Distickstoffmonoxid

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 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 psychoaktiver Stoff 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

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.

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. 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 Gardner Quincy Colton (1814–1898), der 1863 das nach dem Tod von Horace Wells zunächst als Anästhetikum außer Gebrauch gekommene Distickstoffmonoxid wieder eingeführt hatte, 1866:

“The laughing gas […] acts as an exhilarant, 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.”

„Das Lachgas […] wirkt wie ein Aufputschmittel, denn durch die zusätzliche Zufuhr von Sauerstoff in die Lungen wird der Puls um fünfzehn bis zwanzig Schläge pro Minute erhöht. Die ersteren Mittel führen die Patienten dem Tod entgegen, die letzteren dem Leben entgegen.“

– Gardner Quincy Colton

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 bis 298 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

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 NO_x-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

U.S. Distickstoffmonoxid-Emissionen nach Quellen (2015)

Globale Distickstoffmonoxidemissionen (2021)

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

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

oder in einer Redoxreaktion durch Erhitzen einer Mischung aus Ammoniumsulfat und Natriumnitrat.

${\ce {2 NaNO3 + (NH4)2SO4 -> Na2SO4 + 2 N2O + 4 H2O}}$

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.

${\ce {2 (NH2)2CO + 2 HNO3 + H2SO4 -> 2 N2O + 2 CO2 + (NH4)2SO4 + 2 H2O}}$

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:

$\mathrm {8\ NO_{2}+6\ NH_{3}\longrightarrow 7\ N_{2}O\ +9\ H_{2}O}$

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

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.

Strukturformel
Mesomere Grenzstrukturen des Distickstoffmonoxid-Moleküls
Allgemeines
Name	Distickstoffmonoxid (INN)
Andere Namen	Lachgas Distickstoffoxid Stickoxydul Stickstoffoxydulgas Azo-oxid E 942 NITROUS OXIDE (INCI) R-744A
Summenformel	N2O
Kurzbeschreibung	farbloses Gas mit süßlichem Geruch
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 10024-97-2 EG-Nummer 233-032-0 ECHA-InfoCard 100.030.017 PubChem 948 ChemSpider 923 DrugBank DB06690 Wikidata Q905750
Arzneistoffangaben
ATC-Code	N01AX13
Wirkstoffklasse	Analgetikum
Eigenschaften
Molare Masse	44,01 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	1,848 kg·m−3 (15 °C, 1 bar)
Schmelzpunkt	−90,8 °C
Siedepunkt	−88,5 °C
Dampfdruck	50,8 bar (20 °C) 57,2 bar (25 °C) 63,2 bar (30 °C)
Löslichkeit	nur geringfügig löslich in Wasser (1,5 g·l−1 bei 15 °C) löslich in Ethanol und Diethylether
Dipolmoment	0,16083 D (5,365 · 10−31 C · m)
Brechungsindex	1,000516 (0 °C, 101,325 kPa)
Sicherheitshinweise
Bitte die Befreiung von der Kennzeichnungspflicht für Arzneimittel, Medizinprodukte, Kosmetika, Lebensmittel und Futtermittel beachten GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 270​‐​280​‐​336​‐​360Df​‐​372​‐​420 P: 220​‐​244​‐​260​‐​370+376​‐​304+340+315​‐​403
MAK	DFG: 100 ml·m−3 beziehungsweise 180 mg·m−3 Schweiz: 100 ml·m−3 beziehungsweise 182 mg·m−3
Treibhauspotential	273 bis 298 (bezogen auf 100 Jahre)
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Quellen für Distickstoffmonoxid	globale Emission [106 t/a]
natürliche Quellen	6,6 – 12,2
• Ozeane/Seen	2,0 – 04,0
• natürliche Böden	4,6 – 08,2
anthropogene Quellen	1,4 – 06,5
• Verbrennung von Biomasse	0,2 – 02,4
• Einsatz von künstlichen Düngern (Böden und Grundwasser)	1,0 – 03,6
alle Quellen 1	8,9 – 18,7

 

Weitere mögliche Quellen sind photochemische Reaktionen in der Stratosphäre und Troposphäre sowie die Bildung von Distickstoffmonoxid durch Katalysatoren.

