Kohlenstoffmonoxid

Aus Brand-Feuer.de
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Dieser Kaminofen wird im Wohnzimmer betrieben und zeitgleich in der Küche eine Dunstabzugshaube, so dass der Rauch / Kohlenstoffmonoxid aus dem Ofen in den Wohnraum gezogen wird.
Foto: Rainer Schwarz
bei einem Wohnungsbrand ist der Rauch deutlich sichtbar, deshalb mit Atemschutz vorgehen
Foto: BF München
Polizei Wien
bei jeder Verbrennung entsteht Kohlenstoffmonoxid, auch beim grillen, bei einem Gaspilz oder so einem Gasstrahler. Deshalb solche Geräte nicht in geschlossenen Räumen nutzen.
Foto: Rainer Schwarz
Masimo RAD 57c, ein Gerät zum Messen von CO (Kohlenmonoxid) in Parts per million und der Pulsfrequenz
Foto: Rainer Schwarz
solche Gasstrahler werden auch in geschlossenen Räumen genutzt
Foto: Rainer Schwarz
eine bessere Alternative
Foto: Rainer Schwarz
eine Elektroheizung auch eine Alternative zum Gasstrahler, es entsteht kein Kohlenmonoxid
Foto: Rainer Schwarz
deutlich sichtbare Abgase bei einem Zweitakter
Foto: Rainer Schwarz
Prävention, Brandschutzerziehung und Kohlenmonoxid
Vortrag Gefahrenkunde.
Rainer Schwarz und Stefan Budde im Gymnasium Harsewinkel.
Foto: Stefan Budde, KFV Gütrsloh
bei jedem Feuer, bzw. Brand entstehen Brandfolgeprodukte wie z. Rauch und Kohlenmonoxid. Das Verbrennungsdreieck ist bekannt, die Erweiterung ist die Kohlenmonoxidraute
Erstellt: Rainer Schwarz
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 Generator produziert Abgase
Foto: Rainer Schwarz
ein Kohlenmonoxid-Melder in einem Wohnwagen macht Camping sicherer
Foto: Rainer Schwarz
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 darf nur zu Fluchtzwecken und nicht während der Arbeit verwendet werden.
Foto: Rainer Schwarz

Pressemeldung:
27.01.2013, Bielefeld

Grillen in der Wohnung:
Acht Kohlenmonoxidvergiftungen; 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




Kohlenstoffmonoxid (fachsprachlich Kohlenstoffmonooxid, gebräuchlich Kohlenmonoxid) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit der Summenformel CO. Es ist geruchlos, farblos, nicht zu schmecken und geringfügig leichter wie Luft.

Kohlenstoffdioxid hingegen ist auch farb-, geruchlos aber nachhaltig zu schmecken und schwerer wir Luft.

Kohlenmonoxid entsteht unter anderem bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen bei unzureichender Sauerstoffzufuhr. Formal ist das Gas das Säureanhydride|Anhydrid der Ameisensäure, löst sich jedoch kaum in Wasser.



Kohlenstoffmonoxid ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff in blauer, durchsichtiger Flamme zu Kohlenstoffdioxid.
Es ist bei erhöhter Temperatur sehr reaktiv und reagiert mit verschiedenen Übergangsmetallen zu Metallcarbonylen. Mit Schwefel reagiert Kohlenstoffmonoxid zu Carbonylsulfid, mit Alkali-Hydroxiden zu Ameisensäure|Formiaten, mit Halogenen wie Fluor bzw. Chlor reagiert es zu Carbonylhalogeniden wie Carbonylfluorid bzw. Phosgen.
Mit Azoverbindungen reagiert Kohlenstoffmonoxid zu Isocyanaten und mit Ammoniak zum giftigen Formamid. Als Bestandteil des Synthesegases reagiert es in der Fischer-Tropsch-Synthese zu verschiedenen Kohlenwasserstoffen und deren Oxidationsprodukten. Weiterhin wird es zur Synthese von Methanol und Isobutanol verwendet.
Als Bestandteil des Stadtgases wurde es in Deutschland bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts als Brenngas|Brenn- und Leuchtgas eingesetzt.

