Distickstoffmonoxid

Grundlagen und Bedeutung

Distickstoffmonoxid, bekannt als Lachgas, ist eine chemische Verbindung mit der Summenformel N2O. Bei Raumtemperatur ist es ein farbloses, nicht brennbares Gas. Es wird als geruchlos und geschmacklos beschrieben, beim Einatmen wird aber teils ein leicht süßlicher Geschmack berichtet. Bei höheren Temperaturen wirkt Distickstoffmonoxid als starkes Oxidationsmittel, also als Stoff, der andere Stoffe oxidieren und Brände fördern kann.

Die Verbindung ist aus mehreren Gründen wichtig: Sie wird medizinisch als schmerzstillendes und betäubendes Gas eingesetzt, dient technisch als Oxidationsmittel, Treibgas oder Leistungssteigerer und ist zugleich ein bedeutendes Umweltproblem. In der Atmosphäre ist Distickstoffmonoxid ein Spurengas, dessen Konzentration seit Beginn des 19. Jahrhunderts stark zugenommen hat. Es trägt als Treibhausgas zur globalen Erwärmung bei und fördert in der Stratosphäre den Abbau von Ozon. Ein großer Teil der vom Menschen verursachten Emissionen stammt aus der Landwirtschaft, besonders durch stickstoffhaltige Düngemittel.

Wichtige Stoffdaten sind: molare Masse 44,01 g·mol−1, Dichte 1,848 kg·m−3 bei 15 °C und 1 bar, Schmelzpunkt −90,8 °C und Siedepunkt −88,5 °C. Das Treibhauspotential wird mit 273 ± 130 bezogen auf 100 Jahre angegeben.

Geschichte und Vorkommen

Distickstoffmonoxid wurde 1771 von Joseph Priestley erstmals rein dargestellt und beschrieben. Humphry Davy untersuchte um 1797 seine Wirkung in Selbstversuchen, setzte es gegen Zahnschmerzen ein, veröffentlichte seine Erkenntnisse 1800 und schlug es zur Betäubung bei Operationen vor. Horace Wells verwendete es ab 1844 als Zahnarzt erfolgreich bei Zahnextraktionen und Dentalbehandlungen. Weil damals für Schmerzfreiheit hohe Dosierungen nötig waren, konnten lebensbedrohliche Erstickungszustände auftreten. Edmund Andrews empfahl 1868 die Kombination mit Sauerstoff; er nannte ein Gemisch mit mindestens 20 % Sauerstoff.

In der Erdatmosphäre lag die Konzentration im Jahr 2018 bei 331 ppb und damit etwa 22 % über dem vorindustriellen Wert. Zwischen 1980 und 2020 stieg die mittlere troposphärische Konzentration von 301 auf 333 ppb. Im Jahr 2020 betrug die Wachstumsrate 1,33 ppb pro Jahr, während sie im Jahrzehnt 2000 bis 2009 noch bei 0,76 ppb pro Jahr lag. Damit erreichte die Konzentration den höchsten Wert in den letzten 800.000 Jahren.

Distickstoffmonoxid kommt auch im Meerwasser vor. Dort entsteht es als Nebenprodukt der aeroben Nitrifikation und als Zwischenprodukt der anaeroben Denitrifikation. Die Konzentration schwankt je nach Jahreszeit und Ort stark. Außerhalb der Erde wurde Distickstoffmonoxid radioastronomisch im interstellaren Raum nachgewiesen. Es könnte außerdem als Ausgangsstoff für in Kometenschweifen nachgewiesene Stickstoffkationen (N2+) eine Rolle spielen.

Entstehung und Herstellung

Im Labor kann Distickstoffmonoxid durch kontrollierte thermische Zersetzung von chloridfreiem Ammoniumnitrat hergestellt werden: NH4NO3 → N2O + 2 H2O. Auch das Erhitzen einer Mischung aus Ammoniumsulfat und Natriumnitrat liefert Distickstoffmonoxid: 2 NaNO3 + (NH4)2SO4 → Na2SO4 + 2 N2O + 4 H2O. Bei diesen Wegen darf die Temperatur nicht über 300 °C steigen, weil Ammoniumnitrat sonst explosiv zerfallen kann. Eine weitere Möglichkeit ist die Reaktion von Harnstoff mit Salpetersäure und Schwefelsäure; dabei entstehen neben Distickstoffmonoxid auch Kohlenstoffdioxid, Ammoniumsulfat und Wasser.

