Kohlenstoffmonoxid

Dieser Kaminofen wird im Wohnzimmer betrieben, in der Küche eine Dunstabzugshaube.
Hier wird der Qualm / Kohlenmonoxyd aus dem Ofen in den Wohnraum gezogen.
Foto: Rainer Schwarz

Masimo RAD 57c - Ein Gerät zum Messen von CO (Kohlenmonoxid) und der Pulsfrequenz
Foto: Rainer Schwarz

Deutlich sichtbar die Gefahr (Rauch / Kohlenstoffmonoxid) bei einem Wohnungsbrand, dehalb mit Atemschutz.
Foto: BF München.

Lebensgefahr: Kohlenstoffmonoxid bzw. die Gefahr einer Rauchgasvergiftung
So viel Rost an einem Abgasrohr hat ein Schornsteinfeger selten gesehen
Bild: Rainer Schwarz

Ofen mit defekter Glasscheibe
Foto: BR

Auch ein solcher Stromgenerator produziert Abgase
Foto: Rainer Schwarz

Hier ein mobiles Gerät für die schnelle und präzise personenbezogene Überwachung und Messung von Kohlenstoffmonoxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff, welches auch dem Eigenschutz dient.
Foto: Rainer Schwarz

In dieser Tiefgarage in Paderborn warnt ein großes Schild vor Kohlenstoffmonoxid
Foto: Rainer Schwarz

Eine Fluchthaube auch Brandfluchthaube. Eine Fluchthaube darf nur zu Fluchtzwecken und nicht während der Arbeit verwendet werden.
Foto: Rainer Schwarz

Pressemeldung:
27.01.2013 - Bielefeld

Grillen in der Wohnung:
Acht Kohlenmonoxid-Vergiftungen; vier Kinder teilweise schwer verletzt. Zwei der Betroffenen (ein Erwachsener und ein Kind) müssen im Krankenhaus sogar intensivmedizinisch versorgt werden. Die Feuerwehr konnte den Grill schnell mit Wasser löschen und die Wohnung lüften.
Quelle: nw-news.de

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Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenstoffmonooxid, gebräuchlich: Kohlenmonoxid, früher auch Kohlenoxyd) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit der Summenformel CO. Kohlenstoffmonoxid ist ein farb-, geruch- und geschmackloses und giftiges Gas. Es entsteht unter anderem bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen, wie z. B. Holz oder Kohle.

Kohlenstoffmonoxid ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zu Kohlendioxid. Als Bestandteil des Stadtgases wurde es in Deutschland bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts als Brenn- und Leuchtgas eingesetzt. Zusammen mit Wasserstoff wird Kohlenstoffmonoxid in der chemischen Industrie zur Herstellung von Methanol und anderen Grundchemikalien benötigt.

Fotos: Rainer Schwarz, 27.03.2010

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  Eine Überprüfung durch den Schornsteinfeger ist erforderlich

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  Dohlennest im Schornstein
  in "130 cm Tiefe" im Schornstein

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  Ein solches Gitter sichert nunmehr den Schornstein und schützt vor Kohlenmonoxid

Fotos: Rainer Schwarz

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  Dieser Ofen wurde im geöffneten Zustand betrieben. Das ist lebensgefährlich.

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  Fehlende Dichtung, defekte Klappe, hier wurde Kohlenstoffmonoxid freigesetzt

Geschichte

Die Verhüttung von Metallerzen nutzte schon im Jahr 1000 vor Christus die reduzierende Wirkung von Kohlenstoffmonoxid in so genannten Rennöfen, ohne jedoch die Natur des Gases zu kennen. Die Griechen und Römer verwendeten es für Exekutionen.Im Jahr 1776 erzeugte der französische Chemiker Joseph de Lassone Kohlenstoffmonoxid durch Erhitzen von Zinkoxid mit Koks. Er nahm fälschlicherweise an, dass es sich dabei um Wasserstoff handele. Joseph Priestley stellte 1799 Kohlenstoffmonoxid durch Überleiten von Kohlenstoffdioxid über heißes Eisen her. Die toxischen Eigenschaften auf Hunde wurden von Claude Bernard um 1846 untersucht.