Das Gas ist giftig, da es stärker an Hämoglobin bindet als Sauerstoff und so den Sauerstofftransport durch das Blut unterbindet. Die Kohlenstoffmonoxidintoxikation ist häufig ein Teilvorgang der Rauchgasvergiftung und der Minenkrankheit nach Einatmung giftiger Gase im Bergbau; sie kann innerhalb kurzer Zeit tödlich sein.


Fotos: Rainer Schwarz, 27.03.2010



Fotos: Rainer Schwarz


Geschichte

Die Verhüttung von Metallerzen nutzte schon im Jahr 1000 vor Christus die reduzierende Wirkung von Kohlenstoffmonoxid in so genannten Rennofen|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-Marie-François de Lassone|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 (Physiologe) um 1846 untersucht.


Vorkommen Atmosphärische Vorkommen

Die mittlere Konzentration von Kohlenstoffmonoxid in der Erdatmosphäre beträgt etwa 90 Parts per billion|Milliardstel Volumenanteil (die englische Bezeichnung für ein Milliardstel ist Parts per million; mit dem Zusatz „v“ für Volumenanteil wird diese Hilfseinheit üblicherweise als „ppbv“ abgekürzt). Insgesamt enthält die Atmosphäre etwa 400 Mega Tonne (Einheit)|tonnen (Mt).

Das Satelliten-Instrument Terra’s Measurements Of Pollution In The Troposphere (MOPITT) erstellte die erste globale Karte für die CO-Konzentration in der niedrigeren Erdatmosphäre. Die MOPITT-Abbildung anbei zeigt die durchschnittliche CO-Konzentration von April, Mai und Juni für die Jahre 2000 bis 2004.

Kohlenstoffmonoxid hat eine mittlere atmosphärische Lebensdauer von etwa zwei Monaten. Die wichtigste Reaktion ist die mit Hydroxyl-Radikalen in der Atmosphäre, wodurch jährlich 2300 Mt (2000–2800 Mt) Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert werden. Böden tragen zur CO-Oxidation mit etwa 300 Mt (200–600 Mt) jährlich bei. Die Oxidationsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration der Hydroxyl-Radikale ab, die mit stärkerer Sonneneinstrahlung und höherem Wasserdampfgehalt zunimmt. In den Tropen beträgt die Lebensdauer etwa einen Monat, in gemäßigten und nördlichen Breiten bewegt sie sich zwischen zwei Monaten im Sommer und mehr als einem Jahr im Winter. Für den Ausgleich der Kohlenstoffmonoxidkonzentrationen zwischen Nord- und Südhalbkugel wäre eine mittlere atmosphärische Lebensdauer von ungefähr einem Jahr erforderlich. Die höheren anthropogenen Emission (Umwelt) auf der Nordhalbkugel führen daher zu einem deutlichen Konzentrationsunterschied zwischen den Hemisphären.

Weltweit gelangen jährlich etwa 2500 Megatonnen (2000–2900 Mt) Kohlenstoffmonoxid in die Atmosphäre oder werden dort gebildet. Etwa die Hälfte davon entsteht bei der unvollständigen Verbrennung fossiler Brennstoffe oder von Biomasse, auch bei Waldbrand|Wald- und Buschbränden. Ein weiterer großer Anteil wird erst in der Atmosphäre durch die Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie Methan oder anderen Flüchtige organische Verbindungen|flüchtigen organischen Verbindungen gebildet. Insgesamt sind etwa 60 % des Kohlenstoffmonoxids vom Menschen verursacht, der Rest ist natürlichen Ursprungs.