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 empfindlich und fällt in der Reaktionskette häufig aus. Deshalb werden große Mengen an N₂O aus gedüngten Ackerflächen freigesetzt. 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. Dadurch ist – bezogen auf die N₂O-Emissionen – die Klimabilanz des Raps negativer als die von Benzin.

Diesen Quellen steht als Senke insbesondere der photochemische Abbau in der Stratosphäre mit etwa 20,5 Millionen Tonnen pro Jahr gegenüber.

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

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

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

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

Abiotische Prozesse

Distickstoffmonoxid kann sich unter bestimmten Bedingungen abiotisch an Festkörperoberflächen bilden. Erstmals wurde dies an einem Salzsee in der Antarktis beobachtet. Die Reaktion zu Distickstoffmonoxid ist neben dem Vorkommen von nitrat- oder nitrithaltigen Stoffen auch von der Verfügbarkeit von Eisenmineralien abhängig und läuft nach folgenden Reaktionen ab:

${\ce {2 NO3- + 12 Fe^2+ + 11 H2O -> N2O + 4 Fe3O4 + 22H+}}$

${\ce {2 NO2- + 6 Fe^2+ + 5 H2O -> N2O + 2 Fe2O3 + 10H+}}$

Es besteht die Möglichkeit, dass die abiotische Distickstoffmonoxidproduktion in der Antarktis in ähnlicher Weise auch auf dem Mars und anderen extraterrestrischen Objekten sowie Exoplaneten stattfindet.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Distickstoffmonoxid ist ein diamagnetisches Gas, das in kaltem Wasser gut löslich ist. 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. Es ist dem annähernd gleich schweren, isoelektronischen Kohlenstoffdioxid in seinen physikalischen Eigenschaften wie der Dichte der kondensierten Flüssigkeit oder Schmelz- und Siedepunkt sehr ähnlich. Aus neutralen wässrigen Lösungen lässt sich bei tiefen Temperaturen ein kristallines Gashydrat ausscheiden, in dem auf jedes Distickstoffmonoxid-Molekül 5,75 Wassermoleküle kommen. Unter erhöhtem Druck weist Distickstoffmonoxid eine sehr gute Löslichkeit in Fetten auf. Die Standardbildungsenthalpie Δ_fH⁰_g beträgt +82,10 kJ/mol (metastabil), die Standardenthropie S⁰_g, 1 bar 219,96 J/(mol · K).

Molekulare Eigenschaften

Das Distickstoffmonoxidmolekül ist linear gebaut und lässt sich durch zwei mesomere Resonanzstrukturen darstellen:

Resonanzstruktur von N₂O

Der Stickstoff-Stickstoff-Bindungsabstand beträgt 112,6 Pikometer und liegt damit zwischen dem einer Stickstoff-Stickstoff-Doppel- und einer Stickstoff-Stickstoff-Dreifachbindung. Die Länge der Stickstoff-Sauerstoff-Bindung beträgt 118,6 Pikometer und liegt damit zwischen dem einer Sauerstoff-Sauerstoff-Einfach- und einer Sauerstoff-Sauerstoff-Doppelbindung.

Chemische Eigenschaften

„Der bellende Hund“

Distickstoffmonoxid ist nicht brennbar, kann jedoch andere Stoffe oxidieren. Daher wirkt es brandfördernd. Kohle, Schwefel und Phosphor brennen in Distickstoffmonoxid wie in Sauerstoff, Gemische mit Wasserstoff oder Ammoniak explodieren bei Zündung.

