Stickstoff (Vorlage:LaS) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 7 und dem Symbol N. Im Periodensystem steht es in der fünften Hauptgruppe bzw. der 15. IUPAC-Gruppe oder Stickstoffgruppe sowie der zweiten Periode. Das Symbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium ab (von Vorlage:GrcS „Laugensalz“ und -gen, meist als „Salpeterbildner“ übersetzt). Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen durch Verdrängen von Sauerstoff löscht („erstickt“) und dass in reinem Stickstoff Lebewesen ersticken, weil Sauerstoff fehlt. Ältere Bezeichnungen sind Azot oder Azotum, von denen sich weiterhin der Name einiger Stickstoffverbindungen ableitet, Stickgas und Zoogenium.
Elementar tritt Stickstoff in der Regel nur in Form zweiatomiger Moleküle auf (molekularer Stickstoff, auch Distickstoff, Summenformel N2) und ist mit 78 % der Hauptbestandteil der Luft. In der Erdkruste kommt anorganisch gebundener Stickstoff selten vor; von Bedeutung ist er nur in Salpetervorkommen.
Natürlich vorkommende chemische Verbindungen des Stickstoffs, wie Nitrate und Ammoniumsalze, wurden schon in der Antike und von den Alchimisten verwendet. Beide Verbindungstypen kann man neben ihrem Vorkommen als Mineralien auch aus Exkrementen herstellen. So stellten die Ägypter beispielsweise Ammoniumchlorid (Salmiak) aus Kamelmist her und Salpeter wurde lange Zeit aus dem Boden von Ställen gewonnen. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach – er bezeichnete ihn als „verdorbene Luft“ – und wurde im Jahr 1772 von Daniel Rutherford bestätigt.<ref name="Ernst von Meyer">Vorlage:Literatur</ref> Antoine de Lavoisier gab dem Gas den Namen Vorlage:Lang (von Vorlage:GrcS „das Leben nicht unterstützend, lebensfeindlich“, also „erstickender, das Leben nicht unterhaltender Stoff“).<ref name="A. F. Holleman, Wiberg Nils">Vorlage:Literatur</ref> Jean-Antoine Chaptal führte den Namen Vorlage:Lang 1790 ein (von Vorlage:LaS), nachdem man erkannt hatte, dass der Salpeter und die Salpetersäure Stickstoff-Verbindungen sind.<ref name="roempp">Vorlage:RömppOnline</ref> Daher stammt die übliche Übersetzung „Salpeterbildner“ (nitrogenium ist abgeleitet von Vorlage:GrcS „Laugensalz“, das in der Antike verschiedene Salze im modernen Sinn bezeichnete – vergleiche die anfänglichen Ausführungen zur Geschichte des Natriums –, und -gen, gemeinsam „[Laugen-]Salzbildner“).<ref name="A. F. Holleman, Wiberg Nils" /> Reiner Ammoniak wurde erstmals im Jahr 1774 von Joseph Priestley dargestellt.<ref name="Hans Peter Latscha, Martin Mutz">Vorlage:Literatur</ref> Dass Luft Sauerstoff und Stickstoff in einem konstanten Verhältnis von etwa 1:4 enthält hatte Henry Cavendish 1783<ref>Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 29.</ref> erkannt.
Die Bedeutung von Stickstoff in der Biologie wurde zu diesem Zeitpunkt nur unzureichend erkannt. 1786 wies Claude Louis Berthollet Stickstoff als wesentlichen Bestandteil tierischer Substanzen nach. In seinem grundlegenden Werk Traité élémentaire de chimie gab Antoine Lavoisier 1789 eine Übersicht über die damals bekannten Pflanzenstoffe. Auffällig ist dabei die geringe Beachtung stickstoffhaltiger Substanzen, was die damalige Auffassung widerspiegelt, dass solche Verbindungen vor allem in Tieren vorkommen. Teilweise wurde ihr Vorkommen sogar als Unterscheidungsmerkmal zwischen tierischen und pflanzlichen Stoffen angesehen. Im gleichen Jahr versuchte Antoine François de Fourcroy, tierische Stoffe nach ihrem Stickstoffgehalt zu klassifizieren. Dabei hob er insbesondere die Eiweißstoffe (matières albumineuses) hervor. Obwohl es ihm zugleich gelang, eiweißähnliche Substanzen auch in Pflanzen nachzuweisen, blieb die Vorstellung eines grundsätzlichen Unterschieds zwischen tierischer und pflanzlicher Materie zunächst bestehen. In diesem Zusammenhang sprach man sogar von „animalischer Materie“ in Pflanzen. Erst allmählich setzte sich im Verlauf des späten 18. und frühen 19. Jahrhunderts die Erkenntnis durch, dass Pflanzen allgemein ebenfalls Stickstoff enthalten. Gleichzeitig wurden spezifische pflanzliche Stickstoffverbindungen entdeckt, darunter das Chlorophyll, dessen Untersuchung ebenfalls auf Berthollet zurückgeht, sowie das Morphin, das 1804 von Friedrich Sertürner isoliert wurde. Trotz dieser Fortschritte dauerte es noch mehr als ein halbes Jahrhundert, bis die grundlegende Bedeutung stickstoffhaltiger Verbindungen vollständig erkannt wurde. Erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde klar, dass eiweißartige Stoffe und damit Stickstoff selbst unverzichtbare Bestandteile der Zellen sind.<ref name="W. Ruhland">Vorlage:Literatur</ref><ref>Claude Louis Berthollet, “Précis d’observations sur l’analyse animale comparée à analyse végétale” in Observations et mémoires sur la physique, sur l’histoire naturelle et sur les arts et métiers, Vol. 28, (Paris, 1786), S. 272–75</ref>
So gelang Friedrich Wöhler 1828 mit der Synthese der schon 1729 von Herman Boerhaave aus tierischem Urin isolierten Stickstoffverbindung Harnstoff aus Ammoniumcyanat der Beweis, dass eine organische Verbindung aus anorganischen Stoffen hergestellt werden kann. Dies widerlegte die bis dahin verbreitete Vorstellung einer besonderen „Lebenskraft“ in der organischen Chemie.<ref name="Dieter Holzner, Karsten Holzner">Vorlage:Literatur</ref><ref>Vorlage:Literatur</ref>
