Luft ist ein Gemisch, kein Verbindung
Eines der wichtigsten Dinge, die man über Luft wissen sollte, ist, dass sie ein Gemisch und keine chemische Verbindung ist. Das bedeutet:
- Die Gase in der Luft sind nicht chemisch miteinander verbunden
- Ihre Anteile können leicht variieren (zum Beispiel verändert Luftfeuchtigkeit die Menge an Wasserdampf)
- Die einzelnen Gase können voneinander getrennt werden — zum Beispiel durch Abkühlen der Luft bis sie flüssig wird und anschließendes Verdampfen der verschiedenen Gase bei unterschiedlichen Temperaturen
Wäre Luft eine Verbindung, würde das Trennen ihrer Bestandteile das Aufbrechen chemischer Bindungen erfordern. Da sie ein Gemisch ist, reichen physikalische Methoden aus.
Die Zusammensetzung trockener Luft
Hier ist, woraus trockene Luft (Luft ohne Wasserdampf) besteht:
| Gas | Chemische Formel | Ungefährer Anteil |
|---|---|---|
| Stickstoff | N₂ | ~78 % |
| Sauerstoff | O₂ | ~21 % |
| Argon | Ar | ~0,93 % |
| Kohlendioxid | CO₂ | ~0,04 % |
| Andere Gase (Ne, He, Kr, CH₄…) | verschieden | Spurenmengen |
Beachten Sie, dass Stickstoff und Sauerstoff zusammen etwa 99 % der Luft ausmachen, die wir atmen. Die anderen Gase spielen trotz ihrer geringen Mengen wichtige Rollen.
Außerdem enthält echte Luft immer etwas Wasserdampf (H₂O) — die Menge schwankt von fast 0 % in einer Wüste bis zu etwa 4 % in einem tropischen Regenwald an einem feuchten Tag.
Wenn wir von "Atmen" sprechen, denken wir oft nur an Sauerstoff — aber wir atmen gleichzeitig alle diese Gase ein. Unser Körper verwendet nur den Sauerstoff (etwa 21 %), und wir atmen ein leicht verändertes Gemisch aus: weniger Sauerstoff (~16 %), mehr Kohlendioxid (~4 %) und die gleiche Menge Stickstoff und Argon.
Die Rolle jedes Gases
Stickstoff (N₂) — ~78 %
Stickstoff ist das häufigste Gas in der Luft, ist aber sehr reaktionsträge. Er brennt nicht, unterstützt keine Verbrennung und reagiert nicht leicht mit den meisten Stoffen. Seine Hauptrollen sind:
- Verdünnung des Sauerstoffs — wäre die Luft reiner Sauerstoff, wären Brände viel intensiver und unsere Lungen würden Schaden nehmen
- Nährstoff für Pflanzen — durch den Stickstoffkreislauf wird Stickstoff aus der Luft in Formen umgewandelt, die Pflanzen aufnehmen und zur Bildung von Proteinen nutzen können
Sauerstoff (O₂) — ~21 %
Sauerstoff ist das Gas, das wir zum Leben brauchen. Er wird verwendet bei:
- Atmung — alle lebenden Zellen nutzen Sauerstoff, um Energie aus Glucose freizusetzen
- Verbrennung — Feuer und Verbrennung benötigen Sauerstoff; ohne ihn erlöschen Flammen
- Industrie — Sauerstoff wird bei der Stahlherstellung, beim Schweißen und in Krankenhäusern eingesetzt
Kohlendioxid (CO₂) — ~0,04 %
Obwohl Kohlendioxid weniger als 0,1 % der Luft ausmacht, hat es enorme Bedeutung:
- Fotosynthese — Pflanzen absorbieren CO₂ aus der Luft und wandeln es mit Sonnenlicht in Glucose um
- Treibhauseffekt — CO₂ speichert Wärme in der Atmosphäre und hält die Erde warm genug für Leben
- Industrielle Nutzung — Feuerlöscher, kohlensäurehaltige Getränke, Trockeneis
Argon (Ar) — ~0,93 %
Argon ist ein Edelgas — vollständig reaktionsträge. Es wird verwendet, um Glühbirnen zu füllen (um die Oxidation des Wolframfadens zu verhindern) und um inerte Atmosphären beim Schweißen zu erzeugen.
Wasserdampf (H₂O) — variabel
Wasserdampf ist für Wolken, Regen, Schnee und Luftfeuchtigkeit verantwortlich. Er trägt auch zum Treibhauseffekt bei.