${\ce {3 N2O + 2 NH3 -> 4 N2 + 3 H2O}}$

Im Gegensatz zu Stickstoffmonoxid reagiert Distickstoffmonoxid mit Sauerstoff nicht zu braunem Stickstoffdioxid (NO₂), wodurch sich die beiden Gase unterscheiden lassen. Um andere Stoffe zu oxidieren, benötigt es eine deutlich höhere Temperatur als bei den entsprechenden Reaktionen mit Sauerstoff. Bei der Zündung eines Gasgemisches aus Schwefelkohlenstoff und Distickstoffmonoxid in einer zylindrischen Röhre erzeugt die Reaktion einen hellen Blitz und ein Geräusch, das an einen bellenden Hund erinnert. Als Produkte entstehen elementarer Schwefel, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff.

${\ce {8 N2O + 4 CS2 -> S8 + 4 CO2 + 8 N2}}$

Distickstoffmonoxid ist eine metastabile Verbindung und zerfällt bei etwa 600 °C in seine Elemente:

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

In der oberen Atmosphäre wird Distickstoffmonoxid, dessen Wirkungsquerschnitt stark temperaturabhängig ist, durch Absorption von Sonnenstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 180 bis 240 Nanometern photolysiert, wobei die Quantenausbeute der Photodissoziation gleich eins ist. Bei der Photolyse entstehen molekularer Stickstoff (N₂) und angeregter atomarer Sauerstoff (O(¹D)).

Umweltrelevanz

Siehe auch: Liste der größten Lachgasemittenten

Durch die Lage seiner IR-Absorption in einem atmosphärischen Fenster und seine lange atmosphärische Verweilzeit von 109 Jahren hat Distickstoffmonoxid ein hohes Treibhauspotenzial, zumal sein globales Erwärmungspotenzial (bezogen auf 100 Jahre) 273-mal so hoch ist wie das von Kohlenstoffdioxid. Als drittwichtigstes langlebiges Treibhausgas trägt es erheblich zur globalen Erwärmung bei. Sein Beitrag zur globalen Erwärmung über den Treibhauseffekt beträgt knapp 10 %. Seine Emissionen durch Denitrifikation von stickstoffhaltigem Dünger machen beispielsweise beim Anbau von Ölsaaten für Biokraftstoffe deren Beitrag zum Klimaschutz vollständig zunichte.

Flüsse von Distickstoffmonoxid nach Quellen in Millionen Tonnen Stickstoff pro Jahr für die Dekade von 2010 bis 2019

Anthropogene Quellen

Natürliche Quellen

Natürliche Senken

Andere Flüsse: Blitzschlag und atmosphärische Produktion, Bodenoberflächensenken, Klimawandel, steigende CO₂-Konzentration, Abholzung von Wäldern.
Wissenschaftler veröffentlichten 2024 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.

Durch seinen Abbau in der Stratosphäre erhöht Distickstoffmonoxid dort die Konzentration von Stickoxiden (NO_x), die katalytisch Ozon abbauen. Die Oxidation von Distickstoffmonoxid stellt die hauptsächliche Quelle für Stickoxide und Salpetersäure in der Stratosphäre dar. Zu einem kleineren Teil stammen diese aus der Ionisation von molekularem Stickstoff durch energiereiche Teilchen sowie den Emissionen von Flugzeugen. Unter den anthropogenen ozonschädlichen Emissionen ist Distickstoffmonoxid mittlerweile bedeutender als alle Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zusammen. Im Gegensatz zu den FCKW fällt Distickstoffmonoxid nicht unter die Beschränkungen des Montreal-Protokolls. Der Ozonabbau erfolgt über die Bildung von Stickstoffmonoxid, das in katalytischen Zyklen Ozon abbaut:

$\mathrm {N_{2}O+O{(^{1}D)}\xrightarrow {\ } 2\ NO}$

Katalytischer Zyklus:

$\mathrm {NO+O_{3}\ \xrightarrow {\ } O_{2}+NO_{2}}$

$\mathrm {NO_{2}+O\ \xrightarrow {\ } O_{2}+NO}$

_______________________

$\mathrm {O+O_{3}\ \xrightarrow {\ } 2\ O_{2}}$

Nettoreaktion des Ozonabbaus

Die mittlere troposphärische Distickstoffmonoxidkonzentration stieg zwischen 1980 und 2020 von 301 auf 333 ppb an. Damit erreichte sie den höchsten Wert in den letzten 800.000 Jahren. Im Jahr 2020 betrug die Wachstumsrate 1,33 ppb pro Jahr, im Vergleich dazu lag sie im Jahrzehnt von 2000 bis 2009 noch bei 0,76 ppb pro Jahr. Distickstoffmonoxid gehört zu den im Kyoto-Protokoll reglementierten Treibhausgasen.

