Stickstoff-Valencia: Elektronische Konfiguration und Verbindungen
Die Stickstoffwerte reichen von -3 wie bei Ammoniak und Aminen bis +5 wie bei Salpetersäure (Tyagi, 2009). Dieses Element erweitert Valenzen nicht wie andere.
Das Stickstoffatom ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 7 und das erste Element der Gruppe 15 (ehemals VA) des Periodensystems. Die Gruppe besteht aus Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi) und Moskau (Mc).
Die Elemente haben gewisse allgemeine Ähnlichkeiten im chemischen Verhalten, obwohl sie sich chemisch deutlich voneinander unterscheiden. Diese Ähnlichkeiten spiegeln gemeinsame Eigenschaften der elektronischen Strukturen ihrer Atome wider (Sanderson, 2016).
Stickstoff ist in fast allen Proteinen enthalten und spielt sowohl in biochemischen als auch in industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle. Stickstoff bildet starke Bindungen aufgrund seiner Fähigkeit, eine Dreifachbindung mit einem anderen Stickstoffatom und anderen Elementen zu bilden.
Daher ist in den Stickstoffverbindungen eine große Energiemenge enthalten. Vor 100 Jahren war wenig über Stickstoff bekannt. Heute wird Stickstoff häufig zur Konservierung von Lebensmitteln und als Dünger verwendet (Wandell, 2016).
Elektronische Konfiguration und Valenzen
In einem Atom füllen die Elektronen die verschiedenen Ebenen entsprechend ihrer Energie. Die ersten Elektronen füllen die niedrigen Energieniveaus und bewegen sich dann auf ein höheres Energieniveau.
Das äußerste Energieniveau in einem Atom ist als Valenzhülle bekannt, und die in dieser Hülle befindlichen Elektronen sind als Valenzelektronen bekannt.
Diese Elektronen finden sich hauptsächlich in der Bildung von Bindungen und in der chemischen Reaktion mit anderen Atomen. Valenzelektronen sind daher für unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften eines Elements verantwortlich (Valenzelektronen, SF).
Stickstoff hat, wie bereits erwähnt, eine Ordnungszahl von Z = 7. Dies impliziert, dass ihre Elektronen, die ihre Energieniveaus oder ihre elektronische Konfiguration ausfüllen, 1S2 2S2 2P3 sind.
Es muss daran erinnert werden, dass Atome in der Natur immer versuchen, die elektronische Konfiguration von Edelgasen zu erhalten, indem sie Elektronen gewinnen, verlieren oder teilen.
Im Falle von Stickstoff ist das Edelgas, dessen elektronische Konfiguration angestrebt wird, Neon mit der Ordnungszahl Z = 10 (1S2 2S2 2P6) und Helium mit der Ordnungszahl Z = 2 (1S2) (Reusch, 2013). .
Die verschiedenen Arten, wie Stickstoff sich verbinden muss, verleihen ihm seine Wertigkeit (oder Oxidationsstufe). Im speziellen Fall von Stickstoff, der sich in der zweiten Periode des Periodensystems befindet, kann die Valenzschicht nicht wie die anderen Elemente Ihrer Gruppe erweitert werden.
Es wird erwartet, dass es Valenzen von -3, +3 und +5 hat. Stickstoff hat jedoch Wertigkeitszustände im Bereich von -3 wie bei Ammoniak und Aminen bis +5 wie bei Salpetersäure. (Tyagi, 2009).
Die Valenzbindungstheorie hilft, die Bildung von Verbindungen gemäß der elektronischen Konfiguration von Stickstoff für einen bestimmten Oxidationszustand zu erklären. Dazu müssen wir die Anzahl der Elektronen in der Valenzschicht berücksichtigen und wie viel benötigt wird, um eine Edelgaskonfiguration zu erhalten.
Stickstoffverbindungen
Stickstoff kann aufgrund seiner Vielzahl von Oxidationsstufen eine Vielzahl von Verbindungen bilden. Zunächst muss daran erinnert werden, dass im Fall von molekularem Stickstoff dessen Wertigkeit per definitionem 0 ist.
Die Oxidationsstufe -3 ist eine der häufigsten für das Element. Beispiele für Verbindungen mit dieser Oxidationsstufe sind Ammoniak (NH3), Amine (R3N), Ammoniumionen (NH4 +), Imine (C = NR) und Nitrile (C = N).
