Propan, medizinische & Technische Gase

Lachgas

* Auszug aus Wikipedia

Distickstoffmonoxid, allgemein bekannt unter dem Trivialnamen Lachgas, ist ein farbloses Gas aus der Gruppe der Stickoxide. Die chemische Summenformel für das Gas ist N2O. In älterer Literatur wird Distickstoffoxid auch als Stickoxydul beziehungsweise Stickoxidul bezeichnet. In der internationalen Literatur wird die englische Bezeichnung Nitrous Oxide verwendet.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte
2 Namensherkunft
3 Herstellung
4 Freisetzung
5 Eigenschaften5.1 Beitrag zum Treibhauseffekt und Schädigung der Ozonschicht
5.2 Thermodynamik
6 Verwendung
7 Physiologie
8 Gefahren
9 Literatur
10 Weblinks
11 Einzelnachweise
Geschichte
Lachgas wurde erstmals 1772 von dem englischen Chemiker und Physiker Joseph Priestley (1733–1804) rein dargestellt und beschrieben. Die Entdeckung der psychoaktiven und insbesondere betäubenden und schmerzstillenden Wirkung geht zurück auf den englischen Apotheker und späteren Chemiker Humphry Davy (1778–1829), der etwa ab dem Jahr 1797 begann, mit Selbstversuchen die Effekte des Lachgases, das er auch zur Behandlung von Zahnschmerzen[9] anwendete, zu erforschen, welche er 1800 publizierte und auch für die Betäubung bei chirurgischen Operationen vorschlug.[10]

Der erste Zahnarzt, der Lachgas als Narkosemittel verwendete, war Horace Wells in Hartford (Connecticut). Er setzte es ab 1844 für Zahnextraktionen und Dentalbehandlungen ein, nachdem er dessen schmerzstillende Wirkung zufällig bei einer Vergnügungsanwendung am 10. Dezember 1844 beobachtet hatte, wie sie zu seiner Zeit auf Jahrmärkten üblich war, und sich am folgenden Tag selbst einen Zahn unter Lachgas-Narkose hatte ziehen lassen. Seit dem Jahre 1868[11] wird Lachgas, zur Erzielung einer wirkungsvollen, ausreichend hohen Konzentration, in Kombination mit Sauerstoff als Anästhetikum zur Durchführung klinischer Operationen eingesetzt.[12] Erstmals so praktiziert wurde das vom Chicagoer Chirurgieprofessor Edmund Andrews (1824–1904) der auch statistische Untersuchungen zur Sicherheit von Äther- und Chloroformnarkosen in jeweils etwa 100.000 Fällen durchführte.[13] Andrews entwickelte auch eine Methode zur Verflüssigung von Lachgas.[14]

Namensherkunft
Für die Herkunft des Namens Lachgas gibt es unterschiedliche Vermutungen; eine besteht darin, dass der Name von einer Euphorie herrührt, die beim Einatmen von Lachgas entstehen kann, sodass der Konsument lacht. Weitere Vermutungen sind, dass sich durch Einatmung des Gases Zwerchfellkrämpfe einstellen können, die von Außenstehenden als Lachen interpretiert werden, jedoch nicht euphorischer Natur sind.

Herstellung
Die Herstellung erfolgt durch kontrollierte thermische Zersetzung von chloridfreiem Ammoniumnitrat[15]

N H 4 N O 3 ⟶ N 2 O + 2   H 2 O {\displaystyle \mathrm {NH_{4}NO_{3}\longrightarrow N_{2}O+2\ H_{2}O} }
oder durch Erhitzen einer Mischung aus Ammoniumsulfat und Natriumnitrat. Die Temperatur darf bei beiden Darstellungswegen jedoch nicht höher als 300 °C steigen, da es sonst zu einem explosiven Zerfall von Ammoniumnitrat kommen kann.

