Distickstoffmonoxid
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- Stickstoffverbindung
- Sauerstoffverbindung
- Arzneistoff
- Anästhetikum
- Narkotikum
- Lebensmittelzusatzstoff
- Dissoziativum
| Strukturformel | ||||||||||
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| Allgemeines | ||||||||||
| Name | Distickstoffmonoxid (INN) | |||||||||
| Andere Namen |
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| Summenformel | N2O | |||||||||
| Kurzbeschreibung |
farbloses Gas mit süßlichem Geruch[1] | |||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | ||||||||||
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| Arzneistoffangaben | ||||||||||
| ATC-Code | ||||||||||
| Wirkstoffklasse |
Analgetikum | |||||||||
| Eigenschaften | ||||||||||
| Molare Masse | 44,01 g·mol−1 | |||||||||
| Aggregatzustand |
gasförmig | |||||||||
| Dichte |
1,85 kg·m−3[1] | |||||||||
| Schmelzpunkt |
−90,8 °C[1] | |||||||||
| Siedepunkt |
−88,5 °C[2] | |||||||||
| Dampfdruck |
50,599 bar (20 °C)[1] | |||||||||
| Löslichkeit |
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| Sicherheitshinweise | ||||||||||
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| MAK |
180 mg·m−3[1] | |||||||||
| Treibhauspotential | ||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | ||||||||||
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_{4}NO_{3}\longrightarrow N_{2}O+2\ H_{2}O} $
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_{2}O\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 (bezieht sich auf einen Betrachtungshorizont von 100 Jahren) ist es ein klimarelevantes Gas.[4] Sein Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt beträgt heute etwa 6 %. 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:
- $ \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
- ΔfH0g: 82,10 kJ/mol
- S0g, 1 bar: 219,96 J/(mol · K)
Verwendung
- 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 Lachgas-Sedierung in der Zahnmedizin erlangt. 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 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 optimiert. Vorteilhaft ist, dass das Gas in der Narkose 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.[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 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 Distickstoffoxid in der Atemluft auf. Lachgas oxidiert im Körper Vitamin B12, welches dann als Co-Enzym dem Enzym Methionin-Synthetase nicht mehr zur Verfügung steht.[13] So kommt es bei einer Anwendung von Lachgas von über sechs Stunden zu einer Funktionsabnahme der Methionin-Synthetase, die für die Produktion vieler wichtiger Eiweißbausteine wichtig ist.[14] 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.
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.[15]
Gefahren
Bei der Verwendung von großen Gasflaschen in geschlossenen Räumen besteht Erstickungsgefahr. Lachgas ist brandfördernd (Vergleiche: Glimmspanprobe). Besondere Gefahren beim Missbrauch als Droge: inhaliert man Lachgas pur - z. B. aus abgefüllten Ballons - besteht die akute Gefahr einer Minderversorgung mit Sauerstoff (Hypoxie). 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. Der wiederholte Missbrauch von Lachgas kann zu Gesundheitsschäden in Form neurologischer Symptome wie Gangstörungen, Taubheitsgefühlen oder Impotenz führen.
Rechtslage
Bezüglich des Missbrauchs von Distickstoffmonoxid in Deutschland unterliegt Distickstoffmonoxid nicht dem BtMG. Es fällt aber unter die Definition von § 2 Abs. 1 des AMG, sobald es für die Anwendung an Mensch oder Tier bestimmt ist. Somit ist Herstellung und Verkauf einer Substanz nach dem AMG reguliert, unabhängig davon in welcher Form die Substanz vorliegt, wenn sie in Bestimmung § 2 Abs. 1 erfüllt.[16][17] Der Verkauf und die Herstellung von Arzneimitteln ohne Genehmigung ist strafbar nach AMG § 2 Abs. 1 Nr. 5 a. F., § 2 Abs. 1 Nr. 2a n. F., § 5, § 95 Abs. 1 Nr. 1, StPO § 354a. Dies wurde in einem Urteil des Bundesgerichtshofs zu der frei verfügbaren Chemikalie γ-Butyrolacton (GBL) bestätigt, welche nach dem AMG als Arzneimittel eingestuft wird, sobald sie für den Konsum bzw. Gebrauch an Mensch oder Tier bestimmt ist.[18][19]
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Eintrag zu CAS-Nr. 10024-97-2 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Sicherheitsdatenblätter (praxair)
- ↑ 3,0 3,1 Thieme Chemistry (Hrsg.): RÖMPP Online - Version 3.5. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart 2009.
- ↑ 4,0 4,1 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)
- ↑ 5,0 5,1 Spiegel Online: Lachgas ist größeres Problem als FCKW
- ↑ G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 484–485.
- ↑ IDW-Online Distickstoffmonoxid-Reduktase
- ↑ SpiegelOnline Lachgasfund an Salzsee verblüfft Forscher
- ↑ Holleman-Wiberg, 101. Aufl. 1995, S. 689f
- ↑ Ravishankara, A. R. et al.: Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century. In: Science. Epub ahead of print. Jahrgang, 2009, PMID 19713491.
- ↑ Nora Schlüter: Financial Times Deutschland: Lachgas ist Ozonkiller Nummer Eins. In: Financial Times Deutschland. 28. August 2009, archiviert vom Original am 12. Januar 2010; abgerufen am 24. November 2012.
- ↑ Gottfried Alber in: Krankheiten der Katze, Abschnitt 24.5 - Inhalationsanästhesie, Unterabschnitt 24.5.2.2 - Lachgas, Seite 631
- ↑ Sanders RD et al.: Biologic effects of nitrous oxide: a mechanistic and toxicologic review. In: Anesthesiology. 2008;109(4):707-22. PMID:18813051
- ↑ Weimann J: Toxicity of nitrous oxide. In: Best Pract Res Clin Anaesthesiol. 2003;17(1):47-61 PMID:12751548
- ↑ Schulte am Esch J et al.: Zur Diskussion über das Ende der Lachgas-Ära in Deutschland – emotionales Meinungsbild oder zwingende Notwendigkeit? In: Anasthesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther. 2001;36(10):597-598 PMID:11592018
- ↑ Erwin Deutsch, Rudolf Ratzel, Hans-Dieter Lippert: Kommentar zum Arzneimittelgesetz (AMG). 3. Auflage, Gabler Wissenschaftsverlage, 2010, ISBN 978-3-6420-1454-3, S. 64–66.
- ↑ ArzneimittelG § 2 Abs. 1 Nr. 5 a. F., § 2 Abs. 1 Nr. 2a n. F., § 5, § 95 Abs. 1 Nr. 1. Abgerufen am 16. Mai 2012.
- ↑ Martin Kämpf: Strafrecht: Handel mit Gamma-Butyrolacton (GBL, liquid ecstasy) zu Konsumzwecken. 25. Juli 2011.
- ↑ Das unerlaubte Inverkehrbringen von Gamma-Butyrolacton (GBL) zu Konsumzwecken ist nach dem Arzneimittelgesetz strafbar. BGH-Urteil vom 8. Dezember 2009, 1 StR 277/09, LG Nürnberg-Fürth bei Lexetius.com/2009,3836.
Weblinks
- Lachgas. In: Erowid. (englisch)
- Eve&Rave (Schweiz) Lachgas: Substanzinformationen sowie „Böse Pillen“-Listen