Vorschlag C – Stickstoff und Wasserstoff in Verbindungen

Die Atome der Elemente Stickstoff und Wasserstoff können sowohl untereinander als auch mit anderen Atomen Verbindungen eingehen und kleinere Moleküle sowie Ionen bilden.

Die Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung Ammoniak $Formula: (\ce{NH3})$ $Formula: (\ce{NH3})$ wird als wichtiger Rohstoff für Düngemittel industriell hergestellt. Ammoniak kann aber auch als Zellgift wirken. Dies stellt besonders für Wasserlebewesen eine Gefahr dar.

Verbindungen aus Stickstoff und Sauerstoff können als Moleküle vorliegen, aber auch als Ionen sowie in funktionellen Gruppen in organischen Verbindungen auftreten. Stickstoffhaltige Moleküle und Ionen sind in Redoxreaktionen ineinander umwandelbar. Sie spielen eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf der Erde und werden für organische Synthesen verwendet.

Material 1 liefert Informationen zu Wasserstoff-Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff.

Benenne die wesentlichen zwischenmolekularen Kräfte, die jeweils bei den reinen Stoffen Methan, Ammoniak und Wasser auftreten, und erläutere die Unterschiede bei den Siedetemperaturen der aufgeführten Stoffe.

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Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelten Fritz Haber und Carl Bosch ein Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff.

Formuliere die Reaktionsgleichung der Gleichgewichtsreaktion von Stickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak.

Beschreibe auf der Grundlage von Material 2 und unter Bezug auf je zwei konkrete Wertepaare sowohl den Einfluss des Druckes bei einer Temperatur von $Formula: 400\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 400\ ^\circ\text{C}$ als auch den Einfluss der Temperatur bei einem Druck von $Formula: 100\ \text{bar}$ $Formula: 100\ \text{bar}$ auf den Volumenanteil an Ammoniak.

Erkläre die Auswirkung einer Druckveränderung bei einer konstanten Temperatur auf die Lage des chemischen Gleichgewichts bei der Ammoniaksynthese.

Begründe mithilfe von Material 2, dass die Ammoniak-Synthese exotherm ist.

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Ammoniak kann im Aquarium für Wasserlebewesen zum Problem werden (Material 3).

Gib den höchsten pH-Wert aus der Tabelle an, bei dem laut Material 3 noch keine Schäden bei Jungfischen zu erwarten sind, und berechne für diesen pH-Wert die Stoffmengenkonzentration an Hydroxid-Ionen in mol/L.

Erkläre mithilfe einer der in Material 3 angegebenen Gleichgewichtsreaktionen, dass mit steigendem pH-Wert vermehrt Schäden für Wasserlebewesen auftreten.

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Material 4 zeigt eine Übersicht zu wichtigen Stickstoff-Verbindungen, die ausgehend vom Stickstoff-Molekül in verschiedenen Redox-Reaktionen gebildet werden können.

Bestimme die Oxidationszahlen der Stickstoff-Atome in den acht dargestellten Verbindungen.

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Nitrit-Ionen mit Ammonium-Ionen zu elementarem Stickstoff und Wasser und zeige anhand der Elektronenübergänge, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

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Material 1

Wasserstoff-Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff

Name	Siedetemperatur in $Formula: \boldsymbol{^\circ\textbf{C}}$ $Formula: \boldsymbol{^\circ\textbf{C}}$
Methan
Ammoniak
Wasser

Material 2

Volumenanteil von Ammoniak im Reaktionsgemisch bei der großtechnischen Ammoniaksynthese

Diagramm: Volumenanteil von Ammoniak (%) über Temperatur (°C), mehrere Kurven für verschiedene Drücke (100–1000 bar)

Material 3

Ammoniak im Aquarium – ein Problem

Fische geben als Endprodukte ihres Eiweißstoffwechsels über ihre Kiemen Ammonium-Ionen $Formula: (\ce{NH4^+})$ $Formula: (\ce{NH4^+})$ in das Wasser ab. Diese Ammonium-Ionen können in Wasser auf unterschiedliche Weise zu Ammoniak reagieren:

Reaktion A:	$Formula: \quad\ce{NH4^+ + H2O <<=> NH3 + H3O+}$ $Formula: \quad\ce{NH4^+ + H2O <<=> NH3 + H3O+}$
Reaktion B:	$Formula: \quad\ce{NH4^+ + OH^- <=>> NH3 + H2O}$ $Formula: \quad\ce{NH4^+ + OH^- <=>> NH3 + H2O}$

Reaktion A:

$Formula: \ce{NH4^+ + H2O <<=> NH3 + H3O+}$ $Formula: \ce{NH4^+ + H2O <<=> NH3 + H3O+}$

Reaktion B:

$Formula: \ce{NH4^+ + OH^- <=>> NH3 + H2O}$ $Formula: \ce{NH4^+ + OH^- <=>> NH3 + H2O}$

Das gebildete Ammoniak wirkt ab bestimmten Konzentrationen als Zellgift auf Fische und andere Wassertiere. Insbesondere bei Jungfischen können bereits Ammoniak-Konzentrationen von etwa $Formula: 0{,}04\ \tfrac{\text{mg}}{\text{L}}$ $Formula: 0{,}04\ \tfrac{\text{mg}}{\text{L}}$ im Wasser zu Schäden führen.