Vorkommen

Kohlenstoffmonoxid kommt in natürlichen und künstlichen Umgebungen vor. Typische Konzentrationen in der Atmosphäre sind 0,1 ppm In urbanen Umgebungen können durch unbehandelte Autoabgase die Werte zwischen 100 und 200 ppm liegen. Die Konzentration im unverdünnten Abgas eines Automobils ohne Abgaskatalysator beträgt ca. 7000 ppm<ref name=Alaska_CO/>. Tabakrauch enthält signifikante Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid.

In die Atmosphäre kommt Kohlenstoffmonoxid hauptsächlich aus vulkanischen Aktivitäten sowie als Verbrennungsprodukt von Wald- und Buschbränden. Eine unvollständige Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen führt stets auch zu Kohlenstoffmonoxid-Emissionen. In der Atmosphäre wird Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert.

Herstellung

Kohlenstoffmonoxid kann aus zahlreichen Rohstoffen wie z. B. Erdgas, Biogas, Leichtbenzin, Schwerölen, Kohle und Biomasse hergestellt werden, wobei zunächst Synthesegas, eine Mischung von Kohlenstoffmonoxid mit Wasserstoff erzeugt wird, welche dann gereinigt und aufbereitet wird (Synthesegas, Fischer-Tropsch-Synthese).

Bei Temperaturen von etwa 1000 °C beträgt die Konzentration von Kohlenstoffdioxid im Gleichgewicht nur etwa 1 %. Reines CO kann daraus durch rasches Abkühlen als bei Raumtemperatur stabile Verbindung erhalten werden.

Im Labor lässt sich CO durch Zersetzung von Ameisensäure herstellen:

$\mathrm {HCOOH\longrightarrow H_{2}O+CO}$

Der Zerfall wird durch die wasserentziehende Wirkung konzentrierter Schwefelsäure bewirkt, die der Ameisensäure zugetropft wird.

Da Kohlenstoffmonoxid sehr giftig ist, müssen überschüssige Mengen mit speziellen Absorbern aufgefangen oder mit einer Abflammvorrichtung abgeflammt werden. Besondere Vorsicht gilt bei CO-Luft-Gemischen, da sie sehr explosiv reagieren können. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Kohlenstoffmonoxid mit Kupfer(II)-oxid oder Hopcalite katalytisch zu Kohlenstoffdioxid umzusetzen.

Verwendung

Reines Kohlenstoffmonoxid wird vor allem für die Herstellung von Ameisensäure über Methylformiat verwendet. Mit Natriumhydroxid wird Natriumformiat erhalten. Durch Umsetzung von Kohlenstoffmonoxid mit Methanol wird im Monsanto-Prozess Essigsäure erhalten.

Zusammen mit Wasserstoff wird es für die Hydroformylierung von Olefinen eingesetzt sowie für Carbonylierungsreaktionen in der organischen Synthese.

Im Hochofen dient es als Reduktionsmittel für Eisenerz.

Kohlenstoffmonoxid wird zum Binden von Kohlenstofffasern in einer reinen Kohlenstoffmatrix für die Herstellung von CFK verwendet.

Das Mond-Verfahren verwendet Kohlenstoffmonoxid zur Reinigung des Metalls Nickel durch chemische Transportreaktion.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Die Zündtemperatur liegt bei 605 °C<ref name="GESTIS" />. Die kritische Temperatur beträgt −140,2 °C<ref name="GESTIS" />, der kritische Druck liegt bei 35,0 bar<ref name="GESTIS" /> Die Δ_fH⁰_g beträgt −110,53 kJ/mol.