Alltag: Was wir ausatmen
Wenn wir einatmen, enthält die Luft etwa 21 % O₂ und 0,04 % CO₂. Wenn wir ausatmen, enthält das Gemisch etwa 16 % O₂ und 4 % CO₂, zusammen mit Wasserdampf. Unsere Zellen haben Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid als Abfallprodukt der Atmung freigesetzt. Wenn man gegen ein kaltes Fenster atmet, kondensiert der Wasserdampf und beschlägt das Glas — diese Feuchtigkeit ist tatsächlich ein Teil dessen, was wir bei jedem Atemzug ausatmen.
Der Stickstoffkreislauf
Stickstoff macht 78 % der Luft aus, aber die meisten Lebewesen können ihn nicht direkt in seiner gasförmigen Form (N₂) nutzen. Der Stickstoffkreislauf beschreibt, wie Stickstoff zwischen Atmosphäre, Boden, Pflanzen und Tieren zirkuliert:
- Stickstofffixierung — spezielle Bakterien im Boden und in den Wurzeln von Hülsenfrüchten (wie Bohnen und Klee) wandeln gasförmiges N₂ in Ammoniak (NH₃) oder Nitrate (NO₃⁻) um, die Pflanzen aufnehmen können
- Aufnahme — Pflanzen nehmen diese Stickstoffverbindungen über ihre Wurzeln auf und nutzen sie zur Bildung von Proteinen
- Verzehr — Tiere fressen Pflanzen und nutzen Pflanzenproteine, um eigene Proteine aufzubauen
- Zersetzung — wenn Tiere und Pflanzen sterben, zersetzen Bakterien die Proteine zurück in Ammoniak
- Denitrifikation — andere Bakterien wandeln Nitrate zurück in gasförmiges N₂ um und geben es an die Atmosphäre zurück
Wie Lavoisier Sauerstoff in der Luft entdeckte
Im 18. Jahrhundert wussten Wissenschaftler nicht, woraus Luft besteht. Der französische Chemiker Antoine Lavoisier (1743–1794) führte Experimente durch, die zeigten, dass nur ein Teil der Luft Verbrennung und Atmung unterstützt.
Er erhitzte Quecksilber in einem geschlossenen Behälter. Nach einiger Zeit nahm das Quecksilber an Gewicht zu (es bildete sich rotes Quecksilberoxid), und das Luftvolumen im Behälter verringerte sich um etwa ein Fünftel. Das verbleibende Gas (Stickstoff) unterstützte keine Verbrennung.
Lavoisier schloss daraus, dass Luft (mindestens) zwei Gase enthält: eines, das Verbrennung unterstützt (das er Sauerstoff nannte, vom Griechischen für "Säurebildner") und eines, das das nicht tut. Dies war eine revolutionäre Entdeckung, die die alte "Phlogiston"-Theorie der Verbrennung ersetzte.
Alltag: Industrielle Nutzung von Stickstoff und Sauerstoff
Sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff werden industriell aus der Luft gewonnen, indem Luft auf extrem niedrige Temperaturen (unter −196 °C) abgekühlt wird, bis sie sich verflüssigt. Die Flüssigkeit wird dann langsam erwärmt — Stickstoff siedet zuerst bei −196 °C, dann Sauerstoff bei −183 °C, was ihre Trennung ermöglicht. Flüssiger Stickstoff wird zum Einfrieren von Lebensmitteln, zur Konservierung biologischer Proben und zur Kühlung von MRT-Geräten verwendet. Industrieller Sauerstoff wird in Krankenhäusern, Stahlöfen und Raketentriebwerken eingesetzt.
Luft vs. Sauerstoff — ein wichtiger Unterschied
Viele Menschen verwechseln Luft und Sauerstoff. Sie sind NICHT dasselbe:
| Eigenschaft | Luft | Sauerstoff |
|---|---|---|
| Zusammensetzung | Gemisch aus N₂, O₂, Ar, CO₂ usw. | Reines Gas, nur O₂ |
| Farbe | Farblos | Farblos |
| Unterstützt Verbrennung? | Ja (weil es O₂ enthält) | Ja, stärker als Luft |
| Kann direkt eingeatmet werden? | Ja | Ja, in medizinischen Einrichtungen |
Übungsaufgaben
Geben Sie den ungefähren Anteil von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid in trockener Luft an.
Antwort anzeigen
Erklären Sie, warum Luft als Gemisch und nicht als Verbindung bezeichnet wird.