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Grundwissen

5. Hauptgruppe Stickstoffgruppe

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Zur 5. Hauptgruppe des Periodensystems gehören die Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut und Moscovium.  
  • Diese Hauptgruppe ist eine Gruppe der großen Gegensätze.
David Monniaux, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Abb. 1 Bei Zimmertemperatur flüssiger Stickstoff

Eine Hauptgruppe der Gegensätze? Stickstoff ist gasförmig. Die anderen Elemente sind bei Raumtemperatur fest. Stickstoff und Phosphor sind Nichtmetalle, Arsen und Antimon sind Halbmetalle, Bismut ist ein Metall. Stickstoff- und Phosphorverbindungen sind Bestandteile von Mineraldüngern, die dafür sorgen, dass die Ernteerträge heute wesentlich höher sind als in der Vergangenheit. Auf der anderen Seite stehen die beiden Elemente Phosphor und Arsen für Gefahr und Gift.

Die Elemente der 5. Hauptgruppe

Die Elemente der 5. Hauptgruppe sind Stickstoff (\(\ce{N}\)), Phosphor (\(\ce{P}\)), Arsen (\(\ce{As}\)), Antimon (\(\ce{Sb}\)), Bismut (\(\ce{Bi}\)) und Moscovium (\(\ce{Mc}\)). Das letztgenannte wurde erst 2004 entdeckt, ist radioaktiv und spielt technisch keine Rolle. Alle Elemente dieser Hauptgruppe haben fünf Außenelektronen. Stickstoff kann alle Oxidationsstufen von \(\ce{–III}\) bis \(\ce{+V}\) einnehmen. Das Metall Bismut  weist nur die positiven Ladungen +3 und +5 auf.

Vorkommen

Stickstoff
Stickstoff (Abb. 1) ist mit ungefähr 78 % der Hauptbestandteil der Luft. Pflanzen benötigen Stickstoffverbindungen für das Wachstum, aber können diesen nicht direkt aus der Luft aufnehmen. Die Aufnahme von Stickstoff bei Pflanzen kann zum Beispiel mit Hilfe von Knöllchen-Bakterien oder Zugabe von Düngemitteln geschehen. Die einzelnen Vorgänge kannst du dir im Schaubild (Abb. 2) angucken. Stickstoff ist sowohl in Aminosäuren, den Bausteinen der Proteine, wie auch in der DNA und RNA enthalten und damit für uns lebenswichtig.

Abb. 2 Stickstoff-Kreislauf
Abb. 3 Phosphor in seinen Modifikationen
Dnn87, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Abb. 4 Phosphor oder Bernstein?
Abb. 5 Arsen
Unknown authorUnknown author, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons
Abb. 6 Antimon
Abb. 7 Bismut

Phosphor
Phosphor (Abb. 3) kommt in der Natur nur in Form von Verbindungen vor. Der deutsche Wissenschaftler Hennig Brand entdeckte dieses Element am Ende des 17. Jahrhunderts. Er vermutete Gold im Urin und verdampfte die Flüssigkeit. Im Dunkeln sah er ein Leuchten und gab dem im Urin enthaltenen Stoff den Namen Phosphor (im Griechischen: Lichtträger).

Arsen
Arsen (Abb. 5) kommt meistens in Form von Sulfiden (Schwefelverbindungen) vor.

Antimon
Wie Arsen findest du Antimon (Abb. 6) in der Natur als Element, aber auch in Form von Schwefel-Verbindungen.

Bismut
Bismut (Abb. 7) (früher auch Wismut) kommt elementar in zwei Modifikationen vor. Außerdem findet man diese Metall in der Natur als Oxide und Sulfide vor.

Eigenschaften

Stickstoff
Stickstoff ist geruch- und farblos. Er „erstickt“ Flammen und hat daher seinen deutschen Namen bekommen. Heute wissen wir allerdings, dass eine Verbrennung mit einer Flamme Sauerstoff benötigt. Kohlenstoffdioxid kann beispielsweise genauso eine Flamme ersticken.