Freisetzung
Lachgas wird vor allen Dingen durch natürliche Prozesse, zum Beispiel durch Nitrifikation, in die Atmosphäre freigesetzt.[16][17] Vom Menschen wird Lachgas nicht nur durch Verbrennung, sondern auch indirekt durch intensive Landwirtschaft freigesetzt.[18] Verglichen mit der konventionellen Landwirtschaft entstehen bei der ökologischen Landwirtschaft rund 40 % weniger Lachgas pro Hektar.[19]

Quellen für Distickstoffmonoxid[16]
globale Emission
[106 t/a]
natürliche Quellen
6,6–12,2
• Ozeane/Seen
2,0–4,0
• natürliche Böden
4,6–8,2
anthropogene Quellen
1,4–6,5
• Verbrennung von Biomasse
0,2–2,4
• Einsatz von künstlichen Düngern (Böden und Grundwasser)
1,0–3,6
alle Quellen1
8,9–18,7
 
1 Weitere mögliche Quellen sind photochemische Reaktionen in der Stratosphäre und Troposphäre sowie die Bildung von Distickstoffmonoxid durch Katalysatoren.
Stickstoffdünger wird unter bestimmten Bedingungen in Distickstoffmonoxid umgewandelt. Dabei wird normalerweise N2O im Boden enzymatisch abgebaut. Bei dem ablaufenden biochemischen Prozess spielt das kupferhaltige Enzym Distickstoffmonoxid-Reduktase eine wichtige Rolle, da es N2O zu N2 umsetzt. Dieses Enzym reagiert auf Sauerstoff allerdings hochgradig empfindlich und fällt in der Reaktionskette häufig aus. Das ist der Grund dafür, dass große Mengen an N2O aus gedüngten Ackerflächen freigesetzt werden.[20] So werden beim Anbau von Energiepflanzen, wie Raps, bedingt durch die verstärkte Düngung, insbesondere im Winter, größere Mengen Distickstoffmonoxid freigesetzt. Die N2O-Emissionen aus dem Rapsanbau entsprechen dabei denen des sonstigen Feldbaues.[21][22] Dennoch fällt – bezogen auf die N2O-Emissionen – die Klimabilanz des Raps damit negativer aus als die von Benzin.[23]

 
Lachgaskonzentration in der Erdatmosphäre seit dem Jahr 1 (Eisbohrkernanalysen, Messungen am Kap Grim (Australien), NOAA, März 2017)
Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen aus Verbrennungsprozessen zu einer teilweise erheblichen Zunahme der Lachgasemissionen führen. Zum Beispiel findet man bei Kraftwerken mit zirkulierender Wirbelschichtfeuerung, die verfahrensbedingt geringe Stickoxidemissionen aufweisen, sehr große Lachgasemissionen. Ähnliches gilt bei Kraftfahrzeugen mit geregeltem Drei-Wege-Katalysator, über deren Auswirkungen auf das globale N2O-Budget noch Unsicherheit besteht. Da der Anteil der Katalysatorfahrzeuge aktuell weltweit ansteigt, kann in den nächsten Jahren beim Einsatz der heutigen Dreiwegekatalysatoren mit einem deutlichen Anstieg der Kfz-bedingten N2O-Emissionen gerechnet werden. N2O entsteht außerdem bei der Abgasnachbehandlung in Dieselmotoren mittels selektiver katalytischer Reduktion.[24]

In der chemischen Industrie ist die Adipinsäuresynthese (Polyamid-Vorprodukt) ein Lachgas freisetzender Prozess, der im Treibhausbudget der Unternehmen gelistet wird und auch ein Ziel von Reduktionsanstrengungen ist.

Lachgas kann sich auch, unter bestimmten Bedingungen, an Festkörperoberflächen unter Normalbedingungen bilden. Erstmals wurde dies an einem Salzsee in der Antarktis beobachtet.[25]

Diesen Quellen steht als Senke insbesondere der photochemische Abbau in der Stratosphäre mit etwa 20,5·106 t/a gegenüber.[16]

N 2 O + h ν ⟶ N 2 + O {\displaystyle \mathrm {N_{2}O+h\nu \longrightarrow N_{2}+O} }
N 2 O + O ⟶ N 2 + O 2 {\displaystyle \mathrm {N_{2}O+O\longrightarrow N_{2}+O_{2}} }
N 2 O + O ⟶ 2   N O {\displaystyle \mathrm {N_{2}O+O\longrightarrow 2\ NO} }
Die Mengen, die zusätzlich durch Aufnahme in Böden und von aquatischen Mikroorganismen abgebaut werden, sind nicht bekannt.

