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Luft in der Chemie: Zusammensetzung und Trennung
Luft ist kein einzelner Stoff, sondern ein Gasgemisch. In trockener Luft stecken vor allem Stickstoff und Sauerstoff, dazu Argon und kleine Anteile weiterer Gase. Auf dieser Seite lernst du, Zusammensetzungsangaben richtig zu lesen und eine Stofftrennung von einer chemischen Reaktion zu unterscheiden.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum Luft ein Gemisch ist
Wenn du einen Luftballon aufbläst, füllst du ihn nicht mit einem einzigen Reinstoff. Viele verschiedene Gase befinden sich gemeinsam darin. Sie sind miteinander vermischt, ohne dass jedes Teilchen chemisch an ein anderes gebunden ist.
Gasgemisch
Ein Gasgemisch enthält mehrere gasförmige Reinstoffe. Die Teilchen der Bestandteile sind gleichmäßig verteilt, bleiben aber die Teilchen ihres jeweiligen Stoffes. In Luft kommen zum Beispiel Stickstoffmoleküle, Sauerstoffmoleküle und einzelne Argonatome nebeneinander vor.
Das ist der entscheidende Unterschied zu einer chemischen Verbindung: In einer Verbindung sind Elemente in einem festen Zahlenverhältnis chemisch gebunden. Die Anteile eines Gemisches können dagegen schwanken. Luft besitzt deshalb keine gemeinsame chemische Formel.
Ein Sauerstoffmolekül bleibt in unverschmutzter Luft ein Sauerstoffmolekül. Es wird nicht schon durch das Mischen mit Stickstoff zu einem neuen Stoff. Erst bei einer chemischen Reaktion, etwa einer Verbrennung, werden Teilchen neu angeordnet und neue Stoffe entstehen.
Was in trockener Luft steckt
Für vergleichbare Zahlen betrachtet man meist trockene Luft. Das bedeutet: Der wechselnde Wasserdampfanteil wird bei dieser Tabelle nicht mitgezählt.
| Bestandteil | Teilchenform | ungefährer Volumenanteil in trockener Luft |
|---|---|---|
| Stickstoff | $N_2$ | 78 % |
| Sauerstoff | $O_2$ | 21 % |
| Argon | $Ar$ | 0,93 % |
| Kohlendioxid und weitere Spurengase | zum Beispiel $CO_2$ | deutlich unter 1 % zusammen |
Kohlendioxid macht als grobe, zeitlich einzuordnende Rundung etwa 0,04 Vol.-% trockener Luft aus. Dieser Anteil ist kein für alle Zeiten unveränderlicher Naturwert. Er verändert sich über längere Zeiträume und kann je nach Ort und Messsituation etwas abweichen.
Die Kurzform 78–21–1 hilft bei der Orientierung: ungefähr 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und knapp 1 % Argon plus Spurengase. Sie ist eine Rundung für trockene Luft.
Denke dir 100 Liter trockene Luft unter gleichen Bedingungen. Darin entsprechen die Volumenanteile ungefähr 78 Litern Stickstoff, 21 Litern Sauerstoff und knapp 1 Liter Argon sowie Spurengasen. Die Gase liegen trotzdem vermischt vor; es gibt im Gefäß keine getrennten Schichten mit genau diesen Volumina.
Volumenanteil ist nicht Massenanteil
Ein Volumenanteil beschreibt, welcher Anteil am gesamten Gasvolumen auf einen Bestandteil entfällt. 21 Vol.-% Sauerstoff bedeuten näherungsweise: Von 100 Litern trockener Luft entfallen 21 Liter auf Sauerstoff, wenn alle Volumina bei gleichem Druck und gleicher Temperatur verglichen werden.
Ein Massenanteil beantwortet eine andere Frage: Welcher Anteil an der Gesamtmasse stammt von einem Bestandteil? Gleich große Stoffmengen verschiedener Gase können unterschiedlich schwer sein. Sauerstoffmoleküle sind zum Beispiel schwerer als Stickstoffmoleküle. Deshalb beträgt der Massenanteil des Sauerstoffs in trockener Luft ungefähr 23 % und nicht 21 %.
