aufsetzen während der Landung, oder beim Startlauf, von innen in Brand geraten können. (Siehe: Flugzeugreifen) Die umstrittene Füllung von Autoreifen mit Stickstoff wird im Artikel „Reifengas“ thematisiert. Stickstoff findet in Getränkezapfanlagen Verwendung, wenn auf Grund von baulichen Umständen (langer Leitungsweg, großer Höhenunterschied) ein hoher Zapfdruck notwendig wird. Stickstoff wird hier zusammen mit Kohlenstoffdioxid als Mischgas verwendet. Da sich Stickstoff nicht im Getränk löst, kann auch bei höheren Drücken ohne zu viel Schaumbildung bzw. Aufcarbonisierung gezapft werden. Aufgrund des niedrigen Siedepunkts wird flüssiger Stickstoff als Kältemedium in der Kryotechnik eingesetzt. Der Stickstoff entzieht dabei dem Kühlgut die nötige Verdampfungswärme. Vorteilhaft gegenüber der Verwendung von flüssigem Sauerstoff, der bei −183 °C siedet, ist der um weitere 13 °C niedrigere Siedepunkt und die inerten Eigenschaften des Stickstoffs. Flüssiger Stickstoff wird dazu verwendet, bei Hochtemperatursupraleitern den supraleitenden Zustand zu erzeugen. Er wird auch zur Lagerung biologischer und medizinischer Proben sowie zum Schockfrieren von biologischen Material verwendet. In der Computer-Tuning-Szene wird Flüssigstickstoff unter anderem als Kühlmittel der CPU eingesetzt. Im Tiefbau dient er der Bodenvereisung. Im Bereich der Werkstofftechnik benutzt man Flüssigstickstoff um Restaustenit in bestimmten gehärteten Stählen zu beseitigen oder die Werkstoffe durch „Tiefkühlen“ künstlich zu altern. Ein weiteres Einsatzgebiet für Stickstoff ist die Kryochirurgie, in der z. B. Warzen „vereist“ werden. In diesem Fall verwendet man flüssigen Stickstoff, der direkt auf die zu behandelnde Hautpartie aufgesprüht wird. In Deutschland noch weitestgehend experimentell ist die „Stickstoff-Bestattung“ (grüne Bestattung). Als Alternative zur krematorischen Bestattung (Leichenverbrennung) wird die Leiche bei -18°C schockgefroren und dann in ein Bad aus flüssigem Stickstoff von -196°C gegeben. Der so erstarrte Körper wird daraufhin brüchig wie Glas. Durch Schallwellen und Erschütterung zerfällt er zu einer pulverigen Substanz. In einer Vakuumkammer wird dieser das Wasser entzogen, anschließend werden Metallteile - beispielsweise Zahnfüllungen - entfernt. Dies hat folgende Vorteile: Die sterblichen Überreste könnten nun in einem kleinen, biologisch abbaubaren Sarg-Gefäß beigesetzt werden. Zur Bestattung reicht ein flaches Grab von etwa 30 cm Tiefe, wo Sauerstoff und Bakterien den Zersetzungsprozess einleiten. Die Verrottung ist schon innerhalb eines halben Jahres abgeschlossen. Zum Vergleich: eine herkömmliche Holzsargbestattung geschieht in etwa 2 m Tiefe, der Zersetzungsprozess dauert mehrere Jahre.An einem Pilotprojekt bezüglich dieser neuen Bestattungsart arbeitet die schwedische Biologin Susanne Wiigh-Mäsak.[4] NachweisStickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignescher Probe und quantitativ mittels der Kjeldahlschen Stickstoffbestimmung oder Elementaranalyse erfasst werden. Für anorganisch gebundenen Stickstoff werden als Nachweisreaktion die Kreuzprobe für Ammoniumionen oder die Ringprobe für Nitrationen durchgeführt. Zur Durchführung der Ringprobe wird die Probelösung (schwefelsauer, schwermetallfrei) mit frischer Eisen(II)-sulfat-Lösung versetzt und mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet. An der Grenzfläche zwischen beiden Flüssigkeiten werden die Nitrationen zu Stickstoffmonoxid (NO) reduziert. Dieses Radikal bildet in wässriger Lösung mit weiteren Eisenionen einen braunen Komplex, der als „Ring“ an der Phasengrenze im Reagenzglas sichtbar wird: Ist Stickstoff gut für Menschen?Stickstoff hat zwei Gesichter: Er ist zum einen - als Grundbaustein der Natur - ein lebensnotwendiger Nährstoff, zum anderen ein gefährlicher Schadstoff für Menschen und Ökosysteme.
Warum ist Stickstoff wichtig für Lebewesen?Stickstoff muss von allen Lebewesen aufgenommen werden, denn das chemische Element Stickstoff ist Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von Nukleinsäuren, von speziellen Lipiden, wie den Sphingolipiden und von weiteren essentiell benötigten Substanzen.
Hat der Mensch Stickstoff im Körper?Der Körper verliert so Stickstoffverbindungen durch den Protein- und damit Aminosäurenabbau. Nimmt ein Mensch hingegen beispielsweise 10 Gramm Stickstoff auf, gibt aber nur 5 Gramm ab, so besteht eine positive Stickstoffbilanz. Dies ist beispielsweise im Wachstum oder in Regenerationszeiten bei Kraftsportlern der Fall.
Wo kommt Stickstoff im Alltag vor?Er kommt in vielen Nährstoffen vor, zum Beispiel in Eiweiß. Den Stickstoff aus der Luft können aber nur ganz wenige sehr kleine Lebewesen nutzen, zum Beispiel manche Bakterien. Stickstoffverbindungen kommen aber auch im Erdboden vor und helfen den Pflanzen beim Wachsen.
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