Verwendung

Chemische Verwendung

Distickstoffmonoxid wird in Synthesen entweder als Oxidationsmittel unter Freisetzung von Stickstoff oder als Stickstoffatom-Donor eingesetzt. Aufgrund seiner geringen Reaktivität sind selektive Oxidationsreaktionen möglich. Distickstoffoxid ist jedoch relativ reaktionsträge, sodass typische organische Oxidationsreaktionen meist hohe Temperaturen und Drücke erfordern. So ist die Oxidation von Cyclohexen zum Cyclohexanon möglich, jedoch erfordert die Reaktion eine Temperatur von mehr als 200 °C und einen Druck von über 25 bar. Distickstoffmonoxid oxidiert 9,10-Dihydroxyanthracen in Gegenwart eines Ruthenium-Katalysators auf zwei verschiedene Arten. In Gegenwart von Schwefelsäure entsteht ein Anthracen-Derivat, in Benzol als Lösungsmittel in Abwesenheit von Schwefelsäure entsteht ein Anthrachinon-Derivat.

In der synthetischen anorganischen Chemie wird Distickstoffmonoxid ebenfalls als Oxidationsmittel angewendet. In der Wislicenus-Reaktion reagiert Distickstoffmonoxid mit Natriumamid bei etwa 187 °C zu Natriumazid.

${\ce {NaNH2 + N2O -> NaN3 + H2O}}$

Die Reaktion wird in der chemischen Industrie zur Herstellung von Aziden verwendet, die als Sprengstoffe eingesetzt werden.

Die selektive Oxidation von Disilenen ist ebenfalls möglich.

Distickstoffmonoxid agiert als Lewis-Base und kann beispielsweise Wasser aus Komplexen verdrängen:

$\mathrm {[Ru(NH_{3})_{5}H_{2}O]^{2+}+N_{2}O\xrightarrow {\ } [Ru(NH_{3})_{5}N_{2}O]^{2+}+H_{2}O}$

Verwendung in der Medizin

Chirurginnen im Endell Street Military Hospital operieren während des Ersten Weltkriegs einen betäubten Soldaten. Im Vordergrund hält die Anästhesistin dem Patienten eine Maske vor das Gesicht.

Mobiles System zur Applikation eines N₂O-Sauerstoff-Gemisches

Die Weltgesundheitsorganisation führt Distickstoffmonoxid in der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel (23. Liste (2023)) im Kapitel 1.1.1: Inhalative Arzneimittel. Analgetische, schmerzstillende Effekte treten ab einer Konzentration von etwa 20 % Distickstoffmonoxid in der Atemluft auf. In der Medizin wird Distickstoffmonoxid in der fixen Kombination von 50 % Distickstoffmonoxid und 50 % Sauerstoff (MEOPA) über eine Beatmungsmaske zur Schmerzbehandlung bei kurzen, mäßig schmerzhaften chirurgischen Eingriffen eingesetzt. Dazu zählen beispielsweise zahnärztliche Behandlungen, die Versorgung von Schnittwunden, Venenpunktionen, Lumbalpunktionen sowie kleinere dermatologische Eingriffe. Dies ermöglicht einen schnellen Wirkungseintritt sowie eine rasche Erholung bei minimaler Beeinträchtigung der Herz-Kreislauf- oder Atemfunktion. Unter anderem wird es in der Geburtshilfe zur Verringerung der Wehenschmerzen eingesetzt. Diese Anwendung hatte der Arzt St. Kjilkowitsch aus Petersburg bereits 1878 erfolgreich durchgeführt.