Jean-Baptiste Boussingault bewies ab 1836 durch die weltweit ersten Feldversuche mit exakter Messung der Pflanzen- und Bodenzusammensetzung die essenzielle Rolle der Stickstoffaufnahme über den Boden sowie die Sonderstellung der Leguminosen bei der Stickstofffixierung aus der Luft und schuf damit die experimentelle Basis für die moderne Düngung.<ref>Vorlage:Literatur</ref>
Nachdem Justus von Liebig 1840 in seiner Schrift Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und Physiologie zunächst die (irrtümliche) Auffassung vertrat, Pflanzen könnten ihren Stickstoffbedarf rein aus der Atmosphäre decken, widerlegten John Bennet Lawes und Joseph Henry Gilbert dies ab 1843 und auch Boussingault bis 1860 durch Feldversuche. Erst 1862 in der 7. Auflage seines Hauptwerks revidierte Liebig seine Position und erkannte die Notwendigkeit der Stickstoffzufuhr über den Boden an, was die Nachfrage nach stickstoffhaltigem Dünger massiv steigerte.<ref name="Sven Schubert">Vorlage:Literatur</ref><ref>Liebig, J.: Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und Physiologie. Vieweg, Braunschweig 1840 (1. Aufl.) u. 1862 (7. Aufl.).</ref><ref>Vorlage:Literatur</ref><ref name="Wolfgang Böhm">Vorlage:Literatur</ref><ref name="Ludwig Darmstaedter, René Du Bois-Reymond, Carl Schaefer">Vorlage:Literatur</ref> 1888 beobachteten Hermann Hellriegel und Hermann Wilfarth an der landwirtschaftlichen Versuchsstation in Bernburg die Bildung von Wurzelknöllchen nach Infektion mit Bakterien und maßen die gleichzeitige Reduktion von Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak, der an die Pflanze abgegeben wird. Martinus Willem Beijerinck konnte noch im gleichen Jahr in Delft nach Kenntnisnahme der Hellriegel’schen Versuche das erste Bakterium Bacillus radicicola isolieren, das die Knöllchenbildung verursacht.<ref name="Gerhart Drews">Vorlage:Literatur</ref> Zwischen 1889 und 1895 klärte Sergei Nikolajewitsch Winogradski zentrale mikrobiologische Prozesse des Stickstoffkreislaufs auf, bei denen er auch weitere nitrifizierende Bakterien identifizierte und isolierte.<ref name="Elias König">Vorlage:Literatur</ref><ref name="Gerhart Drews" />
Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts war natürlicher Salpeter die einzige großtechnisch verfügbare Quelle von Stickstoffverbindungen.<ref name="Hugh S. Gorman">Vorlage:Literatur</ref> Bereits 1860 führten Louis Joseph Frederic Margueritte und Alfred Lalouel Sourdeval erste technische Versuche zur Bindung von Luftstickstoff durch, indem sie Baryt in Gegenwart von Kohle zu Bariumcyanid umsetzten, das sich mit Wasserdampf zu Ammoniak zersetzen ließ.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Einen wichtigen Zwischenschritt bildete die Entdeckung der elektrischen Carbidherstellung die 1892 Thomas Willson in den USA mit der ersten großtechnischen Darstellung von Calciumcarbid im elektrischen Ofen gelang, während Henri Moissan im selben Jahr die wissenschaftliche Untersuchung dieses Prozesses veröffentlichte.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref> Bereits 1895 entwickelte Hamilton Castner in den USA ein frühes Cyanamid‑Verfahren, das Calciumcarbid zur Bildung von Calciumcyanamid nutzte und damit ein unmittelbarer Vorläufer des späteren Frank-Caro-Verfahrens war. Eine indirekte Rolle spielte ab 1889 das von Ludwig Mond entwickelte Mond-Verfahren, das durch die Erzeugung nahezu schwefelfreier Kohlenmonoxid‑Ströme zur Weiterentwicklung der industriellen Gaschemie beitrug und damit wichtige Voraussetzungen für spätere Synthesegas‑basierte Verfahren der Stickstoffchemie schuf.<ref name="Anthony S. Travis">Vorlage:Literatur</ref> Auf dieser Grundlage entwickelten Adolph Frank und Nikodem Caro ab 1898 das Frank-Caro-Verfahren zur Herstellung von Kalkstickstoff, mit dem Luftstickstoff erstmals im industriellen Maßstab in Form von Calciumcyanamid chemisch fixiert werden konnte. Ab 1903 wurde mit dem Birkeland-Eyde-Verfahren (nach Kristian Birkeland und Sam Eyde) ein weiteres Verfahren zur industriellen Stickstofffixierung eingeführt, bei dem Luftstickstoff in einem elektrischen Lichtbogen zu Stickoxiden oxidiert wurde, die anschließend durch Lösung in Wasser zu Salpetersäure umgesetzt wurden. Diese frühen Verfahren wurden jedoch bald durch das ab 1909 technisch realisierte Haber-Bosch-Verfahren (nach Fritz Haber und Carl Bosch) zur Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff verdrängt. Die großtechnische Umsetzung von Ammoniak zu Salpetersäure erfolgte anschließend über das von Wilhelm Ostwald entwickelte katalytische Ostwaldverfahren, das ab 1902 patentiert und ab 1905–1908 industriell etabliert wurde.<ref name="Bruno Waeser">Vorlage:Literatur</ref><ref name="Edmund Oskar von Lippmann">Vorlage:Literatur</ref>
In der Erdsystemforschung gilt Stickstoff seit Beginn des 21. Jahrhunderts als eine der am stärksten überschrittenen planetaren Belastungsgrenzen, da der anthropogene Eintrag reaktiver Stickstoffverbindungen inzwischen die natürlichen Fixierungsprozesse übertrifft.<ref>Vorlage:Literatur</ref><ref>Steffen, W. et al.: Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. In: Science 347, 2015, Vorlage:DOI.</ref> Parallel dazu wurden neue mikrobiologische Prozesse des Stickstoffkreislaufs entdeckt, darunter die anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox, 1995)<ref>Vorlage:Literatur</ref> und die vollständige Ammoniakoxidation durch einzelne Mikroorganismen (Comammox, 2015),<ref>Vorlage:Literatur</ref> die das Verständnis des globalen Stickstoffkreislaufs wesentlich erweitert haben.
