Kohlenstoffmonoxid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Kohlenstoffmonoxid
Andere Namen	Kohlenmonoxid, Kohlenstoffmonooxid
Summenformel	CO
CAS-Nummer	630-08-0
Kurzbeschreibung	farb- und geruchloses Gas
Eigenschaften
Molare Masse	28,01 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	1,2506 kg·m−3 (0 °C)[1]
Schmelzpunkt	−205,07 °C[1]
Siedepunkt	−191,55 °C[1]
Löslichkeit	30 mg·l−1 in Wasser (20 °C)[1]
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I F+ Hochent- zündlich T Giftig R- und S-Sätze R: 61-12-E23-E48/23 S: 53-45
MAK	35 mg·m−3[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenstoffmonooxid, gebräuchlicher Kurzname: Kohlenmonoxid) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid und Kohlenstofftrioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide.

Kohlenstoffmonoxid ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet (siehe auch: Boudouard-Gleichgewicht). Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zusammen mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid.

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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“.^[2]

Chemische Eigenschaften

Die Molekülstruktur kann am besten mit der Molekülorbitaltheorie beschrieben werden. Die Länge der Bindung (111 pm) weist darauf hin, dass es sich um eine partielle Dreifachbindung handelt. Das Molekül hat ein geringes Dipolmoment (0,12 D) und wird oft wie folgt dargestellt (Mesomerie):

Zu beachten ist, dass die Oktettregel in den beiden rechten Strukturformeln nicht eingehalten wird.

Kohlenstoffmonoxid bildet sich zwar in exothermer Reaktion aus den Elementen, ist aber thermodynamisch instabil in Bezug auf den Zerfall in Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid. Obwohl diese Zerfallsreaktion bei Raumtemperatur fast unmessbar langsam ist – CO ist metastabil – spielt sie bei höheren Temperaturen eine große Rolle. So nutzt man beispielsweise bei der Eisenherstellung (Hochofenprozess) das sich bei höheren Temperaturen schnell einstellende Gleichgewicht zwischen CO einerseits und C + CO₂ andererseits (Boudouard-Gleichgewicht).

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 sehr guter Ligand zur Metallkomplexierung. Aus diesem Grund sind zahlreiche Metallcarbonyle bekannt. Auch die extreme Giftigkeit (s. u.) ist auf diese Eigenschaft zurückzuführen. 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.

Kohlenstoffmonoxid besitzt mit 1073 kJ/mol die stärkste Bindung eines ungeladenen Moleküls.

Toxizität

Kohlenstoffmonoxid ist ein gefährliches Atemgift und kann zu einer Kohlenstoffmonoxidintoxikation führen. Es bindet, wenn es z. B. mit dem Tabakrauch in den Blutkreislauf gelangt, etwa 210-mal stärker an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin als Sauerstoff. Das bedeutet also, dass wenn Kohlenmonoxid in einem Konzentrationsverhältnis von 1:210 zu Sauerstoff vorliegt (dies entspricht etwa 0,1 Prozent Kohlenstoffmonoxid in der Luft), mit der Zeit 50 % des Hämoglobins im Blut durch CO blockiert werden. Bei 1,28% Kohlenstoffmonoxid in der Luft tritt der Tod innerhalb von 1-2 Minuten ein.^[3][4] Kohlenmonoxid blockiert die Bindungsstellen des Sauerstoffs, indem es eine stärkere koordinative Bindung mit dem Zentralion (Eisen, hier zweiwertig) der Häm-Gruppe in Hämoglobin und Myoglobin eingeht (Komplexbildungsreaktion). Hierdurch wird der Sauerstofftransport im Blut bzw. Muskel blockiert, was zum Tod durch Erstickung führen kann. Diese Bindung wird allerdings durch die Struktur des Hämoglobins im Vergleich zum eigentlichen, im Hämoglobin eingebetteten Sauerstoffträger Häm schon erschwert: Die Affinität von CO, an isoliertes Häm zu binden, ist 26.000 mal stärker als die von Sauerstoff. Wenn der Sauerstofftransport nicht Aufgabe des Hämoglobins wäre, wären schon geringere Mengen Kohlenstoffmonoxids, das auch bei einigen Prozessen im Körper entsteht, tödlich. Collman et al. formulierten hierfür die These, dass Kohlenstoffmonoxid, das aufgrund der Anordnung seines freien Elektronenpaars am C mit einem Winkel von 180° an die sechste Koordinationsstelle des Häm gebunden wird, durch "distale Effekte" quasi verbogen wird und somit die Bindungsreaktion schwieriger wird. ^[5]

Durch die Bindung des CO an Hämoglobin werden Pulsoxymeter getäuscht und geben fälschlich hohe Sauerstoffsättigungsraten an. Die äußerlichen Anzeichen einer Kohlenmonoxidvergiftung sind kirschrote Schleimhäute. Nach neueren Untersuchungen mit hohen Fallzahlen (231 Patienten) ist dieses klinische Zeichen insbesondere bei leichteren Vergiftungsformen selten anzutreffen.^[6] 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 Kohlenmonoxidvergiftung geben.