Angaben zu den globalen Emissionsraten beruhen auf Schätzungen und sind mit Unsicherheitsfaktoren behaftet. So werden die Kohlenstoffmonoxid-Emissionen aus dem Verkehr mit 500 Mt (300–600 Mt) angegeben, stationäre Anlagen zur Fossile Energie|Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen emittieren 100 Mt (80–200 Mt), die Biomasseverbrennung 600 Mt (300–800 Mt). Durch die Oxidation von Methan entstehen 600 Mt (400–800 Mt), beim Abbau anderer flüchtiger organischer Verbindungen 500 Mt (300–700 Mt). Weitere biogene Quellen setzen etwa 200 Mt (100–400 Mt), Böden etwa 30 Mt und die Ozeane etwa 10 Mt jährlich frei.

Böden können sowohl Quellen als auch Senken für Kohlenstoffmonoxid sein. In Arides Klima|Trockengebieten geben Böden Kohlenstoffmonoxid ab, vermutlich durch die Abiotische Faktoren|abiotische Zersetzung organischer Substanz unter dem Einfluss von Licht und hohen Temperaturen.

Ozeane sind in Bezug auf Kohlenstoffmonoxid übersättigt. Im Atlantischer Atlantischen Ozean beträgt die Konzentration etwa das zehn- bis vierzigfache der atmosphärischen Gleichgewichtskonzentration, wobei biologische Quellen als Verursacher angenommen werden.

In den Gasen hawaiianischer Vulkane wurde eine Konzentration von 3700 ppm (Parts per million) Kohlenstoffmonoxid gemessen.

Die Infrarotspektroskopie|Hauptinfrarotabsorptionsbande des Kohlenstoffmonoxids liegt bei einer Wellenzahl von 2143  Meter#Gebräuchliche dezimale Vielfache|cm −1 (Wellenlänge etwa 4,67  µm) und damit weit vom spektralen Maximum der Infrarotstrahlung der Erde, die bei einer Wellenzahl von ungefähr 1000 cm−1 (10 µm) liegt, entfernt. Kohlenstoffmonoxid trägt daher durch direkte Absorption nur wenig zum Treibhauseffekt bei. In der Troposphär erfolgt die Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie Methan zu Kohlenstoffdioxid ebenfalls über Hydroxyl-Radikale. Als Zwischenprodukt entsteht bei der Methanoxidation ebenfalls Kohlenstoffmonoxid. Der Effekt des Kohlenstoffmonoxids bezüglich des Treibhauseffekts liegt in seiner Bedeutung als Senke für diese Hydroxyl-Radikale, die dadurch der Umwandlung von direkten Treibhausgasen wie Methan nicht mehr zur Verfügung stehen. Auch Methanol, nach Methan das zweithäufigste organische Gas in der Erdatmosphäre, das in Konzentrationen von 0,1 bis 10  Parts per billion#Mischungsverhältnisse (ppbv, ppbw)|ppbv vorkommt, ist eine bedeutende atmosphärische Quelle für Kohlenstoffmonoxid, wobei ein Großteil des Methanols von Pflanzen emittiert wird.

In Urbanisierung|städtischen Umgebungen können durch unbehandelte Autoabgase die Werte zwischen 100 und 200 ppm liegen. Die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid im unverdünnten Abgas eines Automobils ohne Abgaskatalysator beträgt etwa 7000 ppm. Bei Fahrzeugen mit Drei-Wege-Katalysator und richtig eingestellter Lambdasondenregelung dient Kohlenstoffmonoxid im Idealfall zur Reduktion der Stickoxide, wobei es selbst zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Durch hohe Abgastemperaturen und die damit verbundene Einstellung des Boudouard-Gleichgewichts enthalten Abgase von Personenkraftwagen mit Ottomotor immer einen gewissen Anteil an Kohlenstoffmonoxid. In den Abgasnorm|Abgasnormen Euro 5 und 6 ist ein Grenzwert von 1000 ppm festgelegt, für Fahrzeuge mit Dieselmotor beträgt der Grenzwert 500 ppm. In den Vereinigten Staaten ging im Jahr 2002 mehr als die Hälfte der troposphärischen Kohlenstoffmonoxidemissionen auf den Betrieb von Fahrzeugen zurück, etwa 61 von 117 Millionen Tonnen. In Ballungsgebieten waren Abgase von Fahrzeugen für etwa 75 % aller Kohlenstoffmonoxidemissionen verantwortlich. Der Kohlenstoffmonoxid-Ausstoß dieser mobilen Quellen ist seit Anfang der 1990er Jahre um etwa 5 % pro Jahr rückläufig

Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen sind die Vorläufermoleküle für die Bildung von Ozon (O3) in der Troposphäre. Die Ozonbildung erfolgt über die Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) durch Autoxidation#Mechanismus|Peroxyradikale, die zum Beispiel bei der Oxidation von Kohlenstoffmonoxid gebildet werden. Diese reagieren sehr schnell mit vorhandenem Stickstoffmonoxid unter Bildung von Stickstoffdioxid. Durch Photolyse des Stickstoffdioxids entsteht Ozon.

Die Verteilung sowie die Quellen und Senken von Kohlenstoffmonoxid unterscheiden sich zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre. In der Stratosphäre entsteht fortlaufend durch Kernreaktionen das Kohlenstoff-Isotop Liste der Isotope/bis Ordnungszahl 10#6 Kohlenstoff|14C, etwa wenn das mit Abstand häufigste Stickstoff-Isotop Liste der Isotope/bis Ordnungszahl 10#7 Stickstoff|14N von einem Neutron getroffen wird. Wird ein Neutron eingefangen und dafür ein Proton abgespalten, entsteht aus dem 14N-Kern ein 14C-Kern. Der entstehende Kohlenstoff wird zunächst zu Kohlenstoffmonoxid oxidiert. Die Verweilzeit (Atmosphäre)|Verweilzeit des Kohlenstoffmonoxids in der Stratosphäre hängt unter anderem von der Konzentration von Hydroxyl-Radikalen ab, durch die es zum Kohlenstoffdioxid oxidiert wird.


Vorkommen in Gebäuden

In Wohngebäuden liegt die normale Konzentration bei 0,5 bis 5 ppm, wobei in der Nähe von Gasbrennern Konzentrationen von bis zu 15 ppm auftreten können. Kohlenstoffmonoxid hat eine Dichte von 96,5 % der Luftdichte|Dichte von Luft, ist also geringfügig leichter.
Sofern genug Kamineffekt gegeben ist, steigt bei unvollständiger Verbrennung von Kohlenstoff entstehendes Kohlenstoffmonoxid mit dem warmen Abgas über den Kamin schnell auf. Bei schlechtem Kaminzug eines Kaminofens kann Kohlenstoffmonoxid in die Raumluft gelangen und zu Vergiftungen führen. Die Gründe für die Abgas-Rückströmung oder deren ungenügende Abführung sind vielfältig. So können Wind, veraltete oder schlecht eingestellte und gewartete Heizkessel, ein eingeschalteter Dunstabzugshaube oder eine eingeschaltete Zentralstaubsaugeranlage Gegendruck verursachen, der zu einer Abgas-Rückströmung führen kann. Undichte Kamine und Öfen, falsch bemessene oder, etwa durch Wespen- oder Dohlenest, blockierte Kamine können einen genügenden Abzug der Abgase verhindern. Weitere Quellen für Kohlenstoffmonoxid in Wohnräumen sind Grillen über Holzkohle, Holzfeuer, Autoabgase von angeschlossenen Garagen und die Verwendung von mit Verbrennungsmotoren betriebenen Belüftungsgeräten und Generatoren können Kohlenstoffmonoxidquellen sein.

Tabakrauch enthält signifikante Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid. Zehn gerauchte Zigaretten erhöhen in einem ungelüfteten, 30 m³ großen Raum die Konzentration um etwa 22 ppm Kohlenstoffmonoxid.


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:

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 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff|CFK verwendet.

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


Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Die Zündtemperatur liegt bei 605 °. Die Kritische Temperatur (Thermodynamik)|kritische Temperatur beträgt −140,2 °C, der Kritischer Punkt (Thermodynamik)|kritische Druck liegt bei 35,0 bar Die Standardbildungsenthalpie|