Distickstoffmonoxid (Lachgas)
Distickstoffmonoxid entsteht durch Komproportionierung aus Ammoniumnitrat, ist ein lineares 16-Elektronen-Molekül mit der Atomfolge N-N-O und dient als Narkosegas und Treibgas.
Das Wichtigste in Kürze
- Distickstoffmonoxid \(\ce{N2O}\), Trivialname Lachgas, ist ein farbloses Stickstoffoxid mit Stickstoff in der Oxidationszahl +1.
- Ammoniumnitrat zerfällt bei etwa 170 bis 200 °C durch Komproportionierung von N(−3) und N(+5) überwiegend zu \(\ce{N2O}\) und \(\ce{H2O}\): \(\ce{NH4NO3 -> N2O + 2 H2O}\).
- \(\ce{N2O}\) ist linear und unsymmetrisch mit der Atomfolge \(\ce{N-N-O}\); in beiden Grenzformeln trägt das zentrale N die Formalladung +1.
- Mit 16 Valenzelektronen ist \(\ce{N2O}\) isoelektronisch mit \(\ce{CO2}\), alle Elektronen sind gepaart: diamagnetisch, kein Radikal.
- \(\ce{N2O}\) ist bei Raumtemperatur relativ inert, zerfällt oberhalb von 600 °C in \(\ce{N2}\) und \(\ce{O2}\) und unterhält dann die Verbrennung; Verwendung zur Narkose mit Sauerstoff und als Treibgas.
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Worum es geht
Distickstoffmonoxid, \(\ce{N2O}\), ist das Stickstoffoxid mit der niedrigsten Oxidationsstufe des Stickstoffs. Als Lachgas dient es in der Medizin zur Inhalationsnarkose und in der Pharmazie als Treibgas für Sprays. Für das Verständnis zählen vor allem seine Bildung aus Ammoniumnitrat und sein linearer, unsymmetrischer Bau.
Bildung aus Ammoniumnitrat
Im Labor gewinnt man \(\ce{N2O}\) durch vorsichtiges Erhitzen von Ammoniumnitrat. Das Salz schmilzt bei etwa 170 °C. Zwischen etwa 170 und 200 °C zerfällt die Schmelze überwiegend in Distickstoffmonoxid und Wasser:
\[\ce{NH4NO3 ->[\Delta] N2O + 2 H2O}\]
Formal spaltet das Salz zwei Moleküle Wasser ab. Chemisch steckt eine Komproportionierung dahinter. Das Ammonium-Ion bringt Stickstoff der Stufe −3 mit, das Nitrat-Ion Stickstoff der Stufe +5. Beide treffen sich in der Mitte bei +1. Der Ammonium-Stickstoff gibt dabei vier Elektronen ab, der Nitrat-Stickstoff nimmt vier auf.
Diese Zersetzung wird im Examen gerne gefragt, und zwar mit Blick auf das Hauptprodukt: Bei etwa 200 °C entsteht überwiegend \(\ce{N2O}\). Ammoniak und Salpetersäure spielen dabei nur eine untergeordnete Rolle. Auch Stickstoff und Wasser sind bei dieser Temperatur nicht die Hauptprodukte.
Stickstoff als Hauptprodukt liefert ein anderes Salz, das Ammoniumnitrit. Dort stehen sich die Stufen −3 und +3 gegenüber, ihre Mitte ist 0:
\[\ce{NH4NO2 -> N2 + 2 H2O}\]
Aus Ammoniumnitrat entsteht Stickstoff erst bei einem raschen, explosionsartigen Zerfall. Dabei wird zusätzlich Sauerstoff frei:
\[\ce{2 NH4NO3 -> 2 N2 + O2 + 4 H2O}\]
Ammoniumnitrat ist ein Oxidationsmittel und kann bei starkem Erhitzen oder Verunreinigung explosionsartig zerfallen. Für die Lachgasdarstellung erhitzt man deshalb nur kleine Mengen und hält die Temperatur knapp über dem Schmelzpunkt.
