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Stickstoff (chemischen Symbol N, als Molekül N2) ist ein Inertgas. Stickstoff besitzt die Ordnungszahl 7 im Periodensystem der Elemente. Das Element Stickstoff befindet sich in der 5. Hauptgruppe des Periodensytems. In der neuen Einteilung wurder er der 15. Gruppe zugeteilt. N2 ist das in der Luft am häufigsten vorkommende Gas. In der Luft ist N2 zu 78,1 Vol% enthalten. Die Gewinnung erfolgt überwiegend aus der Luft mittels Luftzerlegungsanlagen (Verflüssigungsanlagen) gewonnen. Mit entsprechender Nachreinigung kann eine Qualität 7.0 ( dies entspricht 99.99999%) produziert und vetrieben werden.
Sticktoff besteht aus zwei stabilen Isotopen. Weitere 15 instabile Isotope von Stickstoff sind bekannt, von denen 14 radioaktiv sind.
| Isotop | Atommasse | Anteil |
| Natürliches Stickstoff Isotopengemisch: | 14,0067 | 100 % |
| N-Isotop 14N | 14,00307400443 | 99,636% |
| N-Isotop 15N | 15,00010889888 |
0,364% |
Typische Begriffe sind auch:
LIN für LIquid Nitrogen (Stickstoff, flüssig od. flüssiger Stickstoff) oder
GAN für GAseous Nitrogen (Stickstoff, gasförmig od. gasförmiger Stickstoff)
Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Bei 1,01325 bar, also am Siedepunkt, kondensiert das Gas bei einer Temperatur von -195,8°C (77,36 K) zu einer farblosen Flüssigkeit. Das Dichteverhältnis zu Luft beträgt 0,967 bei Normzustand. Das Gas ist somit minimal leichter als Luft.
Es gibt eine Vielzahl verschiedener Stickstoffverbindungen. Die bekanntesten sind: Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3), Nitrit (NO2), Stickoxide (Stickstoffmonoxid bzw. Stickstoffoxid NO, Stickstoffdioxid NO2 sowie Distickstoffmonoxid bzw. Distickstoffoxid N2O, auch bekannt als Lachgas), Salpetersäure (HNO3) und salpetrige Säure (HNO2).
N2 kommt in der Industrie wegen seiner erstickenden Eigenschaft oft als Schutz-oder Spülgas zum Einsatz. Als Schutzgas in der Lebensmittelindustrie kommt Stickstoff einzeln oder im Gemisch bei der Verpackung von Lebensmitteln vor. Z.B. führt eine Beimischung von 20-30 % Kohlendioxid (CO2) im N2 zur Wachstumshemmung von Mikroben. Gemische aus Sauerstoff (O2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2) sind insbesondere bei der Verpackung von rotem Frischfleisch anzutreffen. Der deutlich angehobene Sauerstoffgehalt erhält die rote Farbe des Fleisches.
Weiterhin wird flüssiger Stickstoff (LIN) bei cryogenen- bzw. Tieftemperaturanwendungen eingesetzt. Als Kühlmittel wird dabei der Effekt genutzt, dass LIN die zum Verdampfen notwendige Wärme durch die Abkühlung des zu kühlenden Produktes bezieht. Neben der Verdampfungswärme kann zusätzlich Wärmeenergie abgeführt werden, indem das kalte Gas erwärmt wird. Die Energiebilanz kann wie folgt dargestellt werden:
Die nutzbare Kühlenergie von N2 = EN2= m*(Δhv + cp * ΔT)
mit:
| Δhv | Verdampfungsenthalpie in |  |
| cp | Spezifische Wäremkapazität in |  |
| ΔT | Temperaturdifferenz des Gases in | [K] |
| m | Masse in | [Kg] |
Ist die abzuführende Wärmenergie bekannt, kann der theoretische spezifische Stickstoffverbrauch berechnet werden. Zusätzlich muss jedoch noch berücksichtigt werden, dass Verluste durch z.B. Wärmeleitung (Froster, Kühlzelle) oder Abgasführung bzw. Kaltfahren der Kühlzelle entstehen werden.
mit:
 |
Dimensionsloser spezifischer Verbrauch |
| Ek | Benötigte Kühlenergie [KJ] |
| EN2 | Kühlenergie von N2 [KJ] |
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Es ist jedoch zu beachten, dass der unter Überdruck stehende Stickstoff bei der Entspannung auf Atmosphärendruck die zur Abkühlung notwendige Energie aus seiner eigenen Verdampfung bezieht.