Im Zuge der Energiewende gewinnt Ammoniak als potenzieller Wasserstoffträger und CO2‑freier Energieträger seit den 2020er Jahren erneut an Bedeutung.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Moderne industrielle Entwicklungen umfassen zudem optimierte Verfahren der Ammoniak‑ und Salpetersäureproduktion sowie neue katalytische Technologien zur Reduktion von Stickoxiden.<ref>Vorlage:Literatur</ref><ref>Vorlage:Literatur</ref>
Vorkommen
Stickstoff in der Luft
Die Lufthülle der Erde besteht zu 78,08 Vol-% (75,53 % Gewichtsanteil) aus molekularem Stickstoff (Distickstoff N2).<ref name="Peter W. Atkins, Julio de Paula">Vorlage:Literatur</ref> Sie enthält damit heute etwa 3,8·1018 kg Stickstoff.<ref name="10.1007/978-3-662-06547-1_2">Vorlage:Literatur</ref> Nach der Entstehung der Erde war die Konzentration von Stickstoff in der Erdatmosphäre anfangs sehr gering. Die inerte Verbindung sammelte sich jedoch im Verlauf der Entwicklung der Erdatmosphäre aus vulkanischen Aktivitäten an, da andere Verbindungen wie Wasser und Methan sich zersetzen oder wie Wasserstoff in den Weltraum entwichen.<ref name="idw-online.de">Informationsdienst Wissenschaft e. V.: Wie der Stickstoff auf die Erde kam, abgerufen am 12. April 2026.</ref><ref name="astrodicticum-simplex.at">Astrodicticum Simplex: Sternengeschichten Folge 552: Der Stickstoff der Erdatmosphäre – Astrodicticum Simplex, abgerufen am 12. April 2026.</ref><ref name="John Grotzinger, Thomas Jordan">Vorlage:Literatur</ref>
Da Deltanitrogen erst 2019 als Mineral anerkannt wurde, ist es weder in der zuletzt 2009 aktualisierten 9. Auflage der Mineralsystematik nach Hugo Strunz noch in der zuletzt 2018 überarbeiteten Lapis-Systematik nach Stefan Weiß verzeichnet. Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana kennt den Deltanitrogen noch nicht.
Die von der Mineraldatenbank „Mindat.org“ weitergeführte Strunz-Klassifikation in der 9. Auflage (auch Strunz-mindat) ordnet Deltanitrogen in die Klasse der „Elemente“ und dort in die Abteilung der „Halbmetalle (Metalloide) und Nichtmetalle“ (Vorlage:EnS; vergleiche auch gleichnamige Abteilung der Strunz-Klassifikation). Eine weitere Eingruppierung in eine bestimmte Unterabteilung bzw. Stroffgruppe fand bisher nicht statt (Stand 2024).<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
Stickstoff in der Erde
In der Ackerkrume (A-Horizont) liegen meist mehr als 95 % des Gesamtstickstoffs 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 oder Nitrat und in sehr geringer Menge in Form von Nitrit. Dieser mineralische Stickstoffgehalt wird im Frühjahr vor der Düngung mit der Nmin-Methode bestimmt. Der Gesamtstickstoffgehalt der Böden ist stark von deren Kohlenstoffgehalt abhängig. Er wird durch Klima, Vegetation, Bodenart, Geländegestalt und Maßnahmen des Landwirts, wie Bodenbearbeitung, beeinflusst.<ref>Markus Bernhardt-Römermann, Jörg Ewald: Einst zu wenig, heute zuviel: Stickstoff in Waldlebensgemeinschaften. In: Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft. 66 (6), 2006, S. 261–266, Abstract.</ref>
Der Anteil von Stickstoff in der Erdkruste (Atmo-, Hydro- und Lithosphäre bis zu 16 km Tiefe) beträgt etwa 0,03 %. Es steht damit in der Häufigkeitsliste an 18. Stelle.<ref name="10.1007/978-3-662-06547-1_2" />
Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft in Luftzerlegungsanlagen nach dem Linde-Verfahren mit einer Reinheit von bis zu 99,99999 % gewonnen.<ref name="Hermann Sicius">Vorlage:Literatur</ref> Stickstoff mit Verunreinigungen unter 1 ppb erfordert zusätzliche Reinigungsschritte. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs existiert eine biologische Methode unter Verwendung von Reiskeimlingen.