Struktur
Das \(\ce{N2O}\)-Molekül ist linear gebaut, also nicht gewinkelt. Es ist zugleich unsymmetrisch, denn die Atomfolge lautet \(\ce{N-N-O}\). In der Mitte sitzt ein Stickstoffatom, kein Sauerstoffatom. Eine einzige Lewis-Formel beschreibt die Bindung nicht vollständig. Man braucht zwei mesomere Grenzformeln:
\[\ce{N#N^+-O^-} \longleftrightarrow \ce{^{-}N=N^+=O}\]
In der linken Formel trägt der Sauerstoff die negative Formalladung, in der rechten der endständige Stickstoff. Das zentrale N ist in beiden Formeln vierbindig und trägt immer +1. Die linke Formel wiegt etwas stärker, weil Sauerstoff elektronegativer ist. Das reale Molekül liegt dazwischen, ähnlich wie eine Mischfarbe zwischen zwei Grundfarben.
Die Struktur von \(\ce{N2O}\) ist ein Examensklassiker: linear, unsymmetrisch mit der Atomfolge \(\ce{N-N-O}\), isoelektronisch mit \(\ce{CO2}\), diamagnetisch und kein Radikal, Stickstoff mit der Oxidationszahl +1. Achte darauf, dass das Zentralatom ein N ist und in beiden Grenzformeln die Formalladung +1 trägt.
Valenzelektronen und Isoelektronie
Den linearen Bau erklärt die Zahl der Valenzelektronen. Teilchen mit gleicher Atomzahl und gleicher Valenzelektronenzahl sind isoelektronisch und meist gleich gebaut. So zählst du:
- Atome addieren: N bringt 5, O bringt 6, C bringt 4 Valenzelektronen mit.
- Ladung einrechnen: Je negative Ladung ein Elektron dazu, je positive Ladung eines ab.
- Vergleichen: \(\ce{N2O}\) hat 5 + 5 + 6 = 16, \(\ce{CO2}\) hat 4 + 6 + 6 = 16 Valenzelektronen.
Damit ist \(\ce{N2O}\) isoelektronisch mit \(\ce{CO2}\). Dasselbe gilt etwa für das Cyanat-Ion \(\ce{OCN-}\) mit 6 + 4 + 5 + 1 = 16 Elektronen. Erst ab 17 oder 18 Elektronen wird ein Dreiatomer gewinkelt.
| Teilchen | Valenzelektronen | Bau | Radikal |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\) | 16 | linear | nein |
| \(\ce{N2O}\) | 16 | linear | nein |
| \(\ce{N3-}\) | 16 | linear | nein |
| \(\ce{NO2+}\) | 16 | linear | nein |
| \(\ce{NO2}\) | 17 | gewinkelt | ja |
| \(\ce{NO2-}\) | 18 | gewinkelt | nein |
Magnetismus und Oxidationszahl
Mit 16 Valenzelektronen hat \(\ce{N2O}\) eine gerade Elektronenzahl. Alle Elektronen sind gepaart. Das Gas ist daher diamagnetisch und kein Radikal, auch kein Diradikal. Anders verhält sich \(\ce{NO}\) mit 11 Valenzelektronen: Es trägt ein ungepaartes Elektron und ist ein Radikal.
Die Oxidationszahl folgt aus der Summenformel. Sauerstoff zählt −2, zwei Stickstoffatome müssen das ausgleichen: \(2x - 2 = 0\), also \(x = +1\). Dieser Wert ist ein Mittelwert über beide N-Atome.
Lachgas an der Formel erkennen
Unter mehreren Strukturformeln von Stickstoff-Sauerstoff-Teilchen findest du \(\ce{N2O}\) an diesen Merkmalen:
- drei Atome in einer Linie, davon zwei N und ein O
- ein N am Ende, das N in der Mitte mit Formalladung +1
- insgesamt neutral, also ohne Gesamtladung
Das Nitronium-Ion \(\ce{NO2+}\) ist ebenfalls linear, aber symmetrisch mit O an beiden Enden und positiv geladen. Das Azid-Ion \(\ce{N3-}\) enthält drei Stickstoffatome. Nitrit und \(\ce{NO2}\) sind gewinkelt.
Eigenschaften und Verwendung
Bei Raumtemperatur ist \(\ce{N2O}\) ein farbloses Gas. Es ist dann relativ inert. Mit Luftsauerstoff reagiert es nicht heftig, und es zerfällt auch nicht in die Elemente. Diese Trägheit ist kinetisch bedingt, denn der Zerfall braucht eine hohe Aktivierungsenergie.
