Distickstoffmonoxid

Lachgas wurde erstmals 1771[10] von dem englischen Pfarrer, Chemiker und Physiker Joseph Priestley rein dargestellt und beschrieben. Die Entdeckung der betäubenden und schmerzstillenden Wirkung geht zurück auf den englischen Apotheker und späteren Chemiker Humphry Davy, der etwa ab dem Jahr 1797 begann, mit Selbstversuchen die Effekte des Lachgases zu erforschen. Er wendete es zur Behandlung von Zahnschmerzen[11] an, publizierte seine Erkenntnisse 1800 und schlug Lachgas auch für die Betäubung bei chirurgischen Operationen vor.[12][13]

Der erste Zahnarzt, der Lachgas als Narkosemittel verwendete, war Horace Wells in Hartford (Connecticut). Er setzte es ab 1844 erfolgreich für Zahnextraktionen und Dentalbehandlungen ein, nachdem er dessen schmerzstillende Wirkung zufällig bei einer Vergnügungsanwendung am 10. Dezember 1844 beobachtet hatte. Dies war zu seiner Zeit in Europa und vor allem Nordamerika zunächst auf Jahrmärkten, dann auch auf „Lachgasparties“ junger Leute[14] üblich. Am folgenden Tag ließ er sich selbst einen Zahn unter Lachgas-Narkose ziehen. Auch Gardner Quincy Colton, Gründer der Colton Dental Association, setzte Lachgas in der zahnärztlichen Praxis ein. Da Lachgas 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 Lachgasnarkose nur bei kurzdauernden Eingriffen angewendet werden.[15] Nach der vom Chicagoer Chirurgieprofessor Edmund Andrews[16] (1824–1904) 1868 publizierten Empfehlung wurde Lachgas zur Erzielung einer wirkungsvollen sowie ausreichend hohen Konzentration in Kombination mit Sauerstoff als Anästhetikum bei klinischen Operationen eingesetzt.[17] Erstmals so praktiziert wurde das ebenfalls von Andrews, der eine Kombination mit mindestens 20 Prozent Sauerstoff empfahl[18] und auch statistische Untersuchungen zur Sicherheit von Äther- und Chloroformnarkosen in jeweils etwa 100.000 Fällen durchführte.[19] Andrews entwickelte auch eine Methode (Kompression) zur Verflüssigung von Lachgas,[20] wodurch die Handhabung erleichtert wurde.

Die deutsche Bezeichnung als „Lachgas“ ist eine Übersetzung des englischen Wortes laughing gas.

Für die Herkunft des Namens gibt es unterschiedliche Vermutungen; eine ist, dass der Name von einer Euphorie herrührt, die beim Einatmen von Lachgas entstehen kann, sodass der Konsument lacht. So schrieb Gardner Quincy Colton, der 1863 das nach dem Tod von Horace Wells zunächst als Anästhetikum außer Gebrauch gekommene Lachgas wieder eingeführt hatte, 1866: „The laughing gas […] acts as an exhilarant,[21] as by supplying an extra supply of oxygen to the lungs, the pulse is increased fifteen to twenty beats to the minute. The former agents carry the patients down towards the point of death: the latter up into increased life.“[22] Das am 10. Dezember 1844 in Hartford öffentlich zur Schau gestellte Distickstoffmonoxid wurde als „Exhilarating or Laughing Gas“ bezeichnet und den zu unterhaltenden Zuschauern plakativ angekündigt als Gas, das je nach Charakter der damit berauschten Probanden bei Inhalation Lachen, Singen, Tanzen, Reden oder Prügeln bewirken könne.[23]

Die Herstellung erfolgt in einer intramolekularen Redoxreaktion durch kontrollierte thermische Zersetzung von chloridfreiem Ammoniumnitrat[24]

${\displaystyle \mathrm {NH_{4}NO_{3}\longrightarrow N_{2}O+2\ H_{2}O} }$

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.