Stickstoff mit einem Reinheitsgrad von ca. 99 % wird wesentlich kostengünstiger durch mehrstufige Adsorption/Desorption an Zeolithen erhalten. Eine weitere Methode zur dezentralen Gewinnung von Stickstoff ist das Membranverfahren. Hierbei wird Druckluft mit einem Druck von 5 bis 13 bar durch eine Kunststoffmembran gepresst. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff und Argon durch diese Membran ist deutlich langsamer als jene von Sauerstoff, Wasser und Kohlendioxid, dadurch wird der Gasstrom auf der Innenseite der Membran mit Stickstoff angereichert. Durch Anpassung der Durchströmgeschwindigkeit kann die Reinheit des Stickstoffs gesteuert werden (bis 99,995 % bei Kleinstmengen, 99 % bei industriellen Maßstäben.)<ref name="Hermann Sicius" />
Eine etwas altertümliche Methode ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlenstoffdioxids mit einer Kaliumcarbonatlösung oder mit Wasser unter Druck. Bei begrenztem Luftzutritt verbrennt die Kohle nur zu Kohlenmonoxid, wobei das so gebildete Gemisch von Stickstoff und Kohlenmonoxid als Generatorgas bezeichnet wird.<ref name="HoWi">Vorlage:Literatur</ref> Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer<ref name="HoWi" /> oder durch eine alkalischePyrogallol-<ref>Vorlage:Literatur</ref> bzw. Natriumdithionitlösung entfernt werden. Da die Luft außer Stickstoff und Sauerstoff noch eine geringe Menge an Edelgasen enthält, erhält man aus ihr keinen reinen Stickstoff, sondern ein edelgashaltiges Gemisch.<ref name="HoWi" />
Im Labor gewinnt man reinen Stickstoff zweckmäßigerweise aus Stickstoffverbindungen. So zum Beispiel durch Erhitzen einer wässrigen Ammoniumnitritlösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit auf etwa 70 °C dargestellt werden:<ref name="Brauer">G. Brauer (Hrsg.): Handbook of Preparative Inorganic Chemistry. 2. Auflage. vol. 1, Academic Press, 1963, S. 457–460.</ref>
Eine weiterhin geeignete Verbindung ist Ammoniak, das durch Einwirkung eines Oxidationsmittels Stickstoff entwickelt. So bildet dieses sich beim Eintropfen einer konzentrierter Ammoniaklösung in einen wässerigen Chlorkalkbrei (CaCl2O + CaCl2 + O) oder durch Reaktion mit Salpetriger Säure.<ref name="HoWi" />
<chem>NH3 + HNO3 -> N2 + 2H2O</chem>
Gefährlich ist die Darstellung von Stickstoff durch Einleiten von Chlor in wässeriges Ammoniak, da sich bei einem Überschuss von Chlor explosives Stickstofftrichlorid bildet.<ref>Vorlage:Literatur</ref>
Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen (−196 °C) zu einer farblosen Flüssigkeit mit einer Dichte von 0,8076 g·cm3 kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (23,2 ml Stickstoff in 1 l Wasser bei 0 °C)<ref name="HoWi"/><ref name="GESTIS_L">Vorlage:GESTIS</ref> und nicht brennbar. Es ist in Metallschmelzen löslich; so lassen sich beispielsweise 4 % Stickstoff in Eisenschmelzen lösen, was zum Beispiel bei Nitrierstahl genutzt wird.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Der kritische Punkt liegt bei: Temperatur 126,19 K (−146,95 °C), Druck 33,9 bar, Dichte 0,314 g/cm3. Der Tripelpunkt liegt bei einer Temperatur von 63,15 K (−210 °C) und einem von Druck 0,125 bar.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Der Schmelzpunkt des farblosen festen Stickstoffs liegt bei −209,99 °C. Es liegt in Form einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung von N2-Molekülen vor. Unterhalb von −237,54 °C existiert noch eine Form mit kubisch-dichtester Packung. Bei einer Temperatur von −253 °C beträgt die Dichte des festen Stickstoffs 1,0265 g·cm3.<ref name="HoWi"/>
In einer Gasentladungs-Spektralröhre werden bei einem Restdruck von ca. 5–10 mbar die Molekülorbitale des Stickstoffs beim Betrieb mit 1,8 kV Hochspannung, 18 mA Stromstärke und einer Frequenz von 35 kHz zum Leuchten angeregt. Bei der Rekombination der ionisierten Gasmoleküle wird hierbei das charakteristische Farbspektrum abgestrahlt.<ref>Vorlage:Webarchiv.</ref> Dieser Prozess ist mit einem charakteristischen gelben Nachleuchten verbunden, das bei geeigneten Versuchsbedingungen noch bis zu 6 Stunden nach Ausschalten der elektrischen Entladung anhält.<ref name="HoWi"/>
Chemische Eigenschaften
