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Die Hauptbestandteile der Luft

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Team Digital
Die Hauptbestandteile der Luft
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Grundlagen zum Thema Die Hauptbestandteile der Luft

Bestandteile der Luft – Chemie

Luft ist die Grundlage für unser Überleben. Wir atmen täglich etwa 12 000 Liter davon ein. Doch aus was besteht Luft eigentlich genau? Das wollen wir uns in den folgenden Abschnitten einmal genauer ansehen.

Zusammensetzung der Luft – einfach erklärt

Die Luft ist ein Gemisch aus Gasen, das die Erde und damit auch uns umgibt. Der größte Teil der Luft, die wir atmen, besteht aus Stickstoff ($\ce{N}$) (elementar tritt Stickstoff nur in Form zweiatomiger Moleküle, auch Distickstoff ($\ce{N2}$) genannt, auf) und macht etwa 78,08 Volumenprozent aus. An zweiter Stelle steht Sauerstoff ($\ce{O2}$) mit einem Anteil von etwa 20,95 Volumenprozent, gefolgt vom Edelgas Argon (Ar) mit etwa 0,9 Volumenprozent. Hingegen beträgt der Volumenanteil von Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) nur etwa 0,03 Volumenprozent. Die übrigen Bestandteile sind andere Edelgase wie Helium ($\ce{He}$), Neon ($\ce{Ne}$), Xenon ($\ce{Xe}$) und andere Gase, wie Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) und Ozon ($\ce{O3}$). Wegen ihres geringen Anteils werden sie auch als Spurengase bezeichnet.

Wie wir nun wissen, setzt sich die Luft unserer Atmosphäre aus unterschiedlichen Gasen zusammen. Bevor wir uns die drei Hauptbestandteile – Stickstoff, Sauerstoff und Argon – genauer ansehen, kannst du dir zur besseren Übersicht noch einmal die Abbildung über die chemische Zusammensetzung der Luft anschauen.

Zusammensetzung der Luft

Die Hauptbestandteile der Luft haben unterschiedliche chemische Eigenschaften und spielen in biologischen Systemen, aber auch für die Industrie, eine wichtige Rolle. Welche das sind, und wo diese eingesetzt werden, schauen wir uns nun näher an.

Luft – Hauptbestandteile

Alle drei Hauptbestandteile der Luft haben gemeinsam, dass sie farb-, geruch- und geschmacklose Gase sind. In Bezug auf die Reaktivität ist Argon sehr träge, da es ein Edelgas ist. Im Vergleich dazu hat Stickstoff eine höhere chemische Aktivität und Sauerstoff ist sehr reaktiv. Argon ist also chemisch betrachtet „sehr faul“, weshalb es so gut wie keine Verbindungen mit Argon gibt. Auch Stickstoff ist chemisch relativ träge. Es kann jedoch zum Beispiel durch einen Blitzschlag zur Reaktion gebracht werden. Auf diese Reaktion werden wir im nächsten Abschnitt näher eingehen. Im Gegensatz dazu ist Sauerstoff sehr reaktionsfreudig und bildet mit vielen chemischen Elementen Oxide, zum Beispiel Schwefeldioxid ($\ce{SO2}$) und Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$). Unter normalen Bedingungen brennen Stickstoff und Sauerstoff nicht, jedoch kann Sauerstoff eine Verbrennung fördern.

Luft – der häufigste Bestandteil Stickstoff

Stickstoff ist der häufigste Bestandteil unserer Luft. Er steht in der IV. Hauptgruppe des Periodensystems und gehört damit zu den Nichtmetallen. Wie bereits erwähnt kann er durch Blitze zur Reaktion gebracht werden. Es ist also eine hohe Energie erforderlich, damit Stickstoff oxidiert wird. Elementar tritt Stickstoff in Form von Distickstoffmolekülen auf, ebenso wie Sauerstoff. So reagiert ein Molekül Stickstoff mit einem Molekül Sauerstoff zu zwei Molekülen Stickstoffmonoxid ($\ce{NO}$).

$\ce{N2 + O2 -> 2 NO}$

Davon reagieren zwei Moleküle unter normalen Bedingungen weiter mit Sauerstoff zu zwei Molekülen Stickstoffdioxid ($\ce{NO2}$) und es entsteht ein braunes Gas.