Lachgas ist der Trivialname für Distickstoffmonoxid, \(\ce{N2O}\). Der Name geht auf die euphorisierende Wirkung beim Einatmen zurück.
Der Name gehört nur zu \(\ce{N2O}\). Stickstoffmonoxid \(\ce{NO}\) ist ein anderes, radikalisches Gas und heißt nicht Lachgas. Es reagiert auch nicht spontan mit Stickstoff zu \(\ce{N2O}\). Mehr zu \(\ce{NO}\) steht bei Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid.
Oberhalb von etwa 600 °C zerfällt \(\ce{N2O}\) in Stickstoff und Sauerstoff:
\[\ce{2 N2O -> 2 N2 + O2}\]
Das entstehende Gemisch enthält ein Drittel Sauerstoff, mehr als Luft. Deshalb unterhält \(\ce{N2O}\) bei höherer Temperatur die Verbrennung. Ein glimmender Span flammt darin wieder auf, ähnlich wie in reinem Sauerstoff. Die Flamme liefert die Wärme, die den Zerfall in Gang hält.
Pharmazeutische Verwendung
In der Medizin dient \(\ce{N2O}\) zur Inhalationsnarkose und Schmerzlinderung. Man gibt es immer im Gemisch mit Sauerstoff, oft als fertiges Gemisch aus gleichen Teilen. Reines Lachgas würde den Sauerstoff aus der Lunge verdrängen und zu Sauerstoffmangel führen.
Als Treibgas nutzt man die geringe Reaktivität des Gases. Es treibt Wirkstoffe aus pharmazeutischen Sprays und schäumt Schlagsahne in Sahnespendern auf. Das Gas löst sich gut im Fett der Sahne und dehnt sich beim Austreten aus.
Quiz
Aussage 1
Das \(\ce{N2O}\)-Molekül ist wie \(\ce{NO2}\) gewinkelt gebaut.
\(\ce{N2O}\) hat 16 Valenzelektronen und ist linear. Gewinkelt sind die 17- und 18-Elektronen-Teilchen \(\ce{NO2}\) und \(\ce{NO2-}\).
Aussage 2
Erhitzt man Ammoniumnitrat auf etwa 200 °C, entstehen als Hauptprodukte Stickstoff und Wasser.
Hauptprodukte sind \(\ce{N2O}\) und Wasser. Stickstoff und Wasser entstehen beim Erhitzen von Ammoniumnitrit.
Aussage 3
Bei höherer Temperatur unterhält Lachgas die Verbrennung, weil es oberhalb von etwa 600 °C in Stickstoff und Sauerstoff zerfällt.
Beim Zerfall \(\ce{2 N2O -> 2 N2 + O2}\) entsteht ein Gemisch mit einem Drittel Sauerstoff.
Aussage 4
Distickstoffmonoxid ist wie Stickstoffmonoxid ein Radikal mit einem ungepaarten Elektron.
\(\ce{N2O}\) hat eine gerade Elektronenzahl, alle Elektronen sind gepaart, es ist diamagnetisch. Nur \(\ce{NO}\) mit 11 Valenzelektronen ist ein Radikal.
Aussage 5
Zur Inhalationsnarkose wird Lachgas im Gemisch mit Sauerstoff verabreicht.
Reines \(\ce{N2O}\) würde Sauerstoffmangel verursachen, daher gibt man es immer zusammen mit \(\ce{O2}\).
Aussage 6
Bei der Bildung von \(\ce{N2O}\) aus \(\ce{NH4NO3}\) komproportionieren Stickstoffatome der Stufen −3 und +5 zur Stufe +1.
Der Ammonium-Stickstoff gibt vier Elektronen ab, der Nitrat-Stickstoff nimmt vier auf, beide landen bei +1.
Aussage 7
\(\ce{N2O}\) und \(\ce{CO2}\) besitzen beide 16 Valenzelektronen und sind daher isoelektronisch.
Für \(\ce{N2O}\) gilt 5 + 5 + 6 = 16, für \(\ce{CO2}\) gilt 4 + 6 + 6 = 16.
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