Weitere Anwendungen finden sich in der Chemie, wo N2 z.B. Verbindungsbestandteil von Düngern oder Sprengstoffen ist.
Als Verpackungsschutzgas wird N2 in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Hautärzte nutzen flüssigen Stickstoff zur lokalen Behandlung von Warzen. Je nach Größe gibt es entsprechende Stempel, die in LIN auf ca. -196°C abgekühlt werden und auf die zu behandelnde Hautpartie aufgedrückt werden. Hierbei wird der Effekt zugrunde gelegt, dass gesundes Gewebe schneller verheilt als krankes Gewebe. Die lokale Unterkühlung greift also teilweise auch gesundes Gewebe an, da jedoch die Heilung schneller vollzogen wird, wird das kranke Gewebe (sprich die Warze) abgestoßen.
In der Werkstofftechnik kommt N2 bei der Behandlung von Metallen zum Einsatz. So wird Stickstoff z.B. bei der Härtung von Stahl als Kühlmittel verwendet, um die notwendigen Abkühlzeiten zur Gefügeumwandlung zu erreichen. Es ist zu beachten, dass beim Abschrecken die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit überschritten wird.
Bei der Härtung von z.B. Eisenkohlenstoff-Legierungen wird durch die Abschreckung der Martensitanteil im Werkstück erhöht, indem der Austenit entsprechend umgewandelt wird.
Im Bild ist der Martensitgehalt im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt unter Berücksichtigung der Temperatur der Abkühlzelle zu sehen.
Weiterhin wird LIN eingesetzt beim Kaltdehnen (Schrumpfen), Bodenfrostung, Betonkühlung, Reaktorkühlung, Strahlentgratung, Mühlenkühlung, Mahlanlagen, Kühlung und Frostung von Lebensmitteln, Schockfrostung, Blow-Moulding, Recycling von Gummi und anderen wertvollen Rohstoffen, VOC Rückgewinnungsanlagen.
In kryo Banken sowie als unterstützendes Kühlmedium im Umfeld der Supraleitung bzw. bei Magnetresonanztomographen ist LIN ebenfalls zu finden.
| Gas | Stickstoff, N2 |
| Kritischer Druck | 33,991 bar |
| Kritische Temperatur | 126,26 K |
| Dichte am kritischen Punkt | 314,1 kg/m3 |
| Tripelpunkt Druck | 0,1246 bar |
| Tripelpunkt Temperatur | 63,15 K |
| Siedepunkt bei 1,013 bar | 77,36 K |
 |
|
| Gas | Stickstoff, N2 |
| Molares Volumen Vm bei 0°C, 1,01325bar [m3/kmol] | 22,403 |
| Molare Masse M [kg/Kmol] | 28,0134 |
| Spezielle Gaskonstante Ri [J/kgK] | 296,9 |
| Dichte bei 0°C, 1,01325bar [kg/m3] | 1,2504 |
| spezifische Wärmekapazität Cp bei 0°C idealer Zustand [kJ/kgK] | 1,0389 |
| spezifische Wärmekapazität Cv bei 0°C idealer Zustand [kJ/kgK] | 0,7421 |
| ᵡ=cp/cv bei 0°C, idealer Gaszustand | 1,400 |
Im Diagramm sind die Verdampfungsenthalpie, die Flüssigkeitsdichte und der Dampfdruck für Stickstoff (N2) dargestellt.
Ein Tool zur Berechnung der Daten entlang der Dampfdruckgleichung finden Sie hier
Weitere interessante Daten:
Eine Übersicht über Online Tools rund um Gase finden Sie unter Online Tools
* Darstellung der 3-D-Strucktur mit ACD/ChemSketch Freeware, version 12.01, Advanced Chemistry Development, Inc., Toronto, ON, Canada, www.acdlabs.com, 2012.
Olaf Babel