Kohlenmonoxid ist ein Photosynthesegift und schädigt auch das Chlorophyll der Pflanzen.

Belastbarkeit eines Menschen unter CO-Enwirkung

* Für gesunde Erwachsene scheint bei Dauerbelastung von 8 Stunden bei Konzentrationen unter 50 ppm keine Gefahr zu existieren. Kranke könnten auch schon bei geringeren Belastungen darunter leiden.

• Bei einer milden Belastung von 70 bis 100 ppm über ein paar Stunden tauchen erkältungsähnliche Symptome auf: Nasenlaufen, Kopfschmerzen, wunde Augen und Kurzatmigkeit.
• Bei mittlerer Belastung von 150 bis 300 ppm entstehen Schwindelgefühle, Schläfrigkeit und Übelkeit, sogar Erbrechen.
• Extreme Belastung ab 400 ppm: Bewusstlosigkeit, Hirnschaden und Tod.

Schwerhörigkeit wird bei CO-Belastung um bis zu 50 % verstärkt.

Rettung bei Kohlenmonoxid-Intoxikationen

Kohlenmonoxid reagiert stark exotherm mit Luft, wenn sich ein Zündfunke findet. Schon ein Funke im Lichtschalter oder der Türglocke kann daher eine Explosion auslösen. Für den Helfer bedeutet das, dass Eigensicherung absoluten Vorrang hat und höchste Vorsicht geboten ist. Insbesondere sollte auch die Gefahr einer eigenen Vergiftung berücksichtigt werden. Umluftunabhängiger Atemschutz ist in der Regel zur Rettung, welche in den meisten Fällen durch die Feuerwehr erfolgt, notwendig.

Patienten mit einer Kohlenmonoxid-Vergiftung werden vom Rettungsdienst und Notarzt im Allgemeinen intubiert und mit positiv endexpiratorischem Druck (PEEP) und 100 % Sauerstoff beatmet. Durch das dadurch deutlich erhöhte Sauerstoffangebot kann Kohlenmonoxid vom Hämoglobin verdrängt werden. Falls verfügbar kann unter Umständen eine hyperbare Oxygenierung erwogen werden.^[7][8]

Herstellung

Kohlenstoffmonoxid kann aus zahlreichen Edukten 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). Es entweicht zudem in großen Mengen als Luftschadstoff über Abgas-Emissionen.

Großtechnisch (z. B. aus Koks) kann Kohlenstoffmonoxid unter Einfluss von Energie (Verbrennung) wie folgt hergestellt werden:

Kohlenstoff verbrennt mit Sauerstoff bei Anwesenheit von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid.

Dabei wird das Kohlenstoffdioxid eingesetzt, um ein Verbrennen des Kohlenstoffs zu Kohlenstoffdioxid zu verhindern:

Bei der Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff verbrennt Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid.

Im Labor ist CO durch Zersetzung von Ameisensäure herstellbar:

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

Entsorgung

Da Kohlenmonoxid 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.

Verwendung

Reines Kohlenstoffmonoxid wird vor allem für folgende Anwendungen eingesetzt:

• Herstellung von Ameisensäure über Methylformiat
• Herstellung von Natriumformiat über Natriumhydroxid
• Umsetzung mit Methanol zu Essigsäure
• Umsetzung mit Chlor zu Phosgen
• Carbonylierungsreaktionen in der organischen Synthese
• Reduktionsmittel für z. B. Eisenerz
• Zum Binden von Kohlenstofffasern in einer reinen Kohlenstoffmatrix für die Herstellung von CFK

Quellenangaben

1. ↑ ^{a b c d e f g h} Eintrag zu CAS-Nr. 630-08-0 in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 12. Dezember 2007 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ IUPAC: Nomenklatur der Anorganischen Chemie. Deutsche Ausgabe der Empfehlungen 1990. VCH, Weinheim 1994, ISBN 3-527-25713-6, S. 76.
3. ↑ http://www.lpm.uni-sb.de/chemie/kohlenstoffche/kohlenstoff/texte/Kohlenst06.htm
4. ↑ Hu & Speizer: Environmental and occupational hazards. Carbon Monoxide. In: Harrison´s Principles of Internal Medicine, McGraw-Hill, New York City, 14th edition Seite 2533
5. ↑ James Collman et al: Nature of O2 and CO Binding to Metalloporphyrins and Heme Proteins, 1976
6. ↑ Cevik AA et al. Interrelation between the PSS, CO-Hb levels and in-hospital clinical course of CO poisoning. Int J Clin Pract 2006; 60: 1558-1564 PMID 16918999
7. ↑ 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):491-7. PMID 17496229
8. ↑ Weaver et al. Hyperbaric oxygen for acute carbon monoxide poisoning. N Engl J Med. 2002 Oct 3;347(14):1057-1067. PMID 12362006

Sicherheitsdatenblätter

Sicherheitsdatenblätter für Kohlenstoffmonoxid verschiedener Hersteller in alphabetischer Reihenfolge:

• AirLiquide
• Linde

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