In der Anästhesie wird Distickstoffmonoxid seit 1844 regelmäßig eingesetzt. Es ist ein relativ schwaches Anästhetikum und in der modernen Anästhesie wird die Wirkung des Distickstoffmonoxids durch Zugabe anderer Narkosemittel ergänzt. Um eine wirkungsvolle Konzentration von 70 % zu erreichen, wird es, wie zuerst Andrews 1868 erkannt hatte, zusammen mit reinem Sauerstoff verabreicht. Laut der American Gastroenterological Association bietet sich Distickstoffmonoxid als eine sichere und wirksame Option für die Sedierung bei endoskopischen Eingriffen an. Zu den Vorteilen zählen der schnelle Wirkungseintritt, die schnelle Erholung und ein ausgezeichnetes Sicherheitsprofil.

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. Die Wirkung von Distickstoffmonoxid ist nur kurz, bereits nach ungefähr 15 Minuten sind keine Wirkungen mehr wahrnehmbar. Das Gas wird hauptsächlich wieder über die Lungen ausgeschieden, ein geringer Teil diffundiert durch die Haut. Zu den Kontraindikationen für Distickstoffmonoxid zählen Krankheitsbilder mit Lufteinschlüssen wie Pneumothorax, Pneumocephalus, Darmverschluss oder Luftembolie.

Der medizinische Gebrauch von Distickstoffmonoxid als Narkosemittel ist seit langem deutlich rückläufig. Es wurde als geeignet zur Selbstapplikation bei schwachen und mittleren Schmerzen bezeichnet. Vor dem Hintergrund alternativer Narkoseverfahren, verbesserter Gerätetechnik wie etwa die low-flow-Anästhesie und erhöhter Vigilanz bezüglich möglicher Umweltbelastungen (Treibhausgas) wird seit Ende der 1990er Jahre erheblich weniger Distickstoffmonoxid in der Anästhesie verwendet. Halogenierte Anästhetika, etwa Flurane wie Isofluran, Desfluran und Sevofluran, weisen jedoch ebenfalls ein hohes Ozonabbaupotenzial und ein hohes Treibhauspotenzial auf. Aus medizinischer Sicht ist jedoch bei kritischer Abwägung bekannter Effekte gegen die Verwendung von Distickstoffmonoxid als Narkosemittel nichts einzuwenden.

Während einer Inhalationsnarkose löst sich ein Teil des Distickstoffmonoxids in den Körperflüssigkeiten. Wird die Narkose beendet, kann es zu einer Diffusionshypoxie, auch Fink-Effekt genannt, durch die schnelle Rückdiffusion von Distickstoffmonoxid in die Lungenbläschen kommen. Dies führt zu einer Abnahme des Sauerstoffsättigung um 5 % bis 10 % und erreicht zum Teil einen Wert unter 90 % und somit zu einem Sauerstoffmangel. Bei Patienten mit eingeschränkter Lungen- oder Herzreserve kann dies ursächlich für einen Herzstillstand werden. Eine Sauerstoffbeatmung zum Narkoseende verhindert dies zuverlässig.

Distickstoffmonoxid hat bei verschiedenen medizinischen Eingriffen über seine schmerzstillenden Eigenschaften hinaus eine angstlösende Wirkung. Laut der American Society of Anesthesiologists ist die Angstlinderung bei Kaiserschnittgeburten ein Vorteil der Verwendung von Distickstoffmonoxid. Prospektive Studien zeigten signifikant niedrigere Angstwerte bei Patientinnen, die 50 % Distickstoffmonoxid erhielten, im Vergleich zu Patientinnen, die ausschließlich Sauerstoff erhielten.

In jüngster Zeit wird Distickstoffmonoxid zunehmend als Behandlungsmöglichkeit bei schweren, therapieresistenten Depressionen eingesetzt. Dabei wirkt es schnell und stellt eine effektive therapeutische Option dar.