$\ce{2 NO + O2 -> 2 NO2}$

Unter feuchten Bedingungen bildet sich dann Salpetersäure ($\ce{HNO3}$), aus der wertvoller Nitratdünger hergestellt werden kann.

$\ce{2 NO2 + 2 H2O -> 2HNO3 + H2}$

Aus diesem Grund wird er auch als Stickstoffdünger bezeichnet. Diese Reaktion kann auch im Labor ablaufen. Das Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak ($\ce{NH3}$) aus elementarem Luftstickstoff ist als Haber-Bosch-Verfahren bekannt und spielt für die Landwirtschaft eine wichtige Rolle. Außerdem wirkt Luftstickstoff als „Sauerstoffverdünner“. Nur so ist es möglich, auf der Erde ein Feuer zu entzünden, wie wir es kennen. Das Gas Stickstoff wird auch in der Lebensmittelindustrie verwendet, um verpackte Nahrungsmittel frisch zu halten, zum Beispiel werden Tüten mit Kartoffelchips damit befüllt. Dadurch wird die Oxidation von Lebensmitteln verhindert und das Wachstum aerober Bakterien gehemmt. Stickstoff wird auch in Dioden, Transistoren, integrierten Schaltkreisen und zur Herstellung von rostfreiem Stahl verwendet. Zudem wird er zur Füllung von Reifen benutzt, um den Verschleiß zu verringern.

Luft – der zweithäufigste Bestandteil Sauerstoff

Sauerstoff steht in der VI. Hauptgruppe des Periodensystems und macht mit knapp 21 Volumenprozent den zweitgrößten Anteil unserer Luft aus. Er ist von enormer Bedeutung für das Leben. Wir Menschen und alle anderen aeroben Organismen sind auf ihn angewiesen und könnten ohne Sauerstoff nicht überleben. Wir brauchen Sauerstoff unter anderem zur Energiegewinnung für bestimmte Stoffwechselvorgänge innerhalb der Atmungskette. Daher enthält die Luft, die wir ausatmen, etwa vier Volumenprozent weniger Sauerstoff und vier Prozent mehr Kohlenstoffdioxid. Darüber hinaus ist Sauerstoff eine Voraussetzung für das Feuer. Sauerstoff wird ebenfalls für das Schweißen, die Stahlerzeugung und zur chemischen Synthese benötigt.

Luft – der dritthäufigste Bestandteil Argon

Der Anteil an Argon beträgt etwa 0,9 Volumenprozent. Argon gehört zu den Edelgasen und steht in der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems. Deshalb ist es sehr reaktionsträge – es geht also kaum Reaktionen mit anderen chemischen Elementen ein. Argon wird zum Beispiel in Glühlampen als Füllung eingesetzt und dient als Schutzgas beim Schweißen. Aber auch in Feuerlöschanlagen, bei der chemischen Synthese, bei der Gaschromatografie oder der Weinherstellung kommt Argon zum Einsatz.

Hinweise zum Video Die Hauptbestandteile der Luft

In diesem Video lernst du die Hauptbestandteile der Luft und ihre chemischen Eigenschaften kennen. Du findest auch Übungen zum Thema, um dein Wissen zu testen. Viel Spaß!