Lachgas wird in erster Linie als Nebenprodukt natürlich ablaufender Prozesse, zum Beispiel im Zuge der bakteriellen Nitrifikation gebildet und in die Atmosphäre freigesetzt.[4][25] Als Nebenprodukt bei von Menschen verursachten Prozessen wird Lachgas nicht nur bei Verbrennungsvorgängen, sondern auch durch intensiv betriebene Landwirtschaft freigesetzt.[26][27] Für den von Menschen verursachten Lachgasausstoß ist vor allem der zunehmende Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft verantwortlich.[28][29] Verglichen mit der konventionell betriebenen Landwirtschaft entstehen bei der ökologischen Landwirtschaft rund 40 % weniger Lachgas pro Hektar.[30] In der Schweiz sind die Kläranlagen für rund zwanzig Prozent der schweizweiten Lachgas-Emissionen verantwortlich.[31]

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 (→ Denitrifikation). Dieses Enzym reagiert auf Sauerstoff allerdings empfindlich und fällt in der Reaktionskette häufig aus. Deshalb werden große Mengen an N₂O aus gedüngten Ackerflächen freigesetzt.[32] 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.[33][34] Dadurch ist – bezogen auf die N₂O-Emissionen – die Klimabilanz des Raps negativer als die von Benzin.[35]

Lachgaskonzentration in der Erdatmosphäre seit dem Jahr 1 (Eisbohrkernanalysen, Messungen am Kap Grim (Australien), NOAA, März 2017)

In der chemischen Industrie ist die Adipinsäuresynthese (Polyamid-Vorprodukt) ein Lachgas freisetzender Prozess.

Lachgas kann sich unter bestimmten Bedingungen auch unter Normalbedingungen an Festkörperoberflächen bilden. Erstmals wurde dies an einem Salzsee in der Antarktis beobachtet.[36]

Diesen Quellen steht als Senke insbesondere der photochemische Abbau in der Stratosphäre mit etwa 20,5·10⁶ t/a gegenüber.[4]

${\displaystyle \mathrm {N_{2}O+h\nu \longrightarrow N_{2}+O} }$

${\displaystyle \mathrm {N_{2}O+O\longrightarrow N_{2}+O_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {N_{2}O+O\longrightarrow 2\ NO} }$

Die Mengen, die zusätzlich durch Aufnahme in Böden und von aquatischen Mikroorganismen abgebaut werden, sind nicht bekannt.

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.[37] 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:

${\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O\longrightarrow 2\ N_{2}+O_{2}+164{,}20\ kJ} }$.

Unter der Bezeichnung E 942 ist Lachgas als Lebensmittelzusatzstoff zur Verwendung als Treibgas zugelassen[38] 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 lange atmosphärische Verweilzeit von 109 Jahren hat N₂O ein hohes Treibhauspotenzial, zumal sein globales Erwärmungspotenzial (bezogen auf 100 Jahre) 273-mal höher ist als das von CO₂.[39] Als drittwichtigstes langlebiges Treibhausgas trägt es erheblich zur globalen Erwärmung bei.[40] Sein Beitrag zur globalen Erwärmung über den Treibhauseffekt beträgt knapp 10 %. Seine Emissionen beim Anbau von Ölsaaten für Biokraftstoffe machen deren Beitrag zum Klimaschutz vollständig zunichte.[41]

Durch seinen Abbau in der Stratosphäre erhöht Lachgas dort die Konzentration von NO_x, das katalytisch Ozon abbaut.[40] Unter den anthropogenen ozonschädlichen Emissionen ist Lachgas mittlerweile bedeutender als alle Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zusammen.[42]

Wissenschaftler veröffentlichten 2020 eine umfassende Quantifizierung der globalen Quellen und Senken des Treibhausgases und berichteten, dass die vom Menschen verursachten Emissionen in den letzten vier Jahrzehnten um 30 % gestiegen sind und die Hauptursache für den Anstieg der atmosphärischen Konzentrationen sind, wobei das jüngste Wachstum die höchsten prognostizierten Emissionsszenarien des IPCC übertrifft.[43][44]

Mobiles System zur Applikation eines N₂O-Sauerstoff-Gemisches

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.[45] 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.[46] 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. Es wurde als geeignet zur Selbstapplikation bei schwachen und mittleren Schmerzen bezeichnet.[47] So wird es heute unter anderem in der Geburtshilfe zur Verringerung der Wehenschmerzen wieder eingesetzt. (Ab 1878 hatte bereits der Arzt St. Kjilkowitsch aus Petersburg[48] Lachgas erfolgreich in der Geburtshilfe eingesetzt[49]). 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 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 Nitrous Oxide Systems, 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 aufwändige 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 Frontalchromatographie angewendet, um die katalytisch wirksame Kupferoberfläche zu bestimmen.