Außerdem wird Distickstoffmonoxid bei der Kryoablation als flüssiges Kühlmittel eingesetzt und in den Kryoballonkatheter geleitet. Dort verdampft es und entzieht dem umliegenden Gewebe Wärme. Durch die Eisbildung werden die betroffenen Herzmuskelzellen zerstört.

Die Verwendung von Distickstoffmonoxid ist in Deutschland in der Technischen Regel für Gefahrstoffe Gefahrstoffe in Einrichtungen der medizinischen Versorgung (TRGS 525) geregelt. Darüber hinaus ist die TRGS 402 Ermitteln und Beurteilen der Gefährdungen bei Tätigkeiten mit Gefahrstoffen – Inhalative Exposition und die TRGS 900 Arbeitsplatzgrenzwerte zu beachten.

Verwendung als Rauschdroge

Karikaturistische Darstellung einer Lach­gas­party (1820)

Distickstoffmonoxid findet wegen seiner dissoziativen Wirkung und der leichten Verfügbarkeit Verwendung als Rauschmittel. Der Rausch beginnt sehr schnell, ist aber von kurzer Dauer. Etwa 10 bis 30 Sekunden nach dem Einatmen erreicht er seinen Höhepunkt und endet innerhalb von ein bis fünf Minuten. Es kommt zu dissoziativen Effekten, starker Veränderung der Geräuschwahrnehmung (Echo, Verzerrung), Kribbeln in den Gliedmaßen Entspannung der Muskeln, traumartigen Halluzinationen und Wohlempfinden, mitunter auch Euphorie und Lachzwängen.

Bei häufigem Konsum besteht die Gefahr einer Schädigung des Rückenmarks (Myelopathie) oder peripherer Nerven (Neuropathie) infolge eines Vitamin-B₁₂-Mangels. Auch eine Gehirnschädigung (Enzephalopathie) ist möglich. Wiederholt kam es bei dieser Anwendung zu Todesfällen.

In Deutschland ist Distickstoffmonoxid als Partydroge verbreitet. Es war in Kartuschen abgefüllt in Automaten und an Kiosken erhältlich. In der Politik wurde daraufhin ein Verkaufsverbot an Jugendliche diskutiert. Im Juli 2025 wurde ein Gesetzentwurf zum Erwerbs- und Besitzverbot von Distickstoffmonoxid für Kinder und Jugendliche beschlossen. Das Gesetz wurde im Januar 2026 verkündet. Demzufolge unterliegen Distickstoffmonoxid und seine Zubereitungen in Kartuschen mit einer Füllmenge von mehr als 8,4 Gramm seit dem 12. April 2026 dem Umgangsverbot nach dem Neue-psychoaktive-Stoffe-Gesetz (NpSG). Erwerb und Besitz sind für Minderjährige verboten. Die Abgabe über Automaten und der Versandhandel an private Verbraucher ist ebenfalls verboten. Als Treibgas beispielsweise für Sprühsahne ist es beschränkt weiterhin erwerbbar: Volljährige können pro Einkauf maximal zehn Kartuschen mit jeweils 8,4 Gramm (NpSG Anlage 2) erwerben.

In den Niederlanden hatte die Zahl schwerer Verkehrsunfälle unter Distickstoffmonoxideinfluss stark zugenommen. Distickstoffmonoxid war dort nach Alkohol die bei Schülern meistkonsumierte Rauschdroge. Dies führte dazu, dass am 1. Januar 2023 in den Niederlanden ein Verbot von Distickstoffmonoxid in Kraft gesetzt wurde. Distickstoffmonoxid 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 Distickstoffmonoxid zu verbringen, zu verkaufen oder zu besitzen.“ Der gewerbliche Einsatz von Distickstoffmonoxid für medizinische und technische Zwecke ist zulässig, ebenso die Verwendung von Distickstoffmonoxid als Zusatz zu Lebensmitteln.