Eigenschaften
Lachgas ist in kaltem Wasser gut löslich: Bei 0 °C löst sich das Gas im Volumenverhältnis 1 : 1,305 in flüssigem Wasser, bei 25 °C immer noch im Verhältnis 1 : 0,596.[26] Aus neutralen wässrigen Lösungen lässt sich bei tiefen Temperaturen ein kristallines Gashydrat ausscheiden, in dem auf jedes N2O-Molekül 5,75 Wassermoleküle kommen. Unter erhöhtem Druck weist Lachgas sehr gute Löslichkeit in Fetten auf.

Lachgas ist nicht brennbar, kann aber andere Stoffe oxidieren. Daher wirkt es brandfördernd. Kohle, Schwefel und Phosphor brennen in Lachgas wie in Sauerstoff. So kann man die Bildung von Distickstoffmonoxid in einer Probe mit der Glimmspanprobe nachweisen. Um auch andere Stoffe zu oxidieren, benötigt es eine deutlich höhere Temperatur als Sauerstoff bei den entsprechenden Reaktionen. Da N2O eine metastabile Verbindung ist, zerfällt es bei ca. 600 °C in seine Elemente:

2   N 2 O ⟶ 2   N 2 + O 2 + 164 , 20   k J {\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O\longrightarrow 2\ N_{2}+O_{2}+164{,}20\ kJ} } .
Unter der Bezeichnung E 942 ist Lachgas als Lebensmittelzusatzstoff zur Verwendung als Treibgas zugelassen,[27] beispielsweise für Schlagsahne; es ist dem annähernd gleich schweren, isoelektronischen Kohlendioxid in seinen physikalischen Eigenschaften wie der Dichte der kondensierten Flüssigkeit oder Schmelz- und Siedepunkt sehr ähnlich.

Beitrag zum Treibhauseffekt und Schädigung der Ozonschicht
 
Globale, anthropogene Lachgas-Emissionen (in Mrd. Tonnen CO2-Äquivalent, Mai 2010, nach Zahlen der FAO)
Durch die Lage seiner IR-Absorption in einem atmosphärischen Fenster und seine große atmosphärische Verweilzeit von etwa 120 Jahren hat N2O ein hohes Treibhauspotenzial. Als drittwichtigstes langlebiges Treibhausgas trägt es erheblich zur globalen Erwärmung bei.[28] Sein Beitrag zur globalen Erwärmung über den Treibhauseffekt beträgt knapp 10 %. Seine Emissionen beim Anbau von Ölsaaten für Biokraftstoffe macht deren Beitrag zum Klimaschutz vollständig zunichte.[29]

Durch seinen Abbau in der Stratosphäre erhöht Lachgas dort die Konzentration von NOx, das katalytisch Ozon abbaut.[28] Unter den anthropogenen ozonschädlichen Emissionen ist Lachgas mittlerweile bedeutender als alle Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zusammen.[30]

Thermodynamik
ΔfH0g: + 82,10 kJ/mol (metastabil)
S0g, 1 bar: 219,96 J/(mol · K)
Verwendung
 
Mobiles System zur Applikation eines N2O-Sauerstoff-Gemisches
 
In der Landschaft (wohl nach Herbeiführung von Lachgasrausch) zurückgelassene Lachgas-Treibgas-Ampullen
 