Industriell fällt Distickstoffmonoxid als Nebenprodukt bei der Herstellung von Salpetersäure, Caprolactam und Adipinsäure in erheblichen Mengen an. Auch beim SCR-Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen können Stickoxide mit Ammoniak zu Distickstoffmonoxid reagieren, zum Beispiel: 8 NO2 + 6 NH3 → 7 N2O + 9 H2O.

Eine wichtige natürliche und vom Menschen verstärkte Quelle ist die bakterielle Nitrifikation. Dabei wird Distickstoffmonoxid in Böden und Gewässern gebildet und freigesetzt. Besonders der zunehmende Einsatz stickstoffhaltiger Düngemittel in der Landwirtschaft trägt zum anthropogenen Ausstoß bei. Ökologische Landwirtschaft verursacht laut Artikel pro Hektar rund 40 % weniger Distickstoffmonoxid als konventionelle Landwirtschaft. Auch Kläranlagen können durch Ammonium-Oxidationsprozesse Distickstoffmonoxid freisetzen; in der Schweiz sind sie für rund 20 % der landesweiten Emissionen verantwortlich.

Als Senke wirkt vor allem der photochemische Abbau in der Stratosphäre mit etwa 20,5 Millionen Tonnen pro Jahr. Dabei laufen unter anderem folgende Reaktionen ab: N2O + hν → N2 + O, N2O + O → N2 + O2, N2O + O → 2 NO.

Eigenschaften und Reaktionen

Physikalisch ist Distickstoffmonoxid ein diamagnetisches Gas. Es ist in kaltem Wasser gut löslich: Bei 0 °C löst es sich im Volumenverhältnis 1 : 1,305 in flüssigem Wasser, bei 25 °C im Verhältnis 1 : 0,596. Unter erhöhtem Druck löst es sich sehr gut in Fetten. In vielen physikalischen Eigenschaften ähnelt es dem annähernd gleich schweren und isoelektronischen Kohlenstoffdioxid.

Das Molekül ist linear gebaut. Der Stickstoff-Stickstoff-Bindungsabstand beträgt 112,6 Pikometer und liegt zwischen einer Doppel- und einer Dreifachbindung. Die Stickstoff-Sauerstoff-Bindung ist 118,6 Pikometer lang und liegt zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung.

Chemisch ist Distickstoffmonoxid nicht brennbar, kann aber andere Stoffe oxidieren und wirkt deshalb brandfördernd. Kohle, Schwefel und Phosphor brennen in Distickstoffmonoxid ähnlich wie in Sauerstoff. Gemische mit Wasserstoff oder Ammoniak können bei Zündung explodieren. Im Unterschied zu Stickstoffmonoxid reagiert Distickstoffmonoxid mit Sauerstoff nicht zu braunem Stickstoffdioxid (NO2); daran lassen sich die beiden Gase unterscheiden.

Distickstoffmonoxid ist metastabil und zerfällt bei etwa 600 °C in seine Elemente: 2 N2O → 2 N2 + O2 + 164,20 kJ. In der oberen Atmosphäre wird es durch Sonnenstrahlung mit Wellenlängen von etwa 180 bis 240 Nanometern photolysiert. Dabei entstehen molekularer Stickstoff und angeregter atomarer Sauerstoff.

Umweltwirkung

Distickstoffmonoxid ist wegen seiner langen atmosphärischen Verweilzeit und seiner Infrarotabsorption in einem atmosphärischen Fenster ein starkes Treibhausgas. Die mittlere atmosphärische Verweilzeit wird im Artikel einmal mit 116 ± 9 Jahren und im Abschnitt zur Umweltrelevanz mit 109 Jahren angegeben. Sein globales Erwärmungspotential bezogen auf 100 Jahre beträgt 273 ± 130 im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid. Es gilt als drittwichtigstes langlebiges Treibhausgas und trägt knapp 10 % zur globalen Erwärmung über den Treibhauseffekt bei.

Ein zentrales Problem ist die Landwirtschaft. Durch Denitrifikation von stickstoffhaltigem Dünger entstehen Emissionen, die etwa beim Anbau von Ölsaaten für Biokraftstoffe den Beitrag zum Klimaschutz vollständig zunichtemachen können. Wissenschaftler berichteten 2024, dass die vom Menschen verursachten Emissionen in den letzten vier Jahrzehnten um 30 % gestiegen sind und die Hauptursache für den Anstieg der atmosphärischen Konzentrationen darstellen; das jüngste Wachstum übertrifft laut Artikel die höchsten prognostizierten Emissionsszenarien des IPCC.