Im Vereinigten Königreich unterlag Distickstoffmonoxid dem Psychoactive Substances Act 2016. Damit war es illegal, Distickstoffoxid herzustellen oder einzuführen, der Besitz war jedoch bis dahin nicht strafbar. Seit dem 8. November 2023 wird es als Droge der Klasse C gemäß dem Misuse of Drugs Act 1971 eingestuft, wonach schon der Besitz von Distickstoffmonoxid eine Straftat ist.

Nahrungsmitteltechnik

In der Nahrungsmitteltechnik wird Distickstoffmonoxid 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.

Verwendung in der Analytik

In der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) wird bei der Flammen-AAS zum Teil Distickstoffmonoxid anstelle von Luft in einer Acetylen-Flamme zur Erzeugung höherer Temperaturen (2800 °C) verwendet. Das Verfahren wurde 1965 entwickelt.

In der Katalyseforschung wird Distickstoffmonoxid bei der Frontalchromatographie angewendet, um die katalytisch wirksame Kupferoberfläche in kupferhaltigen Katalysatoren auf Oxidträgern zu bestimmen. Dabei wird Distickstoffmonoxid bei der Adsorption unter Bildung von Stickstoff und Sauerstoff zersetzt. Der Stickstoff wird in die Gasphase freigesetzt, während der Sauerstoff an der Oberfläche chemisorbiert wird. Die freigesetzte molare Menge Stickstoff entspricht der Anzahl der an der Kupferoberfläche chemisorbierten Sauerstoffatome, die wiederum der Anzahl der katalytisch wirksamen Kupferatome entspricht.

Raketentechnik

In der Raketentechnik, etwa in Hybridraketen wie dem SpaceShipOne, wird Distickstoffmonoxid als Oxidator eingesetzt. Der Vorteil liegt darin, dass es sich ohne Kühlung durch Druck verflüssigen lässt. Daher wird für den Einsatz in solchen Triebwerken nur ein Drosselventil benötigt, jedoch keine Kraftstoffpumpe oder aufwändige Kryotechnik.

Antriebstechnik

→ Hauptartikel: Lachgaseinspritzung

Lachgasbehälter an einer Kawasaki

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 jedoch sowohl dort als auch in Deutschland verboten (mit Ausnahme einer Anlage mit ABE) und den meisten anderen Ländern nur eingeschränkt erlaubt. Der Hersteller Nitro Oxide Systeme (NOS) hat die Herstellung und den Vertrieb von Produkten auf Basis von Distickstoffmonoxid eingestellt.

Im Zweiten Weltkrieg wurden Flugmotoren auf diese Weise in ihrer Leistung gesteigert. Durch das sogenannte GM-1 wurde nicht nur die Motoraufladung verbessert, die Ladeluftkühlung durch die Verdampfung des verflüssigten Distickstoffmonoxids erhöhte auch den thermodynamischen Wirkungsgrad.

Toxikologie

Zu den unmittelbaren Komplikationen, die durch das Einatmen von Distickstoffmonoxid direkt aus dem Gasbehälter hervorgerufen werden, gehören Erfrierungserscheinungen aufgrund der Kälte des Gases durch den Joule-Thomson-Effekt an Lippen, Kehlkopf und Bronchien. Deshalb werden meist abgefüllte Ballons verwendet. Zudem kann es beim Festhalten der Gasbehälter beim Umfüllen des Gases in einen Ballon zu Erfrierungen der Haut kommen, da sich der Behälter bis auf −55 °C abkühlen kann.

Beim Einatmen kann zu einem lebensbedrohlichen Zustand durch einen Pneumothorax kommen, wenn Luft zwischen Lunge und Brustwand gelangt. Der dadurch verursachte Sauerstoffmangel kann zu einer Vielzahl potenziell lebensbedrohlicher Konsequenzen führen, wie beispielsweise Krampfanfällen, akuten Psychosen oder Komas. Mögliche vorübergehende Auswirkungen sind Schwindel, Dissoziation, Desorientierung, Gleichgewichtsstörungen und kognitive Beeinträchtigungen.