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.[50] 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.[51] Die Wirkung von Lachgas ist nur kurz, bereits nach ungefähr 15 Minuten sind keine Wirkungen mehr wahrnehmbar. Lachgas kann aufgrund der schmerzstillenden Wirkung in der Anästhesie zur Durchführung einer Vollnarkose dem Gasgemisch beigefügt werden, 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 Ende der 1990er Jahre weniger Lachgas in der Anästhesie verwendet.[52] 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 wenig gegen die Verwendung von Lachgas zur Narkose.[53][54]

Bei der Verwendung von großen Gasflaschen in geschlossenen Räumen besteht Erstickungsgefahr. Lachgas ist brandfördernd (Vergleiche: Glimmspanprobe). Besondere Gefahren bestehen beim Gebrauch als Rauschmittel: 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, schwere Lähmungen bis hin zur Querschnittslähmung,[55] Hirnschäden und der Tod möglich sind.[56] Falls Lachgas direkt aus dem Gasbehälter eingeatmet wird, kann es zu Erfrierungserscheinungen (siehe: Joule-Thomson-Effekt) an Lippen, Kehlkopf und Bronchien aufgrund der Kälte des Gases kommen. Auch deshalb werden meist abgefüllte Ballons verwendet.[57]

In der Landschaft (wohl nach Herbeiführung von Lachgasrausch) zurückgelassene Lachgas-Treibgas-Ampullen

In der Drogenszene findet Lachgas wegen seiner dissoziativen Wirkung und der leichten Verfügbarkeit Verwendung.[58] Der Rausch dauert etwa 30 Sekunden bis 3 Minuten an.[59] Es kommt zu dissoziativen Effekten,[58] starker Veränderung der Geräuschwahrnehmung (Echo, Verzerrung),[59] Kribbeln in den Gliedmaßen,[60] Entspannung der Muskeln,[61] traumartigen Halluzinationen[59] und Wohlempfinden, mitunter auch Euphorie[61] und Lachzwängen.[59] Bei häufigem Konsum besteht die Gefahr des Vitamin-B12-Mangels.[58][60][61] Wiederholt kam es bei dieser Anwendung auch zu Todesfällen (siehe Abschnitt Gefahren).[62] In den Niederlanden hat die Häufigkeit schwerer Verkehrsunfälle unter Lachgaseinfluss stark zugenommen. Außerdem war dort Lachgas (nach Alkohol) die bei Schülern meistkonsumierte Rauschdroge.[63] Dies führte dazu, dass am 1. Januar 2023 ein Verbot von Lachgas in Kraft gesetzt wurde.[64] Lachgas steht seit diesem Zeitpunkt auf der Liste II des Opiumgesetzes, was bedeutet, dass es dann unter anderem verboten ist, „innerhalb oder außerhalb des Hoheitsgebiets der Niederlande Lachgas zu verbringen, zu verkaufen oder zu besitzen.“[64] Der gewerbliche Einsatz von Lachgas für medizinische und technische Zwecke ist zulässig, ebenso die Verwendung von Lachgas als Zusatz zu Lebensmitteln.

• Albert Faulconer, Thomas Edward Keys: Nitrous Oxide. In: Foundations of Anesthesiology. Charles C Thomas, Springfield IL 1965, S. 372–441 sowie S. 605 f. (Gas Mixtures).
• Ludimar Hermann: Über die physiologischen Wirkungen des Stickstoffoxydulgases. In: Archiv für Anatomie und Physiologie. 1864, S. 551 ff.
• H. Orth, I. Kis: Schmerzbekämpfung und Narkose. In: Franz Xaver Sailer, Friedrich Wilhelm Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen. Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 1–32, hier: S. 7–9 und 24 f.

Commons: Distickstoffmonoxid – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Lachgas. In: Erowid. (englisch)
• Lachgas-Lehrbuch online – frei zugängliches Lehrbuch zur medizinischen Anwendung von Lachgas
• Spektrum: Lachgas