Distickstoffmonoxid, allgemein bekannt unter dem Trivialnamen Lachgas, ist eine chemische Verbindung mit der Summenformel N2O. Bei Raumtemperatur ist es ein farbloses, nicht brennbares Gas. Es ist geruchlos und geschmacklos, teilweise wird jedoch über einen leicht süßlichen Geschmack beim Einatmen berichtet. Bei höheren Temperaturen ist Distickstoffmonoxid ein starkes Oxidationsmittel. In der medizinischen Literatur wird Distickstoffmonoxid auch als Stickoxydul oder Stickoxidul, im Englischen als Nitrous Oxide, bezeichnet.
Distickstoffmonoxid ist ein Spurengas, dessen Konzentration in der Erdatmosphäre seit Beginn des 19. Jahrhunderts stark zugenommen hat. Als Treibhausgas trägt Distickstoffmonoxid zur globalen Erwärmung sowie zum Ozonabbau in der Stratosphäre bei. Ein großer Teil der vom Menschen verursachten Distickstoffmonoxidemissionen sind auf die Landwirtschaft zurückzuführen.
Als Oxidationsmittel wird es in Raketentreibstoffen und im Motorsport zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren verwendet. Distickstoffmonoxid wirkt eingeatmet zudem als Rauschmittel, das ein kurzes Gefühl von Euphorie, Entspannung oder Hochgefühl vermittelt. Die Wirkung setzt meist schnell ein und ist auf wenige Minuten beschränkt. In Deutschland und anderen Ländern ist der Umgang mit Distickstoffmonoxid, das als psychoaktive Substanz gilt, gesetzlich geregelt.
In der Medizin wird es, insbesondere in der Geburtshilfe und Zahnmedizin, wegen seiner betäubenden und schmerzlindernden Wirkung eingesetzt. Es steht auf der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation.
Geschichte Entdeckung und Nutzung als Narkosegas mini|links|hochkant|Joseph Priestley Distickstoffmonoxid wurde erstmals 1771 von dem englischen Pfarrer, Chemiker und Physiker Joseph Priestley rein dargestellt und beschrieben. Die Entdeckung der betäubenden und schmerzstillenden Wirkung geht auf den englischen Apotheker und späteren Chemiker Humphry Davy zurück, der um 1797 begann, die Wirkung von Stickstoffmonoxid durch Selbstversuche zu erforschen. Er setzte es zur Behandlung von Zahnschmerzen ein, veröffentlichte seine Erkenntnisse 1800 und schlug Distickstoffmonoxid zur Betäubung bei Operationen vor. Anders als oft dargestellt, lässt sich mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit ausschließen, dass der Begriff „laughing gas“ von Davy geprägt wurde.
mini|hochkant=0.7|Verabreichung von Distickstoffmonoxid durch den Zahnarzt Samuel L. Rymerwww.bdabenevolentfund.org.uk. für eine Anästhesie, publiziert 1863 mini|hochkant|Robert Seymour: Prescription for scolding wives (Rezept für schimpfende Ehefrauen) aus der Reihe Living Made Easy von 1830 Der erste Zahnarzt, der Distickstoffmonoxid als Narkosemittel verwendete, war Horace Wells (1815–1848) in Hartford (Connecticut). Er setzte es ab 1844 erfolgreich bei Zahnextraktionen und Dentalbehandlungen ein, nachdem er dessen schmerzstillende Wirkung zufällig bei einer Vergnügungsanwendung am 10. Dezember 1844 beobachtet hatte.G. Q. Colton: Anesthesia. Who made and developed this great discovery? A statement „delivered upon the mellowing of occasion“. A. G. Sherwood & Co., New York 1886; abgedruckt auch in Albert Faulconer, Thomas Edward Keys: Foundations of Anesthesiology. 2 Bände, Charles C Thomas, Springfield (Illinois) 1965, Band 1, S. 423–429. Dies war zu seiner Zeit in Europa und vor allem Nordamerika zunächst auf Jahrmärkten und auf „Lachgasparties“ junger Leute üblich. Am folgenden Tag ließ er sich selbst einen Zahn unter Distickstoffmonoxid-Narkose ziehen.
