Bestandteile der Luft

Neben Feuer, Wasser und Erde wurde die Luft in der Antike für eines der vier Urelemente gehalten. Bis zum Ende des 18. Jahrhundert galt die Luft als einheitlicher Stoff. Erst die Untersuchungen von Scheele, Priestley, Cavendish und Lavoisier haben gezeigt, dass sie aus mindestens zwei Gasen zusammengesetzt ist, von denen nur eines die Verbrennung ermöglicht und für die Atmung notwendig ist (Sauerstoff), während das andere eine Flamme erstickt (Stickstoff).
Im Jahre 1774 wies Lavoisier die Hauptbestandteile der Luft nach: In der Retorte wurde Quecksilber auf einem Kohleofen mehrere Tage lang am Sieden gehalten. Die Retorte stand durch einen zweimal gebogenen Hals mit einer in einer Glasglocke über Quecksilber abgesperrten, gegebenen Luftmenge in Verbindung. Hierbei verschwand ein Teil der Luft,während sich gleichzeitig das Quecksilber teilweise in ein rotgelbes, kristallines Pulver (Quecksilberoxid) verwandelte. Der zurückgleibende Teil der Luft (Stickstoff) unterhielt im Unterschied zur ursprünglichen Luft weder die Verbrennung noch die Atmung. Die gebildete Quecksilberverbindung spaltete bei stärkerem Erhitzen ein Gas (Sauerstoff) ab, das die Verbrennung viel lefhafter unterhielt als normale Luft. Dessen Volumen entsprach genau dem vorher verschwundenen Luftanteil.

Luft ist ein Gasgemisch, das sich im trockenen Zustand im wesentlichen aus Stickstoff (Volumenanteil 78,08 %) und Sauerstoff (Volumenanteil 20,95 %) zusammensetzt. Mit dem relativ häufigen Edelgas Argon ist ein Volumen von 99,96 % erfasst.

Mittlere Zusammensetzung von trockener Luft in der Troposphäre | Volumenanteile / %
Stickstoff | 78,08
Sauerstoff | 20,95
Argon | 0,934
Neon | 0,0018
Helium | 0,0005
Krypton | 0,0001
Xenon | 0,000 009
Kohlenstoffdioxid | 0,035
Methan | 0,000 17
Distickstoffmonooxid | 0,000 03
Kohlenstoffmonooxid* | 0,000 02
Wasserstoff | 0,000 05
*zeigt starke zeitliche Fluktuationen |

Die Menge der Edelgase Neon bis Xenon und die der großen Zahl sogenannter Spurengase - nur ein Teil ist hier aufgeführt - ist ingesamt so gering, dass man sie nicht mehr in Prozent, sondern in ppmv (parts per million in volume), d. h. in millionstel Volumenteilen, anzugeben pflegt:
ppm bzw. ppmv (10-6 Volumenteile, parts per million)
ppb bzw. ppbv (10-9 Volumenteile, parts per billion)
ppt bzw. pptv (10-12 Volumenteile, parts per trillion)
Die Mischungsverhältnisse sind von den Zustandsgrößen (z. B. p, T) unabhängig und werden oft fälschlicherweise als "Konzentrationen" bezeichnet.

Spurengase sind beispielsweise Schwefel- und Stickstoffverbindungen (einfache Vertreter sind Schwefeldioxid und Ammoniak), Ozon, organische Halogenverbindungen und in der Atmosphäre erzeugte Radikale. Die Lufthülle enthält außerdem noch feste und flüssige Teilchen unterschiedlicher Natur und Herkunft als Schwebeteilchen, Staubpartikel und Aerosole.

Daneben sind in der Atmosphäre wechselnde Anteile Wasser (bis 4 %) in allen Aggregatzuständen vorhanden. Das Wasser ist überwiegend auf die untersten Schichten konzentriert (zu 80 % unterhalb 3000 m Höhe). In der Stratosphäre fehlt es fast völlig (Anteil von nur 1 - 10 ppb). Trotz der vergleichsweise geringen Mengen in der Atmosphäre spielt das Wasser eine besonders wichtige Rolle: Es kommt in allen möglichen Formen, d. h. als Dampf, Nebel, Wolken, Regen und Eis, vor. Infolge von Phasenwechseln ist es an den Energieumsetzungen und damit auch bei der Wetterentwicklung wesentlich beteiligt. Auf Grund der Absorptionseigenschaften im Infraroten ist Wasser für die Erwärmung der Erdatmosphäre von grosser Bedeutung.

Luft als Stoff
Luft ist in dünner Schicht ein farbloses und unsichtbares Gas. Sie nimmt wie jeder andere physikalische Körper einen Raum ein. Die mittleren physikalischen Daten von trockener Luft sind:

molare Masse M = 28,96 g · mol-1
Dichte r = 1,29 kg · m-3 (bei 0 °C und 1013 hPa)
Siedepunkt Tb = -194,3 °C

Die Luft kann in den flüssigen und in den festen Aggregatzustand gebracht werden. Bei der Kompression von Luft wird Wärme frei, beim Entspannen kühlt Luft sich ab (Joule-Thomson-Effekt). Nach diesem Prinzip kann Luft durch mehrmaliges Komprimieren, Kühlen und Entspannen verflüssigt werden.

Direkt nach der Verflüssigung ist Luft praktisch farblos. Bei längerem Stehen nimmt sie immer deutlicher eine bläuliche Farbe an. Dies kommt daher, dass der farblose Stickstoff (Siedepunkt: -196 °C) schneller absiedet als der bläuliche Sauerstoff (Siedepunkt: -183 °C). Mit der Sauerstoffanreicherung nimmt die Dichte, die anfänglich bei 0,9 g · cm-3 gelegen hat, bis zum Wert von 1,1 g · cm-3 zu, so dass frisch verflüssigte Luft auf dem Wasser schwimmt, während länger offen aufbewahrte flüssige Luft untergeht.

Mit flüssiger Luft getränkte kohlenstoffhaltige Stoffe brennen wegen der großen Sauerstoffkonzentration weit energischer als unter gewöhnlichen Bedingungen. Zum Beispiel verbrennt mit flüssiger Luft getränkte Watte unter Aufflammen, ähnlich wie rauchloses Pulver. Auf diesem Effekt beruht die wichtige technische Anwendung der flüssigen Luft bzw. des flüssigen Sauerstoffs bei Sprengarbeiten im Bergwerk. Ein solcher Sprengstoff steht in der Sprengstärke nur wenig hinter dem Dynamit zurück.

Die flüssige Luft läßt sich durch fraktionierte Destillation in ihre Hauptbestandteile zerlegen. Da die Erzeugung flüssiger Luft einen erheblichen Energieaufwand erfordert, verwenden Großverbraucher auch Molekularsiebe zur Zerlegung der Luft in ihre Hauptbestandteile ohne vorherige Verflüssigung.

Molekularsiebe auf Zeolithbasis sind z. B. synthetische Alkali- und Erdalkalialuminiumsilicate, die in ihrem Kristallgitter zahlreiche Hohlräume mit einer sehr großen inneren, adsorptionsfähigen Oberfläche besitzen. Die Hohlräume sind untereinander und nach außen durch Poren mit einheitlichem Durchmesser verbunden. So hat der Typ 5A Poren von 0,5 nm, durch die Sauerstoff (0,28 nm) und Stickstoff (0,30 nm) leicht eindringen können. Die unterschiedliche Adsorption dieser Moleküle an der inneren Oberfäche in Zeolithen läßt Sauerstoff schneller als Stickstoff wieder austreten, so dass eine Trenning möglich ist.