Prozentangaben sind nur eindeutig, wenn du die Bezugsgröße kennst. Frage deshalb immer: Geht es um Volumen, Masse oder eine andere Größe? In Tabellen zur Luftzusammensetzung sind meist Volumenanteile gemeint.
Warum feuchte Luft anders zusammengesetzt ist
Luft in deiner Umgebung enthält fast immer Wasserdampf, also Wasser im gasförmigen Zustand. Sein Volumenanteil ist veränderlich: Er hängt unter anderem von Temperatur, Ort und Wetter ab und kann von nahezu 0 % bis zu einigen Volumenprozent reichen.
Kommt Wasserdampf hinzu, muss sich der Anteil der übrigen Gase am Gesamtvolumen entsprechend ändern. Darum werden die gut vergleichbaren Hauptanteile gewöhnlich für trockene Luft angegeben.
Zwei Luftproben können ähnlich viel Stickstoff und Sauerstoff enthalten, aber verschieden feucht sein. Eine Probe aus einem warmen, feuchten Raum kann mehr Wasserdampf enthalten als kalte Außenluft. Die Angabe „78 % Stickstoff“ ist dann nur als gerundete Zusammensetzung der trockenen Luft zu verstehen.
Wasserdampf ist nicht dasselbe wie schwebende Wassertröpfchen. Wasserdampf besteht aus einzelnen $H_2O$-Molekülen im Gaszustand und ist unsichtbar. Nebel besteht dagegen aus winzigen flüssigen Tröpfchen in der Luft.
Ozon: gleicher Stoff, anderer Ort
Ozon besteht aus Molekülen mit drei Sauerstoffatomen und hat die Formel $O_3$. Seine Bedeutung hängt stark davon ab, in welcher Höhe es vorkommt.
- In der Stratosphäre, also in einer höheren Atmosphärenschicht, bildet Ozon die Ozonschicht. Sie nimmt einen wichtigen Teil der energiereichen ultravioletten Strahlung der Sonne auf.
- In Bodennähe gehört Ozon zu den Luftschadstoffen. Es kann Atemwege reizen und Pflanzen schädigen. Es wird dort bei intensiver Sonneneinstrahlung in chemischen Vorgängen aus Vorläuferstoffen gebildet.
„Ozon ist gut“ oder „Ozon ist schlecht“ ist zu ungenau. Entscheidend sind Ort, Konzentration und Wirkung: oben schützt es vor UV-Strahlung, in Bodennähe kann es Lebewesen belasten.
Luft trennen oder Stoffe reagieren lassen
Weil Luft ein Gemisch ist, lassen sich ihre Bestandteile durch physikalische Trennverfahren gewinnen. Industriell wird Luft gereinigt, stark abgekühlt und verflüssigt. Bei der anschließenden fraktionierten Destillation nutzt man unterschiedliche Siedetemperaturen der Bestandteile.
Physikalische Stofftrennung
Bei einer physikalischen Trennung werden vorhandene Stoffe voneinander getrennt. Ihre Teilchenarten bleiben erhalten; es entstehen durch den Trennschritt keine neuen Stoffe.
Das Verflüssigen und Destillieren verwandelt Stickstoff also nicht in Sauerstoff. Es sortiert die bereits vorhandenen Bestandteile nach physikalischen Eigenschaften.
Bei einer chemischen Reaktion werden Atome dagegen neu miteinander verbunden. Dabei entstehen Stoffe mit neuen Eigenschaften.
Beim Verbrennen von Kohlenstoff reagiert dieser mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid:
$$\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$$
Das ist keine Lufttrennung. Sauerstoff wird verbraucht, und mit Kohlenstoffdioxid entsteht ein anderer Stoff. Bei der Destillation flüssiger Luft bleibt ein Sauerstoffmolekül dagegen $O_2$.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Luft als Stoffsystem
- Zusammensetzung
- Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Spurengase
- Wasserdampf mit veränderlichem Anteil
- Angaben lesen
- trockene Luft als Bezugsbasis
- Volumenanteil von Massenanteil trennen
- Ozon einordnen
- Stratosphäre: Schutz vor UV-Strahlung
- bodennah: möglicher Luftschadstoff
- Vorgänge unterscheiden
- Trennung: Stoffarten bleiben erhalten
- Reaktion: neue Stoffe entstehen
- Zusammensetzung