So schrieb der aus Vermont stammende Gardner Quincy Colton (1814–1898),Albert Faulconer, Thomas Edward Keys: Gardner Quincy Colton. In: Foundations of Anesthesiology. 2 Bände, Charles C Thomas, Springfield (Illinois) 1965, Band 1, S. 422(–429). der 1863 das nach dem Tod von Horace Wells zunächst als Anästhetikum außer Gebrauch gekommene Distickstoffmonoxid wieder eingeführt hatte, 1866:
Das am 10. Dezember 1844 in Hartford bei einer öffentlichen Vorführung verwendete Distickstoffmonoxid wurde dort als „Exhilarating or Laughing Gas“ bezeichnet. Den Zuschauern wurde angekündigt, dass das Gas je nach Charakter der berauschten Personen bei Inhalation Lachen, Singen, Tanzen, Reden oder Prügeln bewirken könne. Da Distickstoffmonoxid zu dieser Zeit noch in hoher Dosierung verabreicht werden musste, um Schmerzfreiheit zu erzielen, kam es nach wenigen Minuten zu lebensbedrohlichen Asphyxien. Daher konnte eine Distickstoffmonoxidnarkose nur bei kurzdauernden Eingriffen angewendet werden. Nach der im Jahr 1868 publizierten Empfehlung des Chicagoer Chirurgieprofessors Edmund Andrews (1824–1904) wurde Distickstoffmonoxid in Kombination mit Sauerstoff als Anästhetikum bei klinischen Operationen eingesetzt, um eine wirkungsvolle sowie ausreichend hohe Konzentration zu erzielen. Dies wurde erstmals von Andrews praktiziert, der ein Gasgemisch mit mindestens 20 % Sauerstoff empfahl. Er führte statistische Untersuchungen zur Sicherheit von Äther- und Chloroformnarkosen in jeweils etwa 100.000 Fällen durch. Andrews entwickelte eine Methode zur Verflüssigung von Distickstoffmonoxid durch Kompression, wodurch sich die Handhabung erleichterte.
Rolle als Spurengas Paul Crutzen veröffentlichte 1977 einen Artikel, in dem er auf die Möglichkeit des Ozonabbaus durch die Freisetzung von Distickstoffmonoxid aus Stickstoffdüngern und der Kohleverbrennung hinwies. Aufgrund des Rückgangs der Emissionen von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) entwickelte sich Distickstoffmonoxid zum mit Abstand größten ozonabbauenden Stoff. Die Emissionen werden nicht durch internationale Verträge reguliert und es wird erwartet, dass es voraussichtlich während des 21. Jahrhunderts der dominierende ozonabbauende Stoff bleiben wird.
Weiterhin trägt es zur Verstärkung des Treibhauseffekts bei, das Treibhauspotential ist 273- ± 130-mal so hoch wie das von Kohlenstoffdioxid. Die mittlere atmosphärische Verweilzeit wird auf 116 ± 9 Jahre geschätzt. Der Abbau erfolgt hauptsächlich durch Photolyse und Oxidation durch Sauerstoff-Radikale im ersten angeregten Zustand (O(1D)) in der Stratosphäre.
Vorkommen Terrestrische Vorkommen mini|hochkant=1.5|Distickstoffmonoxidkonzentration in der Erdatmosphäre seit dem Jahr 1 (Eisbohrkernanalysen, Messungen am Kap Grim (Australien), NOAA, März 2017) Im Jahr 2018 lag seine Konzentration in der Atmosphäre bei 331 ppb und damit etwa 22 % über dem Wert des vorindustriellen Zeitalters. Die Konzentration von Distickstoffmonoxid im Meerwasser, wo es als Nebenprodukt der aeroben Nitrifikation und als Zwischenprodukt der anaeroben Denitrifikation entsteht, variiert erheblich mit der Jahreszeit und der geographischen Lage. So wurden in der Küstenlagune Al-Shabab an der Ostküste des Roten Meeres Mittelwerte der Distickstoffmonoxidkonzentration von 0,344 Mikromol pro Liter im Frühjahr gemessen, im Winter lagen die Mittelwerte bei 0,106 Mikromol pro Liter. In der Nordwestpassage des Arktischen Ozeans lag die Konzentration zwischen 11,5 und 21 Mikromol pro Liter.
Distickstoffmonoxid wird in der Troposphäre nicht nennenswert abgebaut und in die Stratosphäre transportiert, wo es durch die Reaktion mit atomarem Sauerstoff zu einer Quelle von NOx-Radikalen wird, die in katalytischen Kreisläufen Ozon zerstören.