Im Oxidationszustand -2 verbleibt der Stickstoff mit 7 Elektronen in seiner Valenzschale. Diese ungerade Anzahl von Elektronen in der Valenzschale erklärt, warum Verbindungen mit dieser Oxidationsstufe eine Brückenverbindung zwischen zwei Stickstoffatomen haben. Beispiele für Verbindungen mit dieser Oxidationsstufe sind Hydrazine (R 2 -NNR 2 ) und Hydrazone (C = NNR 2 ).
In der Oxidationsstufe -1 verbleibt Stickstoff mit 6 Elektronen in der Valenzschale. Beispiele für Stickstoffverbindungen mit dieser Wertigkeit sind Hydroxylamin (R 2 NOH) und Azoverbindungen (RN = NR).
In den positiven Oxidationsstufen ist Stickstoff üblicherweise an Sauerstoffatome gebunden und bildet Oxide, Oxisole oder Oxacide. Für den Fall der Oxidationsstufe +1 hat Stickstoff 4 Elektronen in seiner Valenzschale.
Beispiele für Verbindungen mit dieser Wertigkeit sind Distickstoffoxid oder Lachgas (N 2 O) und Distickstoffverbindungen (R = NO) (Reusch, Oxidation States of Nitrogen, 2015).
Für den Fall der Oxidationsstufe von +2 ist ein Beispiel Stickstoffoxid oder Stickoxid (NO), ein farbloses Gas, das durch die Reaktion von Metallen mit verdünnter Salpetersäure erzeugt wird. Diese Verbindung ist ein sehr instabiles freies Radikal, da sie mit O 2 in der Luft unter Bildung des NO 2 -Gases reagiert.
Nitrit (NO 2 -) in basischer Lösung und salpetrige Säure (HNO 2 ) in saurer Lösung sind Beispiele für Verbindungen mit der Oxidationsstufe +3. Dies können Oxidationsmittel sein, um normalerweise NO (g) zu erzeugen, oder Reduktionsmittel, um das Nitration zu bilden.
Distickstofftrioxid (N 2 O 3 ) und die Nitrogruppe (R-NO 2 ) sind weitere Beispiele für Stickstoffverbindungen mit der Valenz +3.
Stickstoffdioxid (NO 2 ) oder Stickstoffdioxid ist eine Stickstoffverbindung mit der Wertigkeit +4. Es ist ein braunes Gas, das im Allgemeinen durch die Reaktion von konzentrierter Salpetersäure mit vielen Metallen erzeugt wird. Dimerisiert zu N 2 O 4
Im Zustand +5 finden wir Nitrate und Salpetersäure, die in sauren Lösungen Oxidationsmittel sind. In diesem Fall hat Stickstoff 2 Elektronen in der Valenzschale, die sich im 2S-Orbital befinden. (Oxidationszustände von Stickstoff, SF).
Es gibt auch Verbindungen wie Nitrosilazid und Distickstofftrioxid, bei denen Stickstoff mehrere Oxidationsstufen im Molekül aufweist. Im Falle von Nitrosilazid (N 4 O) hat der Stickstoff die Wertigkeit -1, 0, + 1 und +2; und im Fall von Distickstofftrioxid hat es die Valenz +2 und +4.
Nomenklatur der Stickstoffverbindungen
Angesichts der Komplexität der Chemie von Stickstoffverbindungen reichte die traditionelle Nomenklatur nicht aus, um sie zu benennen, geschweige denn, um sie angemessen zu identifizieren. Unter anderem deshalb hat die internationale Vereinigung für reine und angewandte Chemie (IUPAC) eine systematische Nomenklatur erstellt, in der Verbindungen nach der Menge der Atome benannt werden, die sie enthalten.
Dies ist bei der Benennung von Stickoxiden von Vorteil. Beispielsweise würde Stickoxid als Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid (N 2 O) bezeichnet.
Zusätzlich entwickelte der deutsche Chemiker Alfred Stock im Jahr 1919 eine Methode zur Benennung der chemischen Verbindungen anhand der Oxidationsstufe, die in römischen Ziffern in Klammern angegeben ist. So würden beispielsweise Stickoxid und Distickstoffoxid als Stickoxid (II) bzw. Stickoxid (I) bezeichnet (IUPAC, 2005).