Die Dissoziationsenergie ist noch etwas höher als die des sehr inerten, isoelektronischen Distickstoffmoleküls, nämlich 1070,3 kJ/mol (N₂ 946 kJ/mol).<ref name="Holle" /> Trotz der hohen Elektronegativitätsdifferenz von 1 ist Kohlenstoffmonoxid nahezu unpolar: Es ist unter Druck erst unterhalb von −140 °C verflüssigbar, sein Dipolmoment beträgt lediglich 0,12 Debye. Kohlenstoffmonoxid ist mit einer Dichte von 0,968 zu Luft nur wenig leichter als Luft und steigt nur äußerst langsam nach oben.

Molekulare Eigenschaften

Die Bindungslänge zwischen dem Kohlenstoff- und Sauerstoffatom beträgt in der Festphase 106 pm und in der Gasphase 112,8 pm.<ref name="Holle">Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter; ISBN 978-3-11-017770-1; S. 898.</ref>

Die Molekülstruktur kann am besten mit der Molekülorbitaltheorie beschrieben werden. Die im Vergleich zu organischen Carbonylverbindungen etwa 10 pm kürzere C-O-Bindung weist auf eine partielle Dreifachbindung hin.<ref>J.E. Huheey, E.A. Keiter, R.L. Keiter: Anorganische Chemie: Prinzipien von Struktur und Reaktivität, de Gruyter, 2003, ISBN 3-11-017903-2.</ref>

Chemische Eigenschaften

Die Bildung von Kohlenstoffmonoxid aus den Elementen ist zwar exotherm, allerdings steht Kohlenstoffmonoxid in einem Disproportionierungsgleichgewicht mit Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid. Weil sich dieses Gleichgewicht bei Raumtemperatur nur fast unmessbar langsam einstellt, lässt sich CO trotz der ungünstigen Gleichgewichtslage isolieren – CO ist metastabil. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten des Kohlenstoffmonoxids (Prinzip von LeChatelier). Dies wird beispielsweise bei der Eisenherstellung (Hochofenprozess) genutzt, wo das gasförmige Kohlenstoffmonoxid ein viel effektiveres Reduktionsmittel darstellt als der feste Koks. Die Halbwertszeit von Kohlenstoffmonoxid in der Atmosphäre beträgt etwa ein bis vier Monate, abhängig von der Lufttemperatur und Anwesenheit anderer Gase.<ref>Dr. Peter Bützer: Autokatalysator</ref>

Kohlenstoffmonoxid ist ein gutes und preiswertes Reduktionsmittel und wird in dieser Funktion vielfältig verwendet. Die Oxidationskraft von CO ist hingegen nur schwach ausgeprägt.

Kohlenstoffmonoxid ist ein in der Organometallchemie häufig verwendeter Ligand, die Chemie der Metallcarbonyle ist daher gut erforscht. Kohlenstoffmonoxid zählt zu den Starkfeld-Liganden und ist isoelektronisch zum Distickstoff (N₂) sowie zu den Ionen Cyanid (CN⁻) und Nitrosyl (NO⁺). Durch Ausprägung von sich synergetisch verstärkenden Hin- und Rückbindungen entsteht eine starke Metall-Ligand-Bindung. CO ist ein starker σ-Donator und π-Akzeptor.

Kohlenstoff und Sauerstoff sind bei Kohlenstoffmonoxid sehr fest aneinander gebunden. Zur Spaltung in zwei Atome (homolytische Spaltung) sind 1073 kJ/mol erforderlich. Diese Bindungsenergie ist besonders groß, für N₂ sind nur 946 kJ/mol erforderlich,<ref>Taschenbuch der Chemie, VEB Fachbuchverlag, Deutschland.</ref>