Unter Anwendung von Distickstoffmonoxid kann es zur Störung der Wirkung von Vitamin B12 und Folsäure kommen und damit zu den Folgen einer perniziösen Anämie. Distickstoffmonoxid oxidiert im Körper Vitamin B12, welches als Co-Enzym dem Enzym Methionin-Synthase nicht mehr zur Verfügung steht. So kommt es bei einer Anwendung von Distickstoffmonoxid von über sechs Stunden zu einer Funktionsabnahme der Methionin-Synthase, die für die Produktion vieler wichtiger Proteine wichtig ist. Bei Anwendung bei Patienten mit schweren Störungen der Herzmuskelfunktion besteht die Gefahr von unerwünschten Wirkungen auf das Herz- und Blutgefäßsystem, zumal Stickoxydul zu einer zentralen Aktivierung efferenter Sympathikusfasern führt. Zudem kann Distickstoffmonoxid den pulmonalen Gefäßwiderstand steigern.

Das Bundesinstitut für Risikobewertung berichtete im Mai 2025, dass belastbare Daten zur Nutzung von Lachgas in Deutschland bisher nicht vorliegen. Jedoch verzeichnen verschiedene Giftinformationszentren eine Zunahme von Anrufen zu Vergiftungsunfällen mit Lachgas. So wurde beim Giftnotruf Berlin zwischen 2010 und 2015 von ein bis zwei Fällen pro Jahr berichtet. Im Jahr 2022 gab es bereits 7 Fälle und für 2023 wurde von 20 Fällen berichtet. Dabei handelte es sich bisher überwiegend um leichte bis mittelschwere Fälle und nur vereinzelt um schwere Fälle. Im Jahr 2024 wurden 50 Vergiftungsfälle mit Lachgas erfasst. Betroffen waren zum größeren Teil Jugendliche und junge Erwachsene (36 Fälle), überwiegend mit leichter bis mittlerer Symptomatik.

Studien aus europäischen Nachbarländern belegen, dass der Konsum von Lachgas zu schweren und bleibenden Gesundheitsschäden führen kann. Im Großraum Paris wurden zwischen 2018 und 2021 insgesamt 181 Fälle mit schweren Lachgasvergiftungen erfasst, bei denen das Rückenmark oder weitere Teile des Nervensystems teilweise stark geschädigt waren.

Nachweis

Für den Nachweis von Distickstoffmonoxid werden chromatographische, spektroskopische und amperometrische Analysenmethoden verwendet. Weit verbreitet ist der Nachweis mittels Gaschromatographie mit einem Elektroneneinfangdetektor. Weiterhin wird die FTIR-Spektrometrie eingesetzt sowie die elektrochemische Bestimmung mittels amperometrischer Sensoren, wobei die Distickstoffmonoxid-Konzentration durch die Messung eines Stromes bestimmt wird, der bei der Reduktion von Distickstoffmonoxid an einer Elektrode entsteht.

Literatur

• Keith Smith (Hrsg.): Nitrous oxide and climate change. Earthscan, London 2010, ISBN 978-1-84407-757-1.
• Morris S. Clark, Ann. L. Brunick: Handbook of Nitrous Oxide and Oxygen Sedation. Mosby Elsevier, St. Louis 2008, ISBN 978-0-323-04827-9.
• 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.

Weblinks

Commons: Distickstoffmonoxid – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Lachgas – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• ZDFheute Nachrichten: Lachgas: Harmloser Rausch oder Partydroge mit Risiko? auf YouTube, 27. Oktober 2024 (Abgefüllt im Luftballon verspricht Lachgas den ultimativen Partykick. Die bunten Kartuschen stehen in Deutschlands Kiosken frei zum Verkauf. Der Lachgaskick dauert wenige Sekunden, doch der Konsum kann langfristige gesundheitliche Schäden verursachen. Eine ZDF.reportage über den gefährlichen Trend der Partydroge Lachgas.).

Einzelnachweise

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