Luft ist ein Gemisch, keine Verbindung
Ein Gemisch besteht aus zwei oder mehr Stoffen, die vermischt, aber nicht durch eine chemische Reaktion verbunden sind. Luft ist ein Gemisch. Woher wissen wir das?
- Die Menge jedes Gases kann sich ändern. In einem vollen Raum hat die Luft mehr Kohlenstoffdioxid. Über dem Meer hat sie mehr Wasserdampf. Eine Verbindung hat immer eine feste Zusammensetzung.
- Jedes Gas behält seine eigenen Eigenschaften. Sauerstoff in der Luft hilft weiter beim Brennen. Stickstoff in der Luft tut das weiterhin nicht.
- Die Gase lassen sich mit physikalischen Methoden trennen. Kühlt man Luft auf etwa −200 °C ab, wird sie flüssig. Erwärmt man sie langsam, verdampft jedes Gas bei seiner eigenen Temperatur (fraktionierte Destillation). Stickstoff siedet bei −196 °C, Argon bei −186 °C, Sauerstoff bei −183 °C.
- Beim Mischen von Gasen zu Luft entstehen weder Wärme noch Licht, anders als bei der Bildung einer Verbindung.
Welche Gase stecken in der Luft?
In trockener, sauberer Luft (nach Volumen):
| Gas | Anteil | Hauptaufgabe |
|---|---|---|
| Stickstoff, N₂ | etwa 78% | Verdünnt den Sauerstoff; Pflanzen bekommen ihn über Bakterien im Boden; wird für Dünger gebraucht |
| Sauerstoff, O₂ | etwa 21% | Atmung (Zellatmung) und Verbrennung |
| Argon, Ar | etwa 0.93% | Reaktionsträges Edelgas |
| Kohlenstoffdioxid, CO₂ | etwa 0.04% | Pflanzen brauchen es für die Fotosynthese; hält Wärme fest |
| Neon, Helium, Krypton, Xenon | winzige Spuren | Edelgase |
Wasserdampf steht nicht in der Tabelle, weil er schwankt: von fast 0% in der Wüste bis etwa 4% im feuchten Regenwald. Die Luft trägt auch Staub, Pollen und Mikroben.
Edelgase: Eigenschaften und Verwendung
Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon sind die Edelgase (Gruppe 18). Ihre Atome haben volle Außenschalen, deshalb reagieren sie kaum. Sie sind farb- und geruchlos.
- Argon: füllt Glühbirnen und schützt beim Schweißen das heiße Metall, damit es nicht verbrennt.
- Helium: sehr leicht und brennt nicht, daher in Wetterballons und Partyballons.
- Neon: leuchtet rot-orange in Leuchtreklamen, wenn Strom hindurchfließt.
- Krypton und Xenon: helle Lampen, zum Beispiel Autoscheinwerfer und Leuchtturmlampen.
Den Sauerstoff in der Luft messen
Idee: Schließe eine bekannte Luftmenge ein. Verbrauche nur den Sauerstoff. Schau, wie stark das Volumen schrumpft.
Methode 1: rostendes Eisen
Schiebe feuchte Eisenwolle ganz nach oben in ein Messrohr. Stelle das Rohr umgekehrt ins Wasser. Über einige Tage rostet das Eisen. Rosten verbraucht Sauerstoff, deshalb steigt Wasser ins Rohr und nimmt seinen Platz ein. Es hört bei etwa 1/5 (21%) des Luftvolumens auf.
Methode 2: Phosphor verbrennen (Glasglocke)
Roter Phosphor wird in einer Glasglocke verbrannt, die im Wasser steht. Er reagiert mit Sauerstoff zu einem weißen festen Oxid, das sich löst. Wenn die Glocke abkühlt, steigt das Wasser etwa 1/5 hoch.
Methode 3: heißes Kupfer und zwei Spritzen
100 cm³ Luft werden zwischen zwei Gasspritzen über heißes Kupfer hin und her geschoben. Das Kupfer wird schwarz (Kupferoxid), weil es den Sauerstoff aufnimmt. Nach dem Abkühlen bleiben etwa 79 cm³ übrig, also waren etwa 21 cm³ Sauerstoff.
Anteil des Sauerstoffs = (verbrauchtes Volumen ÷ Anfangsvolumen) × 100. Das Restgas unterhält keine Verbrennung: Ein brennender Holzspan erlischt darin. Das zeigt, dass es überwiegend Stickstoff ist.