Stickstoff ist das einzige Element der Stickstoffgruppe, das mit sich selbst (p-p)π-Bindungen bildet.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Der molekulare Distickstoff N2 ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung mit einem Atomabstand von 109,76 pm<ref name="HoWi" /> und der damit verbundenen hohen Bindungsdissoziationsenergie von 945,33 kJ/mol<ref name="Holle">Vorlage:Holleman-Wiberg</ref> sehr reaktionsträge. Die Erklärung hierfür ist, dass bei der aus einer σ-Bindung und zwei senkrecht zueinander stehenden π-Bindungen bestehende Dreifachbindung die p-Orbitale, die an der Bildung der beiden π-Bindungen beteiligt sind, bei den kleinen Stickstoff-Atomen stark überlappen.<ref name="Michael Binnewies">Vorlage:Literatur</ref> 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.<ref name="HoWi" /> Im Gegensatz dazu bildet Stickstoff nur sehr schwache Einfachbindungen. Als mittlere Bindungsenthalpie einer Stickstoff/Stickstoff-Einfachbindung lässt sich ein Wert von 158 kJ/mol angeben.<ref name="Michael Binnewies" />
Stickstoff kann Oxidationszahlen von −3 bis +5 annehmen und zeigt dadurch ein sehr vielseitiges chemisches Verhalten. Der große Unterschied zwischen den Bindungsenergien der N/N-Einfachbindung und der N/N-Dreifachbindung trägt dazu bei, dass in der Stickstoffchemie sehr häufig N2-Moleküle gebildet werden. Die Bildung von Ketten mit N/N-Einfachbindungen findet dagegen so gut wie gar nicht statt. Damit verhält sich Stickstoff vollkommen anders als das Nachbarelement Kohlenstoff, dessen Neigung zur Bildung von C/C-Einfachbindungen ein wesentliches Merkmal der darauf aufbauenden organischen Chemie ist.<ref name="Michael Binnewies" />
Alle diese Verbindungen haben eine trigonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar. Über dieses freie Elektronenpaar können sie als Nukleophile und als Basen reagieren.<ref name="spektrum.de">Lexikon der Chemie: Stickstoff, abgerufen am 28. April 2026.</ref>
Mit Erdalkalimetallen reagiert Stickstoff relativ leicht und vollständig, dabei mit Lithium sogar bei Raumtemperatur. Auch mit vielen anderen Metallen wie Aluminium, Titan, Vanadium und Chrom reagiert es bei starker Hitze zu Nitriden. Mit Wasserstoff reagiert es unter diesen Bedingungen zu Ammoniak und mit Sauerstoff zu Stickoxiden.<ref name="HoWi" />
Allotrope
Neben dem beschriebenen Distickstoff N2 bildet Stickstoff mehrere Allotrope, die sich nach der Anzahl Stickstoffatome.
Polymerer Stickstoff
In 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 farblose kristalline Form, sogenannter „polymerer Stickstoff“ mit Einfachbindungen erzeugt haben. Diese Modifikation besitzt eine einzigartige kubische Struktur, die sogenannte „cubic gauche“-Struktur.<ref name="HoWi" />
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.<ref>Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft vom 3. August 2004.</ref>
Eine weitere, dem schwarzen Phosphor analoge polymere und als Schwarzer Stickstoff bezeichnete Form des Stickstoffs wurde 2020 beschrieben. Die Struktur enthält zweidimensionale Schichten, in denen die Stickstoffatome über ein einheitliches Zickzack-Muster vernetzt sind. Diese 2D-Schichten ähneln in ihren elektronischen Eigenschaften dem Graphen, so dass das Material für viele technische Anwendungen interessant sein könnte. Die Herstellung erfolgte durch Lasererhitzung von Stickstoff bei einem Druck von 140 GPa in einer Diamantzelle.<ref>Dominique Laniel, Bjoern Winkler, Timofey Fedotenko, Anna Pakhomova, Stella Chariton, Victor Milman, Vitali Prakapenka, Leonid Dubrovinsky, Natalia Dubrovinskaia: High-Pressure Polymeric Nitrogen Allotrope with the Black Phosphorus Structure in Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 216001, Vorlage:DOI.</ref><ref>Neues Hochdruckmaterial entdeckt – Schwarzer Stickstoff folgt Goldener Regel der Chemie, Laborpraxis-Online, abgerufen am 2. Juni 2020.</ref>
Hexastickstoff N6
Ein internationales Forschungsteam berichtete 2025 in Nature erstmals über die Synthese von molekularem Hexanitrogen (N6), einem neuen metastabilen Stickstoff-Allotrop. Durch die Reaktion von Chlor oder Brom mit Silberazid (oder Natriumazid) bei Raumtemperatur über die Zwischenstufe Chlorazid und anschließender Stabilisierung in Argon-Matrizen bei 10 Kelvin gelang die Isolierung und Charakterisierung der Verbindung. Bei Raumtemperatur beträgt die Halbwertszeit der Verbindung nur 35,7 Millisekunden.