Lachgasbehälter an einem Motorrad
In der Medizin wird Lachgas als analgetisch (gegen den Schmerz) wirkendes Gas zu Narkosezwecken benutzt oder in fixer Kombination von 50 % Lachgas und 50 % Sauerstoff (MEOPA) zur Schmerzbehandlung für kurze, mäßig schmerzhafte chirurgische Eingriffe. Eine weite Verbreitung hat es außerdem als sogenannte titrierbare Lachgassedierung in der Zahnmedizin erlangt. Es ist ein seit 1844 regelmäßig eingesetztes und relativ nebenwirkungsarmes Narkosemittel. Unter Anwendung von N2O kann es zur Störung der Wirkung von Vitamin B12 und Folsäure kommen und damit zu den Folgen einer perniziösen Anämie. Auch besteht bei Anwendung bei Patienten mit schweren Störungen der Herzmuskelfunktion die Gefahr von unerwünschten Wirkungen auf das Herz- und Blutgefäßsystem. Zudem kann Lachgas den pulmonalen Gefäßwiderstand steigern.[31] Um eine wirkungsvolle Konzentration von 70 % zu erreichen, muss es (wie zuerst Andrews 1868 erkannt hatte) zusammen mit reinem Sauerstoff verabreicht werden. Es gilt als relativ schwaches Anästhetikum und wird hauptsächlich unterstützend eingesetzt. In der modernen Anästhesie wird die Wirkung des Lachgases durch Zugabe anderer Narkosemittel ergänzt. Vorteilhaft ist, dass das Gas rasch an- und abflutet (geringer Blut/Gas-Verteilungskoeffizient), die Narkose dadurch gut steuerbar ist und keine oder geringe Atemdepression auftritt. Das Gas wird hauptsächlich wieder über die Lungen ausgeschieden, ein geringer Teil diffundiert durch die Haut.[32] Problematisch kann die Diffusion von Lachgas in luftgefüllte Körperhohlräume werden, hierbei kann es zur Diffusionshypoxie in der Lunge kommen. Dabei verdrängt Lachgas den Sauerstoff aus den Lungenbläschen. Dies kann durch Sauerstoffinhalation vermieden werden. Der medizinische Gebrauch von Lachgas als Narkosemittel ist seit langem eher rückläufig. Empfohlen wird es zur Selbstapplikation bei schwachen und mittleren Schmerzen.[33] So wird es heute unter anderem in der Geburtshilfe zur Verringerung der Wehenschmerzen wieder eingesetzt. Außerdem wird Lachgas bei der Kryoablation als flüssiges Kühlmittel (Stickoxid, Lachgas) eingesetzt und in den Kryoballonkatheter geleitet. Dort verdampft es und entzieht dem umliegenden Gewebe Wärme. Durch die Eisbildung werden die betroffenen Herzmuskelzellen zerstört.
In der Zahnmedizin ist Lachgas seit Jahrzehnten ein bewährtes Mittel, das vor allem bei Kindern und ängstlichen Patienten, aber auch bei starkem Würgereiz Anwendung findet. Nebenwirkungen sind bei korrekter Verabreichung selten.
In der Nahrungsmitteltechnik wird Lachgas als zugelassener Lebensmittelzusatzstoff (E 942) aufgrund seiner guten Fettlöslichkeit unter Druck als Treibgas benutzt, vorzugsweise für Milchprodukte, zum Beispiel zum Aufschäumen (statt Schlagen) von Schlagsahne.
In der Drogenszene findet Lachgas wegen seiner dissoziativen Wirkung und der leichten Verfügbarkeit Verwendung. Der Rausch dauert etwa 30 Sekunden bis 3 Minuten an. Es kommt zu dissoziativen Effekten, starker Veränderung der Geräuschwahrnehmung (Echo, Verzerrung), Kribbeln in den Gliedmaßen, Entspannung der Muskeln und starkem Wohlempfinden, mitunter auch Euphorie. Bei häufigem Konsum besteht die Gefahr des Vitamin-B12-Mangels. Wiederholt kam es bei dieser Anwendung auch zu Todesfällen (siehe Abschnitt Gefahren).[34]
In der Antriebstechnik, etwa bei PKW, wird Distickstoffmonoxid zur Steigerung der Motorleistung von Ottomotoren verwendet, da es mehr Sauerstoff enthält als Luft. Diese sogenannte Lachgaseinspritzung erfordert nur relativ geringe konstruktive Änderungen am Motor und kann seine Leistung kurzfristig um etwa 20 bis 50 % steigern. Das Distickstoffmonoxid wird dabei aus Druckbehältern in den Ansaugtrakt geblasen. Dieses Tuning ist vor allem in den USA verbreitet, seine Verwendung im öffentlichen Straßenverkehr ist aber sowohl dort als auch in Deutschland verboten (mit Ausnahme einer Anlage mit ABE) und den meisten anderen Ländern nur eingeschränkt erlaubt. Die bekanntesten Hersteller von Lachgaseinspritzungen sind NOS, NX und Venom sowie ZEX. Im Zweiten Weltkrieg wurden auch Flugmotoren auf diese Weise in ihrer Leistung gesteigert (siehe auch GM-1).
In der Raketentechnik wird Lachgas, etwa in Hybridraketen wie dem SpaceShipOne, als Oxidator eingesetzt. Der Vorteil liegt darin, dass es sich ohne Kühlung durch Druck verflüssigen lässt. Daher benötigt man für den Einsatz in solchen Triebwerken nur ein Drosselventil, jedoch keine Kraftstoffpumpe oder aufwendige Kryotechnik.
In der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS), wird bei der Flammen-AAS Lachgas anstelle von Luft in einer Acetylen-Flamme zur Erzeugung höherer Temperaturen (2800 °C) verwendet.
In der Katalyseforschung wird Lachgas bei der reaktiven Frontalchromatographie angewendet, um die katalytisch wirksame Kupferoberfläche zu bestimmen.
Physiologie
Das Gas ist farblos, geruchlos und geschmacklos; teilweise wird über einen leicht süßlichen Geschmack beim Einatmen berichtet. Es wirkt schmerzstillend und schwach narkotisch. Analgetische (schmerzstillende) Effekte treten ab einer Konzentration von etwa 20 Prozent Distickstoffmonoxid in der Atemluft auf. Lachgas oxidiert im Körper Vitamin B12, welches dann als Co-Enzym dem Enzym Methionin-Synthase nicht mehr zur Verfügung steht.[35] So kommt es bei einer Anwendung von Lachgas von über sechs Stunden zu einer Funktionsabnahme der Methionin-Synthase, die für die Produktion vieler wichtiger Eiweißbausteine wichtig ist.[36] Die Wirkung von Lachgas ist nur kurz, bereits nach ungefähr 15 Minuten sind keine Wirkungen mehr wahrnehmbar. Lachgas wird auch heute noch aufgrund der schmerzstillenden Wirkung in der Anästhesie zur Durchführung einer Vollnarkose dem Gasgemisch beigefügt, wo es den Verbrauch der inhalativen Anästhetika stark reduziert.