Luftverschmutzung: Quellen, Folgen und Schutz
Ein Schadstoff ist ein Stoff in der Luft, der Lebewesen oder Gebäude schädigt.
| Schadstoff | Hauptquelle | Wirkung |
|---|---|---|
| Feinstaub (PM2.5, PM10, Ruß) | Dieselmotoren, Verbrennen von Ernteabfällen, Staub | Dringt tief in die Lunge ein; Asthma, Herzkrankheiten; Smog |
| Kohlenstoffmonoxid (CO) | Brennstoff verbrennt mit zu wenig Luft; Autoabgase | Giftig: Das Blut kann keinen Sauerstoff mehr transportieren |
| Schwefeldioxid (SO₂) | Verbrennen von schwefelhaltiger Kohle und schwefelhaltigem Öl | Saurer Regen; Atembeschwerden; zerstört Marmor |
| Stickstoffoxide (NO, NO₂) | Heiße Automotoren; Kraftwerke | Saurer Regen; Smog |
| Zusätzliches CO₂, Methan | Verbrennen fossiler Brennstoffe; Landwirtschaft | Halten Wärme fest: globale Erwärmung |
Die Luft schützen
- Öffentliche Verkehrsmittel nutzen, Rad fahren oder zu Fuß gehen; auf Elektro- und Erdgasfahrzeuge (CNG) umsteigen.
- Katalysatoren in Autos wandeln CO und NO in CO₂ und N₂ um.
- Rauchgaswäscher entfernen SO₂ aus dem Rauch von Kraftwerken; schwefelarmen Brennstoff nutzen.
- Keinen Müll und keine Stoppeln verbrennen; Bäume pflanzen; den Luftqualitätsindex (AQI) prüfen und an schlechten Tagen eine Maske tragen.
Probier es zu Hause aus
Drücke einen kleinen Ball aus feuchter Stahlwolle (wie man sie zum Schrubben von Töpfen nimmt) auf den Boden eines hohen Glases. Stelle das Glas umgedreht in einen Teller mit Wasser. Markiere den Wasserstand mit Klebeband. Schau nach 3 Tagen nach. Das Wasser steigt etwa ein Fünftel in den Luftraum hoch. Du hast gerade den Sauerstoff in der Luft gemessen! (Bitte einen Erwachsenen um Hilfe; du brauchst keine Flamme.)
Wichtige Formeln und Definitionen
- Luft nach Volumen: N₂ ≈ 78%, O₂ ≈ 21%, Ar ≈ 0.93%, CO₂ ≈ 0.04%
- Anteil des Sauerstoffs = (Volumen des verbrauchten Sauerstoffs ÷ Anfangsvolumen der Luft) × 100
- Volumen eines Gases in der Luft = Gesamtvolumen × (Prozent ÷ 100)
- Gemisch: Teile nicht chemisch verbunden; Anteile können sich ändern; Trennung durch physikalische Methoden
- Edelgase (Gruppe 18): He, Ne, Ar, Kr, Xe – volle Außenschalen, sehr reaktionsträge
Gelöste Beispiele
1. Ein Klassenzimmer fasst 200 m³ Luft. Wie viel davon ist ungefähr Sauerstoff?
Sauerstoff ≈ 21% von 200 m³ = 0.21 × 200 = 42 m³.
2. Im Kupferversuch schrumpfen 100 cm³ Luft auf 79 cm³. Berechne den Prozentanteil des Sauerstoffs.
Verbrauchter Sauerstoff = 100 − 79 = 21 cm³. Anteil = 21 ÷ 100 × 100 = 21%.
3. Ein Rohr enthält 50 cm³ Luft. Nachdem die Eisenwolle gerostet ist, bleiben 40 cm³ Gas übrig. Wie viel Prozent der Luft waren Sauerstoff? Ist das nah am echten Wert?
Verbraucht = 50 − 40 = 10 cm³. Anteil = 10 ÷ 50 × 100 = 20%. Ja, nah an 21% (kleine Fehler entstehen beim Ablesen der Skala oder weil das Eisen nicht den ganzen Sauerstoff verbraucht hat).
4. Warum nimmt man in Glühbirnen Argon und nicht Sauerstoff?
Sauerstoff würde den heißen Glühfaden verbrennen und zerstören. Argon ist ein Edelgas: Es reagiert nicht, deshalb hält der Glühfaden länger.
Häufige Fehler
- Zu sagen, Luft bestehe hauptsächlich aus Sauerstoff. Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%); Sauerstoff ist nur etwa 21%.
- Luft eine Verbindung zu nennen. Sie ist ein Gemisch: Ihre Zusammensetzung kann sich ändern und ihre Gase lassen sich physikalisch trennen.
- Zu glauben, Kohlenstoffdioxid sei ein großer Teil der Luft. Es sind nur etwa 0.04%, auch wenn es fürs Klima sehr wichtig ist.
- Das Endvolumen statt des verbrauchten Volumens zu nehmen: % Sauerstoff = (Anfang − Ende) ÷ Anfang × 100.