Spektroskopische Analysen und Berechnungen bestätigten die Struktur. N6 setzt bei Zersetzung ausschließlich Stickstoff frei. Es wurde eine sehr hohe Zersetzungsenthalpie von −774,9 kJ·mol−1 bzw. −9220 kJ·kg−1 abgeschätzt, etwa doppelt so hoch wie die bekannter Sprengstoffe wie TNT oder HMX.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Damit ist Hexastickstoff der stärkste nichtnukleare Sprengstoff.<ref>N6 ist der stärkste nichtnukleare Sprengstoff. Am 3. August auf n-tv.de</ref>
Die Autoren schlagen die Verbindung als möglichen Kandidaten für zukünftige Energiespeichermaterialien vor. Mit Blick auf die eher teure Herstellung, die geringe Temperaturstabilität bei der Handhabung und der schwer beherrschbaren Energiefreisetzung bei der Zersetzung besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf.<ref>Ideal als Raketentreibstoff. Forscher stellen energiereichste Substanz der Welt her am 25. Juni 2025 auf n-tv.de</ref>
Atomarer Stickstoff
Bei Einwirkung elektrischer Glimmentladungen unter vermindertem Druck spalten sich Stickstoffmoleküle teilweise unter Bildung von chemisch sehr reaktiven Stickstoffatomen, was zuerst 1913 von John William Strutt beobachtet wurde. Diese Form bildet mit zahlreichen Metallen (wie zum Beispiel Quecksilber, Zink, Cadmium, Natrium und Magnesium) schon bei Raumtemperatur Nitride, ebenso mit Nichtmetallen wie Phosphor und Schwefel.<ref name="HoWi" /><ref>Vorlage:Literatur</ref>
Weitere Allotrope
Daneben sind mit Tristickstoff N3, Tetrastickstoff N4 (nur im Mikrosekundenbereich existierende Spezies) und Oktastickstoff N8 (nur bei hohem Druck nachgewiesen) weitere allotrope Formen bekannt.<ref name="HoWi" /><ref>Vorlage:Literatur</ref> Weitere Formen wie Bipentazol N10 wurden bisher nur theoretisch vorausgesagt.<ref>Bipentazole (N10): A Low-Energy Molecular Nitrogen Allotrope with High Intrinsic Stability, Sergey V. Bondarchuk
The Journal of Physical Chemistry Letters 2020 11 (14), 5544-5548, Vorlage:DOI</ref>
Isotope
Es sind insgesamt 17 Isotope zwischen 9N und 25N sowie weitere Isomere des Stickstoffs bekannt. Von diesen sind zwei, die Isotope 14N und 15N, stabil und kommen in der Natur vor.
Das Isotop mit dem größeren Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist 14N mit 99,636 %, 15N hat einen Anteil von 0,364 %.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
Die langlebigsten instabilen Isotope sind 13N, das mit einer Halbwertszeit von 9,965 Minuten durch β+-Zerfall in 13C übergeht, und 16N, das mit einer Halbwertszeit von 7,13 Sekunden durch β−-Zerfall zu 16O zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.<ref name="nubase">G. Audi, F. G. Kondev, Meng Wang, W.J. Huang, S. Naimi: The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties. In: Chinese Physics C. 41, 2017, S. 030001, Vorlage:DOI (Volltext).</ref>
Das 15N-Isotop wurde 1929 von Stefan Meiring Naudé entdeckt<ref>Vorlage:Literatur</ref> und schon wenige Jahre später von A. G. Norman und Chester Hamlin Werkman (1943) in ersten biologischen Feldversuchen eingesetzt.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Auch heute noch wird dieses Isotop in ähnlicher Weise für biochemische Untersuchungen des Stickstoffstoffwechsels im Ackerboden oder in Pflanzen, aber auch bei der Umsetzung von Proteinen als Indikator eingesetzt. Der Anteil von 15N am Stickstoff der Atmosphäre beträgt 0,3663 %.<ref name="David W. Emerich, Hari B. Krishnan">Vorlage:Literatur</ref>
In den Handel kommt Stickstoffgas für industrielle und andere Anwendungen (zum Beispiel in der Medizin und dem Tauchen) in Gasflaschen (Bomben) unter einem Druck von 200-300 bar. Diese müssen in Europa seit 2006 mit einer schwarzen Flaschenschulter für Stickstoff gekennzeichnet sein.<ref name="HoWi"/><ref name="linde-gas.de">Linde Gas Deutschland: Farbkennzeichnung bei Gasflaschen, abgerufen am 19. April 2026.</ref>
Die Eigenschaft chemisch nicht zu reagieren (Inert-Eigenschaft) wird genutzt:
zur Füllung von Flugzeugreifen großer Flugzeuge. Das Vermeiden von Sauerstoff (etwa zu 21 % in Luft enthalten) bei etwa 10 bar Druck verhindert, dass Flugzeugreifen unter der großen Hitzeentwicklung (durch Reibung und Walken) bei Landung oder beim Startlauf von innen in Brand geraten können. Ein kleiner günstiger Nebeneffekt ist, dass Stickstoff etwa 2,5 % leichter als Luft ist.
in Getränkezapfanlagen, 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. Stickstoff hat bei gleichem erhöhten Druck eine geringere Löslichkeit in – stets wasserbasierten – Getränken als Kohlenstoffdioxid. Durch Entspannen beim Zapfen werden dadurch kleinere Schaumbläschen erreicht.
Aufgrund des niedrigen Siedepunkts wird flüssiger Stickstoff als Kältemedium in der Kryotechnik eingesetzt. Der Stickstoff entzieht dabei dem Kühlgut seine Verdampfungsenthalpie und hält dieses solange kalt, bis er verdampft ist. Gegenüber flüssigem Sauerstoff, der bei −183 °C (90 K) siedet, ist der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff um weitere 13 K niedriger, er siedet bei −196 °C (77 K) und bringt Luftsauerstoff und andere Gase zur Kondensation, die auf diese Weise getrennt werden können.
Flüssiger Stickstoff (Dichte 0,8085 kg/L bei −195,8 °C)<ref name="roempp" /> wird unter anderem dazu verwendet, bei Hochtemperatursupraleitern den supraleitenden Zustand zu erzeugen. Er wird auch zur Lagerung biologischer und medizinischer Proben, Eizellen und Sperma, sowie zum Schockfrieren von biologischem Material verwendet. Ein Beispiel ist auch die Kühlung von Infrarot-Fotoempfängern, um deren thermisches Rauschen zu verringern oder überhaupt erst einen halbleitenden Zustand in ihnen herbeizuführen.