Die folgende Tabelle zeigt die Konzentration von Ammoniak in einem Aquarium in der Abhängigkeit vom pH-Wert.

pH-Wert	NH₃-Konzentration $Formula: \boldsymbol{\bigl[\tfrac{\textbf{mg}}{\textbf{L}}\bigr]}$ $Formula: \boldsymbol{\bigl[\tfrac{\textbf{mg}}{\textbf{L}}\bigr]}$
	$Formula: \lt0{,}001$ $Formula: \lt0{,}001$

Material 4

Stickstoff und einige seiner Verbindungen

Schematische Darstellung einiger Stickstoffverbindungen

Die Pfeile zeigen an, dass sich die Oxidationszahlen der Stickstoff-Atome ändern.

Quellen:

Aufgabe 1 basiert auf:

Gordon H. Aylward, Tristan J. V. Findlay: Datensammlung Chemie in SI-Einheiten, Weinheim 4. Aufl. 2014.

URL: https://anorganik.chemie.vias.org/wasserstoff_brueckenbindung.html (abgerufen am 04.07.2024).

URL: https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/chemie/gym/bp2016/fb6/2_kl9/2_stoffe/3_wechsel/01a_lernbox_ww_ molekuele.pdf (abgerufen am 12.08.2024).

Aufgabe 2 basiert auf:

Wolfgang Amann et al.: Elemente Chemie II – Unterrichtswerk für die Sekundarstufe II, Stuttgart 1. Aufl. 1989, S. 178.

Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Berlin 102. Aufl. 2007, S. 664.

Aufgabe 3 basiert auf:

Achim Paululat, Jürgen Heinisch (Hg.): Campbell Biologie, Hallbergmoos 11. Aufl. 2019, S. 1342f.

URL: https://www.drak.de/ratgeber/glossar/nh4-nh3-verhaeltnis (abgerufen am 04.07.2024).

URL: https://www.pondus-verfahren.de (abgerufen am 04.07.2024).

URL: https://www.garnelenhaus.de/wiki/was-ist-ammonium-ammoniak (abgerufen am 04.07.2024).

Aufgabe 4 basiert auf:

Theodore. Brown, H. Eugene. LeMay, Bruce. E. Bursten: Chemie – Die zentrale Wissenschaft, München 10. Aufl. 2007, S. 1111f.

URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniumnitrit (abgerufen am 04.07.2024).

URL: https://roempp.thieme.de/lexicon/RD-01-02165 (abgerufen am 04.07.2024).

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Benennung der zwischenmolekularen Kräfte

Zwischen den Methan-Molekülen treten Van-der-Waals-Kräfte auf.
Zwischen den Ammoniak-Molekülen bzw. zwischen den Wasser-Molekülen treten jeweils zusätzlich Wasserstoffbrücken auf.

Erläuterung der unterschiedlichen Siedetemperaturen

Bei den Van-der-Waals-Kräften handelt es sich um schwache zwischenmolekulare Kräfte, sodass beim Methan die geringste Energie notwendig ist, um diese Anziehungskräfte zu überwinden. Methan hat daher die niedrigste Siedetemperatur der aufgeführten Stoffe.

Da Wasserstoffbrücken stärkere zwischenmolekularen Kräfte sind, sind entsprechend die Siedetemperaturen von Ammoniak und von Wasser höher als beim Methan.

Aufgrund der höheren Elektronegativitätsdifferenz der H-O-Bindung im Vergleich zur H-N-Bindung ist die Polarität im Wassermolekül größer und die Wasserstoffbrücken im Wasser sind stärker ausgeprägt. Wasser hat daher die höchste Siedetemperatur.

Hinweis: Alternativ kann zur Erläuterung der unterschiedlichen Siedetemperaturen von Ammoniak und Wasser auch die unterschiedliche Anzahl der Wasserstoffbrücken herangezogen werden, die zu den Nachbarmolekülen ausgebildet werden können.

Formulieren der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{N2 + 3H2 \rightleftharpoons 2NH3}$ $Formula: \ce{N2 + 3H2 \rightleftharpoons 2NH3}$

Beschreibung des Einflusses des Drucks und der Temperatur

Bei einer Temperatur von $Formula: 400\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 400\ ^\circ\text{C}$ nimmt mit steigendem Druck der Volumenanteil an Ammoniak im Stoffgemisch zu. Beispielsweise liegt bei $Formula: 200\ \text{bar}$ $Formula: 200\ \text{bar}$ der Anteil bei etwa $Formula: 40\ \%$ $Formula: 40\ \%$ und bei $Formula: 1000\ \text{bar}$ $Formula: 1000\ \text{bar}$ bei etwa $Formula: 80\ \%.$ $Formula: 80\ \%.$

Bei einem Druck von $Formula: 100\ \text{bar}$ $Formula: 100\ \text{bar}$ nimmt mit steigender Temperatur der Volumenanteil an Ammoniak im Stoffgemisch ab. Beispielsweise liegt bei $Formula: 200\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 200\ ^\circ\text{C}$ der Anteil bei etwa $Formula: 80\ \%$ $Formula: 80\ \%$ und bei $Formula: 600\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 600\ ^\circ\text{C}$ bei etwa $Formula: 6\ \%.$ $Formula: 6\ \%.$

Hinweis: Die Volumenanteile müssen zu jeweils zwei Druckwerten und zwei Temperaturwerten angegeben werden. Die genannten Wertepaare stellen Beispiele dar.