In der Stratosphäre erhöht Distickstoffmonoxid die Konzentration von Stickoxiden (NOx). Diese bauen Ozon katalytisch ab. Dabei wird Stickstoffmonoxid gebildet, das in Zyklen Ozon zerstört: NO + O3 → O2 + NO2, NO2 + O → O2 + NO. Die Nettoreaktion lautet: O + O3 → 2 O2. Unter den vom Menschen verursachten ozonschädlichen Emissionen ist Distickstoffmonoxid mittlerweile bedeutender als alle Fluorchlorkohlenwasserstoffe zusammen. Anders als FCKW fällt es nicht unter die Beschränkungen des Montreal-Protokolls; als Treibhausgas gehört es jedoch zu den im Kyoto-Protokoll reglementierten Gasen.

Verwendung, Risiken und Nachweis

In der Medizin wird Distickstoffmonoxid wegen seiner schmerzstillenden, angstlösenden und betäubenden Wirkung eingesetzt. Die Weltgesundheitsorganisation führt es in der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel, 23. Liste (2023), im Kapitel 1.1.1: Inhalative Arzneimittel. Analgetische Effekte treten ab etwa 20 % Distickstoffmonoxid in der Atemluft auf. Häufig wird eine fixe Kombination aus 50 % Distickstoffmonoxid und 50 % Sauerstoff (MEOPA) über eine Maske verwendet, etwa bei kurzen, mäßig schmerzhaften Eingriffen, in der Zahnmedizin, bei Schnittwunden, Punktionen, kleineren dermatologischen Eingriffen und in der Geburtshilfe. In der Anästhesie wird es wegen seiner schwachen Narkosewirkung meist mit anderen Narkosemitteln kombiniert; für 70 % Distickstoffmonoxid wird reiner Sauerstoff beigegeben.

Weitere Anwendungen sind vielfältig. In der Nahrungsmitteltechnik dient Distickstoffmonoxid als Lebensmittelzusatzstoff E 942 wegen seiner guten Fettlöslichkeit als Treibgas, besonders für Schlagsahne. In der Analytik wird es in der Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie mit Acetylen verwendet, um Temperaturen von 2800 °C zu erreichen. In der Raketentechnik dient es als Oxidator, zum Beispiel in Hybridraketen wie SpaceShipOne, weil es sich ohne Kühlung durch Druck verflüssigen lässt. In der Antriebstechnik kann Lachgaseinspritzung die Leistung von Ottomotoren kurzfristig um etwa 20 bis 50 % steigern; im öffentlichen Straßenverkehr ist dies in Deutschland und den USA grundsätzlich verboten beziehungsweise nur stark eingeschränkt erlaubt.

Als Rauschmittel wirkt Distickstoffmonoxid schnell und kurz. Der Höhepunkt tritt etwa 10 bis 30 Sekunden nach dem Einatmen ein, die Wirkung endet innerhalb von ein bis fünf Minuten. Beschrieben werden dissoziative Effekte, veränderte Geräuschwahrnehmung, Kribbeln, Muskelentspannung, traumartige Halluzinationen, Wohlbefinden, Euphorie und Lachzwang. Häufiger Konsum kann durch Vitamin-B12-Mangel zu Myelopathie, Neuropathie oder Enzephalopathie führen; Todesfälle wurden berichtet. In Deutschland gelten seit 12. April 2026 Umgangsbeschränkungen nach dem Neue-psychoaktive-Stoffe-Gesetz für Kartuschen mit mehr als 8,4 Gramm; Erwerb und Besitz sind für Minderjährige verboten, ebenso Automatenabgabe und Versandhandel an private Verbraucher. Volljährige können als Treibgas für Lebensmittel pro Einkauf höchstens zehn Kartuschen zu je 8,4 Gramm erwerben.

Toxikologisch gefährlich sind vor allem Sauerstoffmangel, Erfrierungen durch kaltes Gas oder kalte Behälter, Pneumothorax, Krampfanfälle, akute Psychosen, Koma, Schwindel, Dissoziation, Desorientierung, Gleichgewichtsstörungen und kognitive Beeinträchtigungen. Distickstoffmonoxid kann Vitamin B12 oxidieren, sodass es dem Enzym Methionin-Synthase nicht mehr als Co-Enzym zur Verfügung steht. Für den Nachweis werden chromatographische, spektroskopische und amperometrische Methoden eingesetzt, besonders Gaschromatographie mit Elektroneneinfangdetektor, FTIR-Spektrometrie und amperometrische Sensoren.