Transkript Die Hauptbestandteile der Luft

In der Chemie geht es ja oft um komplizierte Reaktionen, , Gerätschaften Feuer und Explosionen. Aber nicht immer! Manchmal werden auch Dinge behandelt, die wir kaum wahrnehmen und für uns dennoch selbstverständlich sind. So wie die "Luft" zum Atmen. Und deren "Hauptbestandteile" sehen wir uns nun einmal genauer an. Luft umgibt uns fast überall. Als ein Gasgemisch besteht Luft aus vielen verschiedenen Gasen zu unterschiedlich großen Anteilen. Den größten Teil mit insgesamt 99,9 Prozent machen DREI Gase aus. Das sind Sauerstoff mit einundzwanzig Prozent, Stickstoff mit achtundsiebzig Prozent, und Argon mit 0,9 Prozent. Die restlichen 0,1 Prozent setzen sich unter anderem aus Kohlenstoffdioxid Methan, Ozon und Edelgasen wie Helium, Neon und Xenon zusammen. Wegen ihres geringen Anteils werden sie auch als "Spurengase" bezeichnet. In diesem Video lassen wir die aber außen vor. Wir nehmen heute die drei Hauptbestandteile unter die Lupe. Was diese drei Gasen gemeinsam haben, ist, dass sie farb-, geruch- und geschmacklos sind. Über "Luft-Destillation", können die Hauptbestandteile voneinander getrennt werden. Dabei wird die Luft durch starkes Abkühlen und gleichzeitiges Erhöhen des Drucks verflüssigt und anschließend langsam erhitzt, sodass aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte die Komponenten aufgetrennt werden. Gehen wir sie also der Reihe nach durch und starten mit dem häufigsten in der Luft vorkommenden Bestandteil: Stickstoff. Stickstoff kommt in der Luft, als zweiatomiges Molekül vor, N-zwei oder auch Di-Stickstoff genannt. Im Periodensystem der Elemente finden wir Stickstoff in der fünften Hauptgruppe. Damit gehört er zu den Nichtmetallen. Stickstoff ist nicht besonders reaktionsfreudig, das heißt es bedarf sehr viel von außen zugeführter Energie, damit Stickstoff reagiert. In der Natur kann jedoch auch viel Energie hervorgebracht werden, zum Beispiel hier. Durch einen Blitzschlag können aus Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft Stickoxide entstehen. Die Stickoxide können mit Wassertröpfchen aus der Atmosphäre zu Salpetersäure reagieren. Aus Salpetersäure wiederum kann "Nitratdünger", auch "Stickstoffdünger" genannt, hergestellt werden. Und damit kommen wir auch direkt zu den Verwendungsmöglichkeiten von Stickstoff: Als Bestandteil von Proteinen oder anderen Naturstoffen, ist Stickstoff nämlich sehr wichtig für Lebewesen und kann in Form von Dünger beim Wachstum helfen. Außerdem wird Stickstoffgas aufgrund der eben erwähnten Reaktionsträgheit in der Lebensmittelindustrie verwendet, um Nahrungsmittel frisch zu halten. Vielleicht hast du schon einmal auf irgendeiner Verpackung etwas gelesen wie "Unter Schutzatmosphäre verpackt", oder ähnliches. Damit sind Schutzgase oder auch "Inertgase" gemeint, die innerhalb der Verpackung beispielsweise unsere Chips knusprig halten. Ohne Schutzgase wäre also unsere Welt nur halb so knusprig und lebenswert. Flüssigstickstoff hat eine Temperatur von Minus einhundertsechsundneunzig Grad. Das macht flüssigen Stickstoff ideal zum Schockgefrieren. Aufgrund seines sehr niedrigen Siedepunktes wird er daher unter anderem in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie oder in der Medizin verwendet. So, kommen wir nun zum zweithäufigsten Bestandteil der Luft: Sauerstoff. Wie auch Stickstoff kommt Sauerstoff in unserer Luft als zweiatomiges Molekül vor. Sauerstoff steht im Periodensystem der Elemente in der sechsten Hauptgruppe und ist natürlich auch ein Nichtmetall. Er ist von enormer Bedeutung für das Leben auf der Erde, insbesondere für aerobe Organismen, also Sauerstoff-atmende Organismen, zu denen auch wir Menschen gehören. Wir brauchen Sauerstoff unter anderem für unseren Energiestoffwechsel. Daher enthält auch die Luft die wir ausatmen, WENIGER Sauerstoff als die, die wir einatmen. In der Medizin wird Sauerstoff außerdem für die künstliche Beatmung verwendet. Sauerstoff ist sehr reaktiv und bildet mit vielen chemischen Elementen sogenannte "Oxide", wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid oder die bereits erwähnten "Stickoxide". Zudem ist Sauerstoff essentiell für Feuer, da eine Verbrennung chemisch gesehen eine Reaktion ist, in der der Brennstoff mit Sauerstoff reagiert. Zuletzt werfen wir nun noch einen Blick auf den dritthäufigsten Bestandteil in der Luft: Argon. Argon ist ein Edelgas und in der achten und letzten Hauptgruppe im Periodensystem zu finden. Wie alle Edelgase ist auch Argon sehr reaktionsträge – sogar noch um einiges träger als Stickstoff – geht also kaum Reaktionen mit anderen Elementen ein, und wird deswegen ebenfalls als Schutzgas eingesetzt. Es ist SO reaktionsträge, dass es im Gegensatz zu den anderen beiden Gasen nicht einmal mit sich selbst reagiert. Deswegen gibt es hier auch kein zweiatomiges Molekül. Argon wird zum Beispiel in Glühlampen verwendet, um deren Lebensdauer zu erhöhen. Außerdem wird Argon wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit als wärmeisolierendes Füllgas verwendet. Du siehst also, auch aus Elementen wie Argon, die selbst keine Reaktionen eingehen, können wir für uns dennoch irgendwie einen Nutzen erzielen. Und damit kommen wir zur Zusammenfassung. Wir haben uns in diesem Video die Hauptbestandteile der Luft angesehen, die zusammen einen Anteil von 99,9 Prozent ausmachen. Den größten Anteil mit achtundsiebzig Prozent nimmt Stickstoff ein, Sauerstoff hat einen Anteil von einundzwanzig Prozent und Argon macht 0,9 Prozent unserer Atemluft aus. Eine Methode, Luft in die Hauptbestandteile aufzutrennen, ist die Luft-Destillation. Denn die aufgetrennten Komponenten sind für sehr viele Dinge äußerst nützlich. Und schon hat dir dieses Video wieder gezeigt, dass es die Chemie immer wieder schafft, einfach Dinge wie Luft kompliziert erscheinen zu lassen. Fabelhaft!

