Luft und ihre Bestandteile

Luft kannst du nicht sehen, riechen oder schmecken, trotzdem besteht sie aus Stoffen. Sie ist ein Gemisch aus mehreren Gasen. Den größten Anteil hat Stickstoff mit etwa 78 Prozent. Danach folgt Sauerstoff mit rund 21 Prozent. Das restliche Prozent besteht vor allem aus dem Edelgas Argon, dazu kommen sehr kleine Mengen Kohlenstoffdioxid (etwa 0,04 Prozent) und wechselnde Mengen Wasserdampf.

Ein typischer Fehler ist die Annahme, Luft bestehe hauptsächlich aus Sauerstoff, weil wir ihn zum Atmen brauchen. Tatsächlich ist nur etwa jedes fünfte Gasteilchen in der Luft ein Sauerstoffteilchen. Das ist auch gut so: Reiner Sauerstoff würde Brände extrem beschleunigen. Der reaktionsträge Stickstoff verdünnt den Sauerstoff sozusagen und macht die Luft für uns sicher.

Sauerstoff ist der Bestandteil, der Verbrennungen ermöglicht. Eine Kerze unter einem umgedrehten Glas erlischt, sobald der Sauerstoff im Glas verbraucht ist. Beim Verbrennen und beim Atmen entsteht Kohlenstoffdioxid. Beide Gase lassen sich mit einfachen Nachweisen voneinander unterscheiden: der Glimmspanprobe für Sauerstoff und der Kalkwasserprobe für Kohlenstoffdioxid.

Für die Glimmspanprobe steckst du einen glimmenden, nicht brennenden Holzspan in das zu untersuchende Gas. Ist viel Sauerstoff vorhanden, bekommt die Glut plötzlich genug Nachschub, um wieder aufzuflammen. In normaler Luft mit nur 21 Prozent Sauerstoff reicht das nicht für diesen deutlichen Effekt, deshalb funktioniert der Nachweis nur bei erhöhter oder reiner Sauerstoffkonzentration.

Für die Kalkwasserprobe verwendet man eine klare, wässrige Lösung von Calciumhydroxid. Leitet man ein CO2-haltiges Gas hindurch, entsteht das schwer lösliche Calciumcarbonat, das die Lösung milchig trüb erscheinen lässt. Bläst du zu lange durch einen Strohhalm in Kalkwasser, klart sie sich bei sehr hoher CO2-Konzentration allerdings wieder auf, weil sich lösliches Calciumhydrogencarbonat bildet – ein Detail, das in Klassenarbeiten gern als Zusatzfrage vorkommt.

Sauerstoff wird technisch in großen Mengen benötigt. In Krankenhäusern versorgt reiner Sauerstoff aus Druckflaschen Patienten mit Atemproblemen. In der Stahlindustrie bläst man Sauerstoff in flüssiges Roheisen, um unerwünschten Kohlenstoff schneller herauszubrennen. Schweißer nutzen ein Gemisch aus Sauerstoff und einem Brenngas wie Acetylen, weil reiner Sauerstoff die Flamme deutlich heißer macht als Luft.

Gewonnen wird technischer Sauerstoff meist durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft: Luft wird stark abgekühlt, bis sie flüssig wird, und dann langsam wieder erwärmt. Weil Stickstoff einen niedrigeren Siedepunkt hat (-196 °C) als Sauerstoff (-183 °C), verdampft er zuerst, und übrig bleibt angereicherter flüssiger Sauerstoff.

Der häufigste Fehler wurde schon genannt: Luft wird fälschlich für einen reinen Sauerstoffstoff gehalten. Ein zweiter Fehler ist, die Glimmspanprobe und die Kalkwasserprobe zu vertauschen oder ihre Ergebnisse falsch zu deuten. Ein aufflammender Span zeigt Sauerstoff an, ein erlöschender Span zeigt nur, dass zu wenig Sauerstoff vorhanden ist – das ist kein Nachweis für Kohlenstoffdioxid, auch wenn CO2 oft die Ursache ist.

Auch die Prozentzahlen werden gern verwechselt: In Prüfungen wird manchmal geschrieben, Luft bestehe zu 21 Prozent aus Stickstoff und 78 Prozent aus Sauerstoff – also genau vertauscht. Präge dir die richtige Reihenfolge fest ein: Stickstoff zuerst mit dem größeren Anteil, danach Sauerstoff.