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. Flüssiger Stickstoff wird auch eingesetzt, um zum Beispiel Getriebewellen so weit zu schrumpfen, dass aufgesetzte Zahnräder durch Presspassung auf der Welle halten. Beim Recycling von Kabeln wird der Isolierstoff durch Kühlen mit flüssigem Stickstoff spröde und kann vom Metall (Aluminium bzw. Kupfer) abgeschlagen werden.
Bei der (in Deutschland nicht zugelassenen) „Stickstoffbestattung“ (Promession) wird der Leichnam in einem Bad aus flüssigem Stickstoff eingefroren und anschließend zu einem Pulver zermahlen.
Stickstoffverbraucher bekommen Stickstoff oft statt in Druckgasflaschen als Flüssigstickstoff in Thermobehältern ähnlich einer Thermosflasche bereitgestellt. Diese Behälter bezeichnet man als Dewargefäß. Der Stickstoff wird dazu flüssig aus ebenfalls doppelwandigen Tankfahrzeugen abgefüllt.
Chemische Reaktionen
Als Azotierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Stickstoff aufnimmt.
Ein typisches Beispiel für eine Azotierung ist die Darstellung von Kalkstickstoff aus Calciumcarbid und Stickstoff:
Obwohl Luft zu über 78 % aus Stickstoff besteht und Stickstoff ein Inertgas und somit ungiftig ist, müssen bei der Handhabung von gasförmigem Stickstoff in größeren Mengen Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden – beispielsweise wenn aufgrund der Menge an Stickstoff die Gefahr besteht, dass Personen Arbeitsbereiche wie Maschinenräume betreten, welche aus Brandschutzgründen mit Stickstoffgas gefüllt sind, und durch Verdrängung kein oder nur eine ungenügende Menge an Sauerstoff für die Atmung vorhanden ist.
Betritt eine Person einen solchen Bereich, kommt es zu einer heimtückischen, da durch die betroffene Person nicht bewusst wahrnehmbaren, normobaren Hypoxie durch Stickstoff, welche nach einigen Sekunden zu leichten Bewusstseinsstörungen gefolgt von Bewusstlosigkeit und nach wenigen Minuten zum Tod durch Erstickung führt. So kam es beispielsweise im Vorfeld der ersten Mission des Space Shuttle im März 1981 zum Tod zweier Techniker, welche einen aus Brandschutzgründen mit Stickstoff gefüllten Bereich in der Mobile Launcher Platform betreten hatten.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
Der Grund für diese Gefahr liegt darin, dass der menschliche Körper über keine hinreichend schnelle Sensorik im Glomus caroticum zur Erkennung der Unterversorgung mit Sauerstoff verfügt. Das Gefühl von Erstickung tritt bei einem Anstieg des Kohlendioxidgehalts im Blut auf, gefolgt von heftigem Atemreflex und Panik.
Kann hingegen das Kohlendioxid in einer reinen Stickstoffatmosphäre problemlos abgeatmet werden, was in größeren mit Stickstoff gefüllten Räumen der Fall ist, kommt es zu keinem wahrnehmbaren Erstickungsgefühl und die Unterversorgung mit Sauerstoff führt zur vom Betroffenen nicht bewusst wahrnehmbaren Hypoxie.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
Daher müssen in Bereichen, in denen mit größeren Mengen Stickstoff hantiert wird und die potentielle Gefahr einer Erstickung beispielsweise bei Fehlfunktionen besteht, neben der nötigen Belüftung auch spezielle Warneinrichtungen vorhanden sein, die einen Sauerstoffmangel optisch oder akustisch anzeigen. Zusätzlich kann das Tragen einer persönlichen Schutzausrüstung nötig sein, welche das Unterschreiten des Sauerstoffgehalts unter einen Grenzwert rechtzeitig anzeigt.
Biologische Bedeutung und Stickstoffkreislauf
Schon im 19. Jahrhundert erkannte man, dass ein großer Teil der pflanzlichen Materie Stickstoff enthält und er ein wichtiges Bauelement aller Lebewesen ist. Er ist das wesentliche Element der Proteine und Proteide und der DNS. Stickstoff ist daher auch Baustein aller Enzyme, die den pflanzlichen, tierischen und menschlichen Stoffwechsel steuern. Stickstoff ist für das Leben auf der Erde unentbehrlich.
Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf beschreibt die Nutzbarmachung von Stickstoff aus der Luft für Pflanzen und Tiere und dessen Wiederabgabe in die Atmosphäre.
Lediglich eine kleine Anzahl von Mikroorganismen kann elementaren Stickstoff nutzen, ihn 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:
Knöllchenbakterien: Diese Bakterien dringen in die Wurzeln der sogenannten Leguminosen ein. Sie ernähren sich von den Assimilaten der Pflanze. Im Tausch dafür liefern sie der Wirtspflanze Ammonium. Dieses wurde durch ein spezielles Enzym, der Nitrogenase, unter hohem Energieaufwand aus dem Luftstickstoff reduziert. Diese Lebensgemeinschaft ist eine Symbiose. Sie ermöglicht den Leguminosen die Besiedelung auch schlechter Standorte, weshalb der Mensch diese Pflanzen insbesondere im ökologischen Landbau zur Anreicherung des Bodens mit Stickstoff nutzt. Hier stellen Leguminosen die Hauptstickstoffquelle dar.
