Distickstoffmonoxid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Distickstoffmonoxid (INN)
Andere Namen	Lachgas Stickoxydul Azo-oxid E 942
Summenformel	N2O
CAS-Nummer	10024-97-2
PubChem	948
ATC-Code	N01AX13
Kurzbeschreibung	farbloses Gas mit süßlichem Geschmack[1]
Arzneistoffangaben
Wirkstoffklasse	Analgetikum
Eigenschaften
Molare Masse	44,01 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	1,85 kg·m−3 [2]
Schmelzpunkt	−91 °C [2]
Siedepunkt	−88 °C [2]
Dampfdruck	50,599 bar (20 °C) [1]
Löslichkeit	gut in Wasser (1,2 g·l−1)[2] und Schwefelsäure[3] löslich in Ethanol und Diethylether[3]
Sicherheitshinweise
Bitte beachten Sie die eingeschränkte Gültigkeit der Gefahrstoffkennzeichnung bei Arzneimitteln GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [1] Gefahr H- und P-Sätze H: 270-280 EUH: keine EUH-Sätze P: 244-​220-​370+376-​403 [1] EU-Gefahrstoffkennzeichnung [2] Brand- fördernd (O) R- und S-Sätze R: 8 S: 9-17
MAK	180 mg·m−3 [1]
GWP	298 (bezogen auf 100 Jahre) [4][5]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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

Geschichte

Das Gas wurde 1772 von Joseph Priestley entdeckt, die besonderen medizinischen Eigenschaften entdeckte der Chemiker Humphry Davy 1799 durch Selbstversuche. Der erste Zahnarzt, der Lachgas als Narkosemittel verwendete, war Horace Wells in Hartford, Connecticut. Er setzte es ab dem Jahr 1844 bei Zahnextraktionen ein, nachdem er dessen schmerzstillende Wirkung zufällig bei einer Vergnügungsanwendung beobachtet hatte, wie sie damals auf Jahrmärkten üblich war.

Namensherkunft

Für die Herkunft des Namens Lachgas gibt es unterschiedliche Vermutungen. Eine der Vermutungen besteht darin, dass der Name von einer Euphorie herrührt, die beim Einatmen 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. Da Lachgas nach seiner Entdeckung zunächst gerne im Zirkus und auf Jahrmärkten zur Belustigung des Publikums eingesetzt wurde, könnte auch hierin der eigentliche Ursprung des Namens zu finden sein.

Herstellung

Die Herstellung erfolgt durch kontrollierte thermische Zersetzung von chloridfreiem Ammoniumnitrat NH₄NO₃^[6] oder durch Erhitzen von 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.

$\mathrm{NH_4NO_3 \longrightarrow N_2O + 2\ H_2O}$

Vorkommen

Lachgas wird nicht nur direkt vom Menschen freigesetzt, sondern auch indirekt durch intensive Landwirtschaft. 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 ist gegenüber 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.^[7]

Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen aus Verbrennungsprozessen zu einer zum Teil 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 Dreiwegekatalysator, über deren Auswirkungen auf das globale N₂O-Budget noch Unsicherheit besteht. Da der Anteil der Katalysatorfahrzeuge weltweit weiterhin ansteigen wird, kann in den nächsten Jahren beim Einsatz der heutigen Dreiwegekatalysatoren mit einem deutlichen Anstieg der Kfz-bedingten N₂O-Emissionen gerechnet werden.

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.^[8]

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^[9]. 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. Um auch andere Stoffe zu oxidieren, benötigt es eine deutlich höhere Temperatur als bei einer Reaktion mit Sauerstoff. Da N₂O eine metastabile Verbindung ist, zerfällt es bei ca. 600 °C in seine Elemente:

$\mathrm {2\ N_2O \longrightarrow 2\ N_2\ + O_2 + 164{,}20\ kJ}$.

N₂O ist ein Treibhausgas. Durch sein Absorptionsspektrum trägt es dazu bei, ein sonst zum Weltall hin offenes Strahlungsfenster zu schließen. Mit einer mittleren atmosphärischen Verweilzeit von 114 Jahren und einem relativ hohen molekularen Treibhauspotenzial von 298 ist es ein klimarelevantes Gas.^[4] Sein Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt beträgt heute etwa 5 %. Distickstoffoxid hat mittlerweile die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als bedeutendste Quelle ozonschädlicher Emissionen des 21. Jahrhunderts abgelöst.^[10] Dies wird zum einen auf die Zunahme der anthropogenen N₂O-Produktion, u. a. durch die vermehrte Herstellung von Biokraftstoff aus Biomasse und den Einsatz von Kunstdünger, vor allem aber auch auf die drastische Senkung der FCKW-Emissionen zurückgeführt. Letzteres kann als Erfolg des Montreal-Protokolls (über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen) gewertet werden. In diesem völkerrechtlichen Vertrag des Umweltrechts, der seit 1987 den Ausstoß ozonschädigender Stoffe einschränkt, findet Lachgas jedoch keine Erwähnung.^[11]

N₂O trägt zum Ozonabbau bei:^[5] Die UV-induzierte Spaltung von Ozon in ein freies Sauerstoffatom und ein Molekül O₂ führt in der unteren Stratosphäre zu einer Reihe von chemischen Prozessen, in denen Methan, Wasserdampf, molekularer Wasserstoff und Stickoxide oxidiert werden. Dabei gehen die Stickoxide vom N₂O zunächst in Stickstoffmonoxid NO, dann Stickstoffdioxid NO₂ über. Wasser geht über in die Radikale •OH (Hydroxyl-Radikal) und •O₂H. Für die Wasserstoffverbindungen endet hier die Oxidationskette, während sie für die Stickstoffverbindungen noch weitergehen kann zum NO₃ und N₂O₅.