Erläuterung der Auswirkung der Druckveränderung auf die Lage des chemischen Gleichgewichts

Alle Reaktionspartner liegen im Gemisch gasförmig vor. Nach dem Prinzip vom kleinsten Zwang wird die Lage eines Gleichgewichts mit steigendem Druck in Richtung der Seite verschoben, auf der weniger Gasteilchen vorliegen. Auf der Eduktseite treten $Formula: 4\ \text{mol}$ $Formula: 4\ \text{mol}$ Gasteilchen auf und auf der Produktseite lediglich $Formula: 2\ \text{mol}$ $Formula: 2\ \text{mol}$ Gasteilchen. Daher steigt der Anteil an Ammoniak mit steigendem Druck.

Begründung, dass die Ammoniak-Synthese exotherm ist

Gemäß dem Prinzip vom kleinsten Zwang wird bei einer Temperaturerniedrigung die Reaktionsrichtung bevorzugt, die exotherm ist. Da der Anteil an Ammoniak bei niedrigeren Temperaturen steigt, muss die Ammoniaksynthese (Hinreaktion) exotherm sein.

Angabe des pH-Wertes und Berechnung der Hydroxid-Ionen-Konzentration

Bei Formula: pH=7{,}5 sind noch keine Schäden zu erwarten.

Formula: pOH=14-7{,}5=6{,}5

$Formula: c(\ce{OH-})=10^{-6{,}5}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\approx3{,}16\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c(\ce{OH-})=10^{-6{,}5}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\approx3{,}16\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}$

Erklärung vermehrter Schäden mit steigendem pH-Wert

Bei einem alkalischen pH-Wert liegt eine erhöhte Konzentration an Hydroxid-Ionen vor. Die Hydroxid-Ionen reagieren mit den von den Fischen ausgeschiedenen Ammonium-Ionen. An der unteren Reaktionsgleichung wird deutlich, dass sich das Gleichgewicht gemäß dem Prinzip vom kleinsten Zwang in Richtung der Produktseite verschiebt. In der Folge steigt die Ammoniak-Konzentration im Wasser, was bei Wasserlebewesen zu Schäden führen kann.

Bestimmung der Oxidationszahlen der Stickstoffatome

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{0\;\:\,}}{\ce{N2},}\;\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NH3},}\,\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NH4^+},}\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\quad\;}}{\ce{NO},}\overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}\quad\;\;}}{\ce{NO2},}\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\;\;}}{\ce{HNO3},}\;\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\quad\;\;}}{\ce{NO3^-},}\;\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NO2^-}}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{0\;\:\,}}{\ce{N2},}\;\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NH3},}\,\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NH4^+},}\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\quad\;}}{\ce{NO},}\overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}\quad\;\;}}{\ce{NO2},}\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\;\;}}{\ce{HNO3},}\;\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\quad\;\;}}{\ce{NO3^-},}\;\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NO2^-}}$

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}\quad\;\;}}{\ce{NO2},}\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\;\;}}{\ce{HNO3},}\;\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\quad\;\;}}{\ce{NO3^-},}\;\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NO2^-}}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}\quad\;\;}}{\ce{NO2},}\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\;\;}}{\ce{HNO3},}\;\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{V}\quad\;\;}}{\ce{NO3^-},}\;\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\quad\;\;}}{\ce{NO2^-}}$

Formulierung der Reaktionsgleichung und Zeigen der Redoxreaktion

Reaktionsgleichung Nitrit-Ionen Ammonium-Ionen zu Stickstoff Redox Oxidation Reduktion Elektronenübergänge

Es werden jeweils drei Elektronen übertragen.

Oxidation: Die Oxidationszahl des Stickstoffatoms im Ammonium-Ion erhöht sich von $Formula: -\text{III}$ $Formula: -\text{III}$ zu Formula: 0 im Stickstoff-Molekül.

Reduktion: Die Oxidationszahl des Stickstoffatoms im Nitrit-Ion verringert sich von $Formula: +\text{III}$ $Formula: +\text{III}$ zu Formula: 0 im Stickstoff-Molekül.

(Somit handelt es sich um eine Komproportionierung – zwei Edukte mit Atomen desselben chemischen Elements mit einer höheren und einer niedrigeren Oxidationszahl reagieren durch gleichzeitige Reduktion und Oxidation zu einem gemeinsamen Produkt, dessen Oxidationszahl zwischen denen der Edukte liegt.)

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