Freilebende Mikroorganismen: Die nichtsymbiotische Stickstoffbindung beruht auf der Fähigkeit einiger freilebender Mikroorganismen (zum Beispiel Azotobacter und Cyanobakterien), Luftstickstoff zum Aufbau von körpereigenen Proteinen zu verwenden. Bei ackerbaulicher Nutzung wird die Größenordnung der Bindung von atmosphärischem Stickstoff durch freilebende Mikroorganismen mit 5–15 kg/ha und Jahr angenommen.
Elektrische Entladung bei Gewittern: In niederschlagsreichen Gebieten können jährlich 20–25 kg N pro ha durch Regen dem Boden zugeführt werden. Das geschieht bei elektrischen Entladungen, wenn sich Sauerstoff und Stickstoff zu Stickstoffoxiden verbinden. Letztendlich reagieren diese Oxide mit dem Regenwasser zu Salpetersäure und im Boden können Nitrate entstehen.
Ammoniaksynthese: Die Chemiker Fritz Haber und Carl Bosch haben zu Anfang des 20. Jahrhunderts ein Verfahren entwickelt, mit dem aus Luftstickstoff und WasserstoffAmmoniak hergestellt werden kann. Die durch das Haber-Bosch-Verfahren möglich gewordene Nutzung des Stickstoff der Atmosphäre hat zur wesentlichen Ertragssteigerung landwirtschaftlicher Produktionen beigetragen. Die Ernährungssicherung konnte damit wesentlich verbessert werden. Die Pflanze baut aus dem aufgenommenen Ammoniak pflanzliche Proteine auf, die Mensch und Tier als Nahrung und zum Aufbau der eigenen Körperproteine dient. Im menschlichen und tierischen Organismus werden die Proteine zum großen Teil wieder abgebaut und mit dem Kot und Harn ausgeschieden. Zum heutigen Zeitpunkt wurde im Schnitt bereits jedes dritte Stickstoffatom in der Biosphäre einmal von der Düngemittelindustrie verarbeitet.<ref name="idw-online-354167">Vorlage:IDW-online</ref>
Autoabgase: Durch die Verbrennung fossiler Energieträger (Benzin, Diesel) werden durch den Autoverkehr Stickstoffverbindungen freigesetzt. Bei dem Verbrennungsvorgang entstehen Stickoxide (NOx, vor allem Stickstoffdioxid NO2, aber auch Stickstoffmonoxid NO und andere NOx-Verbindungen). In der Vergangenheit wurden diese direkt in die Umgebung entlassen. Heutzutage besitzen Autos Katalysatoren, welche diese Verbindungen reduzieren: NOx wird im Katalysator zu Ammoniak reduziert. Dieses wird im Beisein von Wasser in Ammonium umgewandelt (Ammoniak/Ammonium-Gleichgewicht in angesäuerter Lösung: NH3 + H3O+ ⇔ NH4+ + H2O). Sowohl die oxidierten als auch die reduzierten Stickstoffverbindungen werden über die Luft verfrachtet und tragen zu einem beträchtlichen Teil zur Eutrophierung benachbarter Ökosysteme bei.
Stickstoff in Pflanzen
Aufgaben in der Pflanze
Stickstoff wird in die Photosyntheseprodukte eingebaut, um unter anderem Eiweiße herzustellen, und fördert so das Wachstum. Eine wichtige Bedeutung kommt dem Stickstoff als essentieller Bestandteil der Desoxyribonukleinsäure und des Chlorophylls zu. Je nach Art liegt der Anteil der Trockensubstanz bei 2–6 %, oder bei durchschnittlich 1,5 %.<ref>Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Physiologie der Pflanzen. Spektrum, Akad. Verlag, Heidelberg/Berlin 2000, ISBN 3-8274-0537-8.</ref> Die Aufnahme des Stickstoffs erfolgt meist in Form von Ammonium- oder Nitratsalzen.
Mangelsymptome
kümmerlicher Wuchs
blassgrüne Farbe der Blätter. Ältere werden chlorotisch und fallen vorzeitig ab.
zu frühes Blühen (Notblüte)
Vergilbungen
Überschusssymptome
Mastiger Wuchs
Blätter dunkelgrün
Blüte verzögert
Pflanze frost- und krankheitsanfällig
Blattgewebe wirkt schwammig und weich
Nachweis
Stickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignescher Probe und quantitativ mittels der Stickstoffbestimmung nach Will-Varrentrapp, der Kjeldahlschen Stickstoffbestimmung, über ein Azotometer oder die 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:
Stickstoff kommt in seinen Verbindungen in lückenloser Folge in den Oxidationsstufen −3 bis +5 vor, wobei die negativen Wertigkeiten in Verbindungen mit elektropositiven Elementen (zum Beispiel Wasserstoff) und die positiven Wertigkeiten in Verbindungen mit elektronegativen Elementen (zum Beispiel Sauerstoff) auftreten.<ref name="HoWi" />
Cyanwasserstoff (Blausäure) ist eine farblose bis leicht gelbliche, brennbare, sehr flüchtige und wasserlöslicheFlüssigkeit. Cyanwasserstoff und seine Salze, die Cyanide, zum Beispiel Kaliumcyanid und Natriumcyanid, sind hochgiftig. Ähnliches gilt für Hydrazin, das als Raketen- und Satellitentreibstoff und in Brennstoffzellen eingesetzt wird.
Norman N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 518–607.
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