Das beim Abbau von Lachgas in der Stratosphäre zum Teil gebildete NO kann Ozon abbauen:

1. $\mathrm{NO + O_3 \longrightarrow \ NO_2 + O_2}$

Ein Teil des NO₂ kann durch Reaktion mit Sauerstoffatomen NO zurückbilden, so dass in der Summe die Ozonabbaureaktion katalysiert wird.

Lachgas ist als Lebensmittelzusatzstoff unter der Bezeichnung E 942 als Treibgas, beispielsweise für Schlagsahne, zugelassen.

Das Lachgas ist dem annähernd gleichschweren, isoelektronischen Kohlendioxid in seinen physikalischen Eigenschaften wie der Dichte der kondensierten Flüssigkeit oder Schmelz- und Siedepunkt sehr ähnlich.

Thermodynamik

• Δ_fH⁰_g: 82,10 kJ/mol
• S⁰_{g, 1 bar}: 219,96 J/(mol · K)

Verwendung

mobiles System zur Applikation eines N₂O-Sauerstoff-Gemisches

• In der Medizin wird Lachgas als analgetisch (gegen den Schmerz) wirkendes Gas zu Narkosezwecken benutzt. Es ist das älteste und ein 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. Um eine wirkungsvolle Konzentration von 70 % zu erreichen, muss es zusammen mit reinem Sauerstoff gegeben 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 optimiert. Vorteilhaft ist, dass das Gas in der Narkose rasch an- und abflutet (geringer Blut/Gas-Verteilungskoeffizient) und 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.^[12] 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 in den letzten Jahren rückläufig.
• In der Zahnmedizin ist Lachgas seit Jahrzehnten ein bewährtes Sedierungsmittel (Beruhigungsmittel), 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 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. Entgegen landläufiger Meinung ruft Lachgas zu Rauschzwecken nur in Einzelfällen ein Lachen hervor. Bei häufigem Konsum besteht die Gefahr von Nervenschäden infolge Vitamin-B12-Mangels.
• 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 Katalyseforschung wird Lachgas bei der reaktiven Frontalchromatographie angewendet, um die katalytisch wirksame Kupferoberfläche zu bestimmen.

Physiologie

Das Gas ist geruchlos, hat aber einen leicht süßlichen Geschmack beim Einatmen. Es wirkt stark schmerzstillend und schwach narkotisch. Analgetische (schmerzstillende) Effekte treten ab einer Konzentration von etwa 20 Prozent Distickstoffoxid in der Atemluft auf. Es wird vermutet, dass es im Körper das Vitamin B12 abbaut. 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, da es den Verbrauch der inhalativen Anästhetika stark reduziert. Aufgrund von Halluzinationen und Änderung der Farbwahrnehmung, die in Verbindung mit dem Einsatz von Lachgas auftreten können, ist der Einsatz des Lachgases als Narkosemittel seltener geworden.

Gefahren

Bei der Verwendung von großen Gasflaschen in geschlossenen Räumen besteht Erstickungsgefahr. Lachgas ist brandfördernd (Vergleiche: Glimmspanprobe). Besondere Gefahren beim Missbrauch als Droge: Falls Lachgas direkt aus dem Gasbehälter eingeatmet wird, kann es zu Erfrierungserscheinungen an Lippen, Kehlkopf und Bronchien kommen aufgrund der Verdunstungskälte des unter Druck verflüssigten Gases. Es besteht eine erhöhte Verletzungsgefahr durch Stürze beim „Wegtreten“. Weitere unangenehme Nebenwirkungen sind leichte Übelkeit und Kopfschmerzen. Zudem können Lachgaskapseln mit Kohlenstoffdioxid-Kapseln (CO₂) verwechselt werden. Bei einer solchen Verwechslung besteht akute Erstickungsgefahr.

Rettungsmaßnahmen

Wichtigste Maßnahme ist Frischluftzufuhr. Da das Gas schnell wieder aus dem Körper gelangt, finden Notärzte meist keine akuten Vergiftungserscheinungen vor.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d e} Eintrag zu CAS-Nr. 10024-97-2 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. März 2008 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ ^{a b c d e} Sicherheitsdatenblätter (praxair)
3. ↑ ^{a b} Thieme Chemistry (Hrsg.): RÖMPP Online - Version 3.5. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart 2009.
4. ↑ ^{a b} P. Forster, P., V. Ramaswamy et al.: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge und New York 2007, S. 212, (PDF)
5. ↑ ^{a b} Spiegel Online: Lachgas ist größeres Problem als FCKW
6. ↑ G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 484-5.
7. ↑ IDW-Online Distickstoffmonoxid-Reduktase
8. ↑ SpiegelOnline Lachgasfund an Salzsee verblüfft Forscher
9. ↑ Holleman-Wiberg, 101. Aufl. 1995, S. 689f
10. ↑ Ravishankara, A. R. et al.: Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century.. In: Science. Epub ahead of print, 2009. PMID 19713491.
11. ↑ Financial Times Deutschland: Lachgas ist Ozonkiller Nummer Eins. Financial Times Deutschland. Abgerufen am 3. September 2009.
12. ↑ Gottfried Alber in: Krankheiten der Katze, Abschnitt 24.5 - Inhalationsanästhesie, Unterabschnitt 24.5.2.2 - Lachgas, Seite 631

Weblinks

 Commons: Distickstoffmonoxid – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Lachgas. In: Erowid. (englisch)
• Eve&Rave (Schweiz) Lachgas: Substanzinformationen sowie „Böse Pillen“-Listen