Toxizität

Vorlage:Hauptartikel Kohlenstoffmonoxid ist ein gefährliches Atemgift. Wenn es über die Lunge in den Blutkreislauf gelangt ist, koordiniert es an das zentrale Eisenatom des Hämoglobins und behindert so den Sauerstofftransport im Blut, was zum Tod durch Erstickung führen kann. Symptome einer leichten Vergiftung sind Kopfschmerzen, Schwindel und Grippe-ähnliche Symptome. Höhere Dosen wirken signifikant toxisch auf das zentrale Nervensystem und das Herz. Neben der akuten Vergiftung zeigen sich Folgeschäden. Kohlenstoffmonoxid hat schwerwiegende negative Effekte auf die Fötenentwicklung. Chronische Exposition niedriger Kohlenstoffmonoxid-Konzentrationen kann zu Depressionen führen. Kohlenstoffmonoxid wird leicht über die Lunge aufgenommen. Da Kohlenstoffmonoxid farb-, geruch- und geschmacklos und nicht reizend ist, wird es kaum wahrgenommen. Das individuelle Toleranzlevel variiert.

Im Mittel gelten Belastungen von mehr als 100 ppm als gesundheitsgefährdend. Als MAK-Wert gelten 30 ppm. Kohlenstoffmonoxid kann zu reduzierter Lebenserwartung durch Herzschädigung führen.

Der prozentuale Anteil des im Blut mit Kohlenstoffmonoxid belegten Hämoglobins wird auch als COHb abgekürzt (Kohlenstoffmonoxid-Hämoglobin). Für gesunde Erwachsene besteht nach älteren Studien auch bei Dauerbelastung von acht Stunden täglich bei Konzentrationen bis 115 ppm keine Gefahr; es entstehen lediglich Konzentrationen von 4 % COHb bei Nichtrauchern und 7,6 % bei Rauchern. Neuere Studien belegen jedoch, dass bei Risikogruppen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen schon Belastungen ab 2,7 % Krankheitssymptome verstärken können.<ref name="GESTIS" /> Bei höheren chronischen Belastungen über 150 bis 300 ppm entstehen Schwindelgefühle, Schläfrigkeit, Übelkeit und Erbrechen. Akut tödlich wirkende Mengen des Gases (LD₅₀)<ref name="GESTIS" />: siehe Infobox (oben). Schwerhörigkeit wird bei CO-Belastung um bis zu 50 % verstärkt.

Die individuelle Kohlenstoffmonoxidtoleranz wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie die ausgeführte Tätigkeit, der Atemfrequenz, Vorschädigungen oder Erkrankungen wie Herz-Kreislauferkrankungen, Anämie oder Sichelzellenanämie. Andere Faktoren sind der Atmosphärendruck oder der Grundumsatz.

Kohlenstoffmonoxid bindet etwa 325-mal stärker an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin als Sauerstoff, bei einem Kohlenstoffmonoxidanteil von 0,1 Prozent in der Atemluft wird also etwa die Hälfte der roten Blutkörperchen deaktiviert. Die Giftwirkung des CO wird durch die Proteinumgebung des Häms im Hämoglobin gemindert, so bindet CO an ein ungehindertes Häm etwa 26.000-mal stärker als Sauerstoff. Als Ursache wird angenommen, dass in der Enzymtasche zu wenig Platz ist, um die vom CO bevorzugte lineare Fe-C-O-Geometrie zu erlauben, die vom Disauerstoff bevorzugte gewinkelte Koordination wird dagegen nicht behindert.<ref>James Collman et al: Nature of O2 and CO Binding to Metalloporphyrins and Heme Proteins, 1976.</ref> Bei einem Atemluftanteil von über einem Prozent tritt der Tod binnen ein bis zwei Minuten ein.

Durch die Bindung des CO an Hämoglobin werden konventionelle Pulsoxymeter getäuscht und geben fälschlich hohe Sauerstoffsättigungsraten an. Mit neueren 7-Wellen-Pulsoxymetern kann jedoch auch der CO-gesättigte Anteil des Hämoglobins detektiert werden.<ref>Coulange M, Barthelemy A, Hug F, Thierry AL, De Haro L. Reliability of new pulse CO-oximeter in victims of carbon monoxide poisoning. Undersea Hyperb Med. 2008 Mar-Apr;35(2): S. 107–111; PMID 18500075.</ref> Die äußerlichen Anzeichen einer Kohlenstoffmonoxidvergiftung sind kirschrote Schleimhäute. Nach neueren Untersuchungen mit hohen Fallzahlen (231 Patienten) ist dieses klinische Zeichen insbesondere bei leichteren Vergiftungsformen selten anzutreffen.