Die Hauptbestandteile der Luft Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Die Hauptbestandteile der Luft kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die drei Hauptbestandteile der Luft an, die insgesamt 99,9 Prozent der Luft ausmachen.

    Tipps

    Es gibt drei Hauptbestandteile der Luft.

    Wir brauchen Sauerstoff, um atmen zu können.

    Lösung

    Luft umgibt uns fast überall. Doch sie ist nicht einfach „nichts“: Als ein Gasgemisch besteht Luft aus vielen verschiedenen Gasen zu unterschiedlich großen Anteilen.
    Den größten Teil mit insgesamt $99,\!9$ Prozent machen drei Gase aus: Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Da sie fast den gesamten Anteil der Luft einnehmen, werden sie zu den Hauptbestandteilen der Luft gezählt.
    Die Spurengase (Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon, andere Edelgase) nehmen nur einen sehr geringen Anteil von zusammen $0,\!1$ Prozent ein und werden daher nicht dazugezählt.

  • Zeige die Anteile der verschiedenen Gase in der Luft auf.

    Tipps

    Spurengase machen in der Luft nur einen sehr geringen Anteil aus.

    Stickstoff nimmt den größten Anteil an der Luft ein.

    Lösung

    Als ein Gasgemisch besteht Luft aus vielen verschiedenen Gasen zu unterschiedlich großen Anteilen.


    Den größten Teil mit insgesamt $99,\!9$ Prozent machen drei Gase aus: Stickstoff, Sauerstoff und Argon.
    Da sie fast den gesamten Anteil der Luft bilden, werden sie zu den Hauptbestandteilen der Luft gezählt:


    • Stickstoff nimmt den größten Anteil mit $\boldsymbol{78}$ Prozent ein.
    • Sauerstoff ist zu $\boldsymbol{21}$ Prozent in der Luft enthalten.
    • Argon hat im Vergleich zu den anderen beiden Bestandteilen einen relativ geringen Anteil von $\boldsymbol{0,\!9}$ Prozent.
    • Die Spurengase (Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon, andere Edelgase) nehmen nur einen sehr geringen Anteil von $\boldsymbol{0,\!1}$ Prozent ein. Daher werden sie nicht zu den Hauptbestandteilen gezählt.

  • Charakterisiere die Hauptbestandteile der Luft.

    Tipps

    Das Elementsymbol für Sauerstoff kommt von dem Begriff „Oxygenium“.

    Edelgase sind sehr reaktionsträge. Das bedeutet, dass sie keine Verbindungen eingehen.

    Die Edelgase stehen in der achten Hauptgruppe.

    Lösung

    Stickstoff kommt in der Luft als zweiatomiges Molekül vor, $\ce{N2}$ oder auch Di-Stickstoff genannt. Er befindet sich in der fünften Hauptgruppe und zählt zu den Nichtmetallen. Stickstoff ist nicht besonders reaktionsfreudig. Das heißt, es bedarf sehr viel von außen zugeführter Energie, damit Stickstoff reagiert.