Vor dem Hintergrund alternativer Narkoseverfahren, verbesserter Gerätetechnik (z. B. low-flow-Anästhesie) und erhöhter Vigilanz bezüglich möglicher Umweltbelastungen (Treibhausgas) wird seit einigen Jahren weniger Lachgas in der Anästhesie verwendet.[37] Viele Krankenhäuser sind zwischenzeitlich aus dem Gebrauch von Lachgas ausgestiegen und nutzen in der zentralen Gasversorgung nur noch Druckluft und Sauerstoff. Aus medizinischer Sicht spricht jedoch weiterhin wenig gegen die Verwendung von Lachgas zur Narkose.[38][39]

Gefahren
Bei der Verwendung von großen Gasflaschen in geschlossenen Räumen besteht Erstickungsgefahr. Lachgas ist brandfördernd (Vergleiche: Glimmspanprobe). Besondere Gefahren bestehen beim Gebrauch als Droge: Inhaliert man Lachgas pur – z. B. aus abgefüllten Ballons –, können als Folgen Dysphorie, Verwirrtheit, Übelkeit, Kopfschmerzen, Schluckauf und Blutdruckabfall auftreten. Bei hohen Mengen kommt es zu einer Unterversorgung des Blutes mit Sauerstoff (Hypoxämie), in deren Folge Kreislaufstillstand, Hirnschäden und der Tod möglich sind.[40] Falls Lachgas direkt aus dem Gasbehälter eingeatmet wird, kann es zu Erfrierungserscheinungen an Lippen, Kehlkopf und Bronchien aufgrund der Verdunstungskälte des unter Druck verflüssigten Gases kommen. Es besteht eine erhöhte Verletzungsgefahr durch Stürze beim Verlust des Bewusstseins.


Sicherheitsdatenblätter Lachgas

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