Die Farbe ist ein Resultat der tiefroten Hämoglobin-Kohlenstoffmonoxid-Charge-Transfer-Komplexe. Ferner können die nach dem Tod bei der Leiche auftretenden Totenflecke (Livores) durch eben diesen Mechanismus typischerweise ebenfalls leuchtend rot gefärbt sein und somit einen Hinweis auf eine Kohlenstoffmonoxidvergiftung geben. Kohlenstoffmonoxid ist ein Photosynthesegift und schädigt auch das Chlorophyll der Pflanzen.

Patienten mit einer ausgeprägten Kohlenstoffmonoxidvergiftung werden im Allgemeinen intubiert und mit positiv endexpiratorischem Druck (PEEP) und 100 % Sauerstoff beatmet. Durch das deutlich erhöhte Sauerstoffangebot wird das Kohlenstoffmonoxid vom Hämoglobin verdrängt. Auch eine hyperbare Oxygenierung kann erwogen werden.<ref>Weaver et al.: Carbon monoxide poisoning: risk factors for cognitive sequelae and the role of hyperbaric oxygen. Am J Respir Crit Care Med. 2007;176(5): S. 491–497; PMID 17496229.

Biologische Bedeutung

Beim Menschen beträgt der prozentuale Anteil des im Blut mit Kohlenstoffmonoxid belegten Hämoglobins COHb im venösen Blut zwischen 0,7 bis 1,1 %, wovon etwa 0,5 % endogen produziert werden. Ein erhöhter CO-Spiegel in den Zellen führt zur bis zu 1000-fach verstärkten Ausschüttung des Glycoproteins Erythropoetin (EPO).<ref name="gebhard">C.S. Gebhard: Untersuchungen zur Regulation der Kohlenstoffmonoxid-bedingten Stimulation der Erythropoetinsekretion bei der Ratte, Dissertation 2007, Eberhard Karls Universität Tübingen.</ref>

Das Enzym Hämoxygenase baut Häm-Verbindungen, die vorwiegend aus Hämoglobin stammen, unter Freisetzung von Kohlenstoffmonoxid ab. Dieses Enzym sowie eine Guanylatcyclase, welche von CO reguliert wird, konnten im Geruchszentrum des menschlichen Gehirns und im Bulbus olfactorius nachgewiesen werden. Demnach könnte Kohlenstoffmonoxid als gasförmiger Botenstoff für den Geruchssinn dienen. Die aktivierte Guanylatcyclase setzt dann den sekundären Botenstoff cGMP frei.<ref>Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Kohlenmonoxid im Lexikon der Neurologie.</ref> Neben Kohlenstoffmonoxid, cGMP und cAMP wird auch Stickstoffmonoxid als Second Messenger betrachtet.<ref>P. Weydt: Rezeptorvermittelte Kalziumsignale in kultivierten humanen Gliomzellen, 2000, Tectum Verlag, ISBN 3-8288-8137-8.</ref> Sowohl Stickstoff- als auch Kohlenstoffmonoxid können als extrem niedermolekulare, wasserlösliche Gase sehr schnell und relativ unbehindert Biomembranen durchdringen und dienen deshalb als Neurotransmitter bei der Übertragung von Informationen aus dem primären oder sensorischen in das sekundäre oder Langzeitgedächtnis durch das limbische System.

Kohlenstoffmonoxid besitzt bei chronischer Darmentzündung eine entzündungshemmende Wirkung, was auch die vorher rätselhafte Tatsache erklärt, dass Raucher wesentlich seltener an Colitis ulcerosa erkranken als Nichtraucher.