Phosphor
Elementarer Phosphor liegt in verschiedenen Modifikationen vor. Der weiße (oder gelbe) Phosphor ist ausgesprochen gefährlich und wurde früher als Bestandteil von Brandbomben verwendet. Weißer Phosphor entzündet sich selbstständig und verursacht auf der Haut heftige Wunden. An Stränden lassen sich solche Reste an Munition immer noch finden (vor allem an der Ostsee). Vorsicht bei der Suche nach Bernstein: bei einem gelblichen Fundstück könnte es sich auch um Phosphor handeln (Abb. 4)! Die anderen Modifikationen sind nicht so gefährlich. Roter Phosphor wird für die Reibfläche von Streichhölzern verwendet.

Arsen
Arsen ist ein Halbmetall und liegt ähnlich wie Phosphor in verschiedenen Modifikationen vor. Es wird für Halbleiter benötigt.  

Manche Menschen denken beim Begriff Arsen sofort an Gift. Vielleicht hast du schon einmal von dem Film „Arsen und Spitzenhäubchen“ gehört. Allerdings ist damit nicht das elementare Arsen gemeint,  sondern die Sauerstoffverbindung Arsen(III)-oxid ($\ce{As2O3}$) (Arsenik).

Antimon
Antimon ist ein Halbmetall und kommt wie Phosphor und Arsen in Form von verschiedenen Modifikationen vor.

Verwendung

Stickstoff
Hast du schon mal von flüssigem Stickstoff gehört oder diesen gesehen? Flüssiger Stickstoff ist eine klare Flüssigkeit, die bei Raumtemperatur blubbert und weiß dampft. Nahrungsmittel lassen sich mit Hilfe vom flüssigen Stickstoff schockgefrieren, z. B. Eis herstellen, oder andere Dinge schnell zum Gefrieren bringen. Stickstoff wird bei \(\ce{-196° C}\) flüssig. In diesem Aggregatszustand wird er zum Konservieren von medizinischen Präparaten und für die Herstellung von Supraleitern verwendet.

Diese Stickoxide werden durch die allgemeine Formel ($\ce{NOx}$) \,beschreiben. Eines dieser Oxide ist Distickstoffmonoxid ($\ce{N2O}$), das auch unter dem Namen Lachgas bekannt ist. Früher wurde dieses Gas als Narkosemittel verwendet. Heute spielt es eine wichtige Rolle in der Diskussion über den Klimawandel. Es gehört wie Kohlenstoffdioxid zu den Treibhausgasen, d. h. es trägt zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei. Lachgas entsteht zum Beispiel als Abbauprodukt von Düngemitteln.

Die wichtigste anorganische Stickstoffsäure ist Salpetersäure ($\ce{HNO3}$), die davon abgeleiteten Salze heißen Nitrate. Nitrate werden z. B. als Düngemittel verwendet. Gelangen die Nitrate in das Trinkwasser, können zu hohe Mengen schädlich sein.

Phosphor
Organische Phosphorverbindungen sind für uns lebensnotwendig. Phosphor ist sowohl in der DNA und RNA wie auch in Adenosintriphosphat ATP enthalten. Auch Pflanzen benötigen Phosphorverbindungen. Daher sind Phosphate Bestandteile von Düngemitteln.

Antimon
Antimon ist ein Bestandteil von Legierungen.

Bismut
Bismut wird als Bestandteil von Legierungen genutzt.

Reaktionen und Verbindungen

Stickstoff
Stickstoff bildet zweiatomige Moleküle ($\ce{N2}$) aus. Durch die Dreifachbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen ist das Stickstoffmolekül vergleichsweise stabil. Es wird also relativ viel Energie benötigt, um dieses Molekül zu spalten und damit Reaktionen zu ermöglichen. 

Eine Möglichkeit für solche Reaktionen ist das Haber-Bosch-Verfahren, bei dem aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak ($\ce{NH3}$) gewonnen wird. Aus Ammoniak können Ammoniumsalze ($\ce{NH4^+}$) hergestellt werden, aber auch verschiedene Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen.

Phosphor
Eine wichtige anorganische Phosphorverbindung ist die Phosphorsäure ($\ce{H3PO4}$), deren Salze sind die Phosphate. Phosphorsäure wird unter anderem als Konservierungsstoff verwendet.