Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Kohlenstoff
• Stickstoff
• Phosphor
• Schwefel

Kohlenstoff

Kohlenstoff ist ein Element der 4. Hauptgruppe. Es steht im Periodensystem der Elemente (PSE) an 6. Stelle und besitzt 4 Außenelektronen. Elementarer Kohlenstoff kommt in der Natur in 2 verschiedenen Modifikationen vor. Graphit kennst du aus deinem Bleistift. Es färbt gut ab und kann daher zum Schreiben benutzt werden. Graphit leitet außerdem den Strom. Daher wird es oft als Elektrode eingesetzt. Die andere Modifikation ist Diamant. Diese entsteht wenn Kohlenstoff unter sehr hohem Druck zusammengepresst wird. So entsteht eine sehr harte Form des Kohlenstoffs.

Kohlenstoff ist das Hauptelement der organischen Chemie. Es kann Bindungen mit sich selbst eingehen und auf diese Weise Ketten und Ringe bilden. Kohlenstoff ist in der Lage mit seinen 4 Außenelektronen 4 Bindungen einzugehen. Auf diese Weise ist die riesige Vielfalt an organischen Molekülen möglich.

Stickstoff

Stickstoff steht im Periodensystem (PSE) direkt neben Kohlenstoff in der 5. Hauptgruppe und besitzt dementsprechend 5 Außenelektronen. Bei Raumtemperatur und Normdruck liegt Stickstoff gasförmig vor. Es ist der Hauptbestandteil der Luft mit ca. 78%. Besondere Bedeutung hat Stickstoff für das Haber-Bosch-Verfahren. Dabei wird aus elementarem Wasserstoff und elementarem Stickstoff aus der Luft Ammoniak erzeugt. Erst durch dieses Verfahren wurde es möglich atmosphärischen Stickstoff in eine weiterverwertbare Form zu bringen. Stickstoff ist für das Wachstum von Pflanzen enorm wichtig. Daher wurde der erhaltene Ammoniak größtenteils zur Erzeugung von stickstoffhaltigem Dünger verwendet. Aber auch zur Sprengstoffherstellung kann Ammoniak genutzt werden.

Stickstoff bildet Moleküle aus zwei Stickstoff-Atomen. Um eine volle Außenschale zu erreichen, werden dabei 3 Bindungen ausgebildet. Aus diesem Grund ist die Bindung sehr stark und der Abstand der Kerne sehr gering. Stickstoff ist somit sehr reaktionsträge. Man spricht auch von chemisch inert. Dies führt zu der Anwendung als Schutzgas. Stoffe, die an der Luft sofort mit Sauerstoff reagieren würden, können unter Schutzgasatmosphäre behandelt und verpackt werden.

Phosphor

Phosphor steht direkt unter Stickstoff im PSE. Es befindet sich ebenfalls in der 5. Hauptgruppe und besitzt 5 Außenelektronen. Phosphor kommt in mehreren Modifikationen vor. Die einfachste ist der weiße Phosphor. Dieser besteht aus $P_4$ Tetraedern und ist sehr reaktiv. Fein verteilt entzündet sich weißer Phosphor an der Luft von selbst. Bei 50°C fangen sogar auch größere Stücke an zu brennen. Der schwarze Phosphor ist bei Raumtemperatur die stabilste Modifikation. Es gibt sowohl amorphe als auch kristalline Formen, die alle eine polymere Struktur aufweisen. Im Gegensatz zu weißem Phosphor ist der schwarze nicht giftig und sehr reaktionsträge. Diese Modifikation entsteht unter hohem Druck und erhöhter Temperatur aus weißem Phosphor. Roter Phosphor ist eine Zusammenfassung einiger amorpher und kristalliner Formen des Phosphors. Er wird aus weißem Phosphor gewonnen, indem dieser unter Luftabschluss mehrere Stunden auf ca. 260°C erhitzt wird. Diese Modifikation ist nicht selbstentzündend, aber kann mithilfe von starken Oxidationsmitteln und geringer Energieeinwirkung zur Entzündung und sogar Explosion gebracht werden. Eine weitere Modifikation ist der violette Phosphor, der bei ein- bis zweiwöchigem Erhitzen von weißem Phosphor auf 550°C entsteht.

Ein wichtiges Salz des Phosphors sind die Phosphate. Sie beinhalten das Phosphat-Ion ${PO_4}^{2-}$. Phosphate sind als Stützelemente für die DNA besonders wichtig.

Schwefel

Schwefel steht in der 6. Hauptgruppe und an der 16. Stelle im Periodensystem. Schwefel kommt elementar in großen Lagerstätten vor. Dort kann es direkt abgebaut werden.

Außerdem kommt Schwefel in sulfidischen Mineralien vor. Viele Metalle sind in diesen schwerlöslichen Salzen gebunden. In Erdöl und Erdgas sind ebenfalls nicht unerhebliche Mengen an Schwefel enthalten. Diese werden aufwendig entfernt aber ein geringer Anteil bleibt immer zurück. Aus diesem Grund sind Schwefeloxide auch in Autoabgasen enthalten und gelangen so in die Umwelt. Eine wichtige Anwendung von Schwefel ist das sogenannte Vulkanisieren. Dabei wird Gummi mit Schwefel behandelt wodurch dieses eine höhere Festigkeit erhält.