Werden Nieren, die zur Transplantation vorgesehen sind, in einer Lösung aufbewahrt, die Kohlenstoffmonoxid in geringer Konzentration enthält, wird der ansonsten zu beobachtende Anstieg an freiem Häm und Abfall an Cytochrom P450 gehemmt, und so eine zellschädigende Lipidperoxidation vermindert.<ref name="Nakao2008">Vorlage:Literatur</ref> Günstige Wirkungen von Kohlenstoffmonoxid wurden zudem beschrieben in Tiermodellen von septischem Schock, Darmverschluss (Ileus) und Arteriosklerose.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Bei Frauen mit Schwangerschaftshypertonie und Schwangerschaftsvergiftung (Präeklampsie) ist die Kohlenstoffmonoxidkonzentration in der Ausatemluft vermindert.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Raucherinnen haben ein vermindertes Risiko, an Präeklampsie zu erkranken.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Medikamente, welche kontrollierte Mengen an Kohlenstoffmonoxid transportieren und freisetzen können, befinden sich in der Entwicklung.<ref>Vorlage:Literatur</ref>

Nachweis

Im Handel gibt es heute elektronische Sensoren, die den Nachweis von Kohlenstoffmonoxid im Bereich von 50–1000 ppm in der Raumluft gestatten. Bei elektronischen Sensoren sollte gleichzeitig aber kein Wasserstoffgas vorhanden sein, da sonst die Nachweisgenauigkeit deutlich beeinflusst wird. Als präzises Nachweisreagenz dient auch Diiodpentoxid I₂O₅, das in einem U-Rohr bei höheren Temperaturen (ca. 80–160 °C) in Gegenwart von Kohlenstoffmonoxid quantitativ zu elementarem Iod I₂ reduziert wird, bei gleichzeitiger Bildung von Kohlenstoffdioxid CO₂. Durch Rück-Titration des Iods mit Thiosulfat S₂O₃²⁻ (Iodometrie) lässt sich der CO-Gehalt des Gases dann bestimmen. Ditte erforschte schon im Jahr 1870 dieses Verfahren mit Diiodpentoxid. Wasserstoff – auch in höheren Konzentrationen – stört dabei nur sehr minimal die Nachweisgenauigkeit dieser Methode. Durch gleichzeitige quantitative Bestimmung des umgesetzten Kohlenstoffdioxids (Bestimmung durch Leitfähigkeit oder durch Fällung einer Bariumhydroxidlösung) ist die Bestimmung sehr genau.

Name

In der deutschen Norm DIN 32640 „Chemische Elemente und einfache anorganische Verbindungen – Namen und Symbole“ vom Dezember 1986 werden nur die Schreibweisen „Kohlenstoffmonooxid“ und „Carbonmonooxid“ mit „oo“ empfohlen, weil nach den IUPAC-Regeln für die Nomenklatur der anorganischen Chemie Endvokale vorangestellter griechischer Zahlwörter nicht weggelassen werden.

Dagegen werden in der Ausgabe der IUPAC-Nomenklatur von 1990 nur die Schreibweisen „Kohlenstoffmonoxid“ und „Carbonmonoxid“ genannt, zur Verwendung der multiplikativen Präfixe heißt es: „Die abschließenden Vokale der multiplikativen Präfixe werden nicht weggelassen, es sei denn, es liegen zwingende sprachliche Gründe vor. Monoxid ist eine derartige Ausnahme“.<ref>IUPAC: Nomenklatur der Anorganischen Chemie. Deutsche Ausgabe der Empfehlungen 1990. VCH, Weinheim 1994, ISBN 3-527-25713-6, S. 76.</ref>

Literatur

• Hans Beyer, Wolfgang Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie. S. Hirzel Verlag, Stuttgart – Leipzig 1998, 23. überarb. und aktualisierte Auflage, ISBN 3-7776-0808-4

Weblinks

• Gift im Cockpit - Kohlenmonoxid

• Kohlenmonooxid bei seilnacht.com

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