    Wie Stickstoff kommt Sauerstoff in unserer Luft als zweiatomiges Molekül vor, also als $\ce{O2}$. Er steht im Periodensystem der Elemente in der sechsten Hauptgruppe und ist auch ein Nichtmetall. Sauerstoff ist sehr reaktiv und bildet mit vielen chemischen Elementen sogenannte Oxide, zum Beispiel Kohlenstoffdioxid oder Stickoxide.

    Argon ist ein Edelgas und in der achten Hauptgruppe im Periodensystem zu finden. Wie alle Edelgase ist Argon ebenfalls sehr reaktionsträge – sogar noch um einiges träger als Stickstoff. Es geht folglich kaum Reaktionen mit anderen Elementen ein. Argon ist so reaktionsträge, dass es – im Gegensatz zu den anderen beiden Gasen – nicht einmal eine Verbindung mit sich selbst eingeht. Deswegen gibt es hier auch kein zweiatomiges Molekül, es kommt also als $\ce{Ar}$ vor.

  • Stelle das Vorkommen und die Verwendung der Hauptbestandteile der Luft dar.

    Tipps

    Bei Gewitter können Stickoxide entstehen.

    Edelgase sind reaktionsträge. Das heißt, sie gehen keine Reaktionen mit anderen Elementen ein.

    Lösung

    Stickstoff ist ein Nichtmetall und reaktionsträge.
    Durch einen Blitzschlag können aus Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft Stickoxide entstehen.
    Als Bestandteil von Proteinen oder anderen Naturstoffen ist Stickstoff sehr wichtig für Lebewesen und kann in Form von Dünger beim Wachstum helfen.
    Außerdem wird Stickstoffgas aufgrund der eben erwähnten Reaktionsträgheit in der Lebensmittelindustrie verwendet, um als Schutzgas Nahrungsmittel frisch zu halten.

    Sauerstoff ist ein Nichtmetall und von enormer Bedeutung für das Leben auf der Erde.
    Wir brauchen Sauerstoff unter anderem für unseren Energiestoffwechsel, daher atmen wir es ein.
    In der Medizin wird Sauerstoff zudem für die künstliche Beatmung genutzt. Sauerstoff ist sehr reaktiv und bildet mit vielen chemischen Elementen sogenannte Oxide, zum Beispiel Kohlenstoffoxide. Des Weiteren ist Sauerstoff essenziell für Feuer, da eine Verbrennung – chemisch gesehen – eine Reaktion ist, bei der ein Brennstoff mit Sauerstoff reagiert.

    Argon steht in der achten Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente und ist somit ein Edelgas. Wie alle Elemente dieser Hauptgruppe ist Argon sehr reaktionsträge, geht also kaum Reaktionen mit anderen Elementen ein, und wird deshalb ebenfalls als Schutzgas eingesetzt.
    Außerdem wird es wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit als wärmeisolierendes Füllgas verwendet.

  • Begründe, wieso die Spurengase nicht zu den Hauptbestandteilen der Luft gezählt werden.

    Tipps

    Es gibt nur eine richtige Antwort.

    Zu den Hauptbestandteilen gehören diejenigen Gase, die den größten Anteil an der Luft einnehmen.

    Lösung

    Als ein Gasgemisch besteht Luft aus vielen verschiedenen Gasen zu unterschiedlich großen Anteilen. Den größten Teil mit insgesamt $99,\!9$ Prozent machen die drei Gase Stickstoff, Sauerstoff und Argon aus. Da sie fast den gesamten Anteil der Luft bilden, werden sie zu den Hauptbestandteilen der Luft gezählt.
    Die Spurengase nehmen nur einen sehr geringen Anteil von $\boldsymbol{0,\!1}$ Prozent der Luft ein. Daher werden sie nicht zu den Hauptbestandteilen gezählt. Dazu gehören Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon und andere Edelgase.

  • Zeige auf, wie Luft verflüssigt werden kann.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Der Aggregatzustand muss sich von gasförmig zu flüssig verändern: Überlege, was passieren muss, damit zum Beispiel gasförmiger Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert.

    Lösung

    Durch die Luft-Destillation können die Hauptbestandteile der Luft voneinander getrennt werden. Bei diesem Prozess, auch Linde-Verfahren genannt, wird die Lufttemperatur auf $-200$ Grad gesenkt und der Druck gleichzeitig stark erhöht. Dadurch verflüssigt sich die Luft.
    Im Anschluss kann die Destillation beginnen. Das bedeutet: Das Gemisch wird langsam wieder erwärmt und aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte der Komponenten aufgetrennt.