Extraterrestrische Vorkommen Im Rahmen einer Studie wurden die Rotationsübergänge des Distickstoffmonoxids im interstellaren Raum mit dem 12-m-Teleskop des National Radio Astronomy Observatory radioastronomisch nachgewiesen. Die daraus abgeleitete Dichte im galaktischen Zentrum beträgt etwa ein milliardstel der Wasserstoffdichte. Distickstoffmonoxid spielt möglicherweise eine Rolle als Ausgangsstoff für die in Kometenschweifen nachgewiesenen Stickstoffkationen (N2+), da dessen photochemische Lebensdauer groß genug ist, um in den Kometenschweif zu gelangen. Durch photochemische Reaktionen in Sonnennähe würde Distickstoffmonoxid dort in ein Stickstoffkation und ein Sauerstoffanion zerfallen.
Herstellung Labormaßstab mini|hochkant=1.3|U.S. Distickstoffmonoxid-Emissionen nach Quellen (2015) mini|hochkant=1.3|Globale Distickstoffmonoxidemissionen (2021) Die Herstellung erfolgt in einer intramolekularen Redoxreaktion durch kontrollierte thermische Zersetzung von chloridfreiem Ammoniumnitrat
oder in einer Redoxreaktion 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. Um dies zu vermeiden, kann Distickstoffmonoxid durch Reaktion von Harnstoff mit Salpetersäure und Schwefelsäure hergestellt werden. Als Nebenprodukte entstehen dabei Kohlenstoffdioxid, Ammoniumsulfat und Wasser.
Industrielle Prozesse Als Nebenprodukt fällt Distickstoffmonoxid bei der Herstellung von Salpetersäure, Caprolactam und Adipinsäure in erheblichen Mengen an. Beim SCR-Verfahren, einer Technik zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Feuerungs-, Müllverbrennungs- und anderen Industrieanlagen sowie in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren, können Stickoxide mit Ammoniak zu Distickstoffmonoxid reagieren, etwa durch die Reaktion:
Drei-Wege-Katalysator Bei der Abgasnachbehandlung mittels Drei-Wege-Katalysator erfolgt die Bildung von Distickstoffmonoxid als Teilschritt bei der Reduktion von Stickoxiden zu elementarem Stickstoff. Sie erfolgt bevorzugt unter stöchiometrischen Bedingungen (λ = 1,00) bei Temperaturen von 250 bis 350 °C. Bei normalen Arbeitstemperaturen von etwa 450 °C des Drei-Wege-Katalysators ist die Bildung von Distickstoffmonoxid und allen anderen Schadstoffen jedoch minimal. Die Reaktion zu Distickstoffmonoxid geschieht über die Reaktion von Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffmonoxid unter Bildung einer NCO-Spezies an der Katalysatoroberfläche.
Bakterielle Nitrifikation mini|hochkant=1.3|Mikrobielle Wege der Distickstoffmonoxid-Produktion.(a) Distickstoffmonoxid-Produktion durch Nitrifikation über Hydroxylamin(b) Distickstoffmonoxid-Produktion durch Nitrifikanten-Denitrifikation Distickstoffmonoxid wird in erster Linie als Nebenprodukt natürlich ablaufender Prozesse, zum Beispiel im Zuge der bakteriellen Nitrifikation gebildet und in die Atmosphäre freigesetzt. Als Nebenprodukt bei von Menschen verursachten Prozessen wird Distickstoffmonoxid nicht nur bei Verbrennungsvorgängen, sondern auch durch intensiv betriebene Landwirtschaft freigesetzt. Für den von Menschen verursachten Distickstoffmonoxidausstoß ist vor allem der zunehmende Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft verantwortlich. Verglichen mit der konventionell betriebenen Landwirtschaft entstehen bei der ökologischen Landwirtschaft rund 40 % weniger Distickstoffmonoxid pro Hektar.
Die Abwasserbehandlung in Kläranlagen kann zum Beispiel durch ein Ammonium-Oxidationsverfahren zu einer Quelle für Distickstoffmonoxid werden. In der Belüftungsphase kann Distickstoffmonoxid durch Ammonium oxidierende Bakterien über die Oxidation von Hydroxylamin oder durch die Reduktion von Nitrit, die sogenannte Nitrifikanten-Denitrifikation, gebildet werden. In der anaeroben Phase kann Distickstoffmonoxid als Nebenprodukt entstehen. In der Schweiz sind die Kläranlagen für rund 20 % der schweizweiten Distickstoffmonoxid-Emissionen verantwortlich.
Quellen für Distickstoffmonoxid 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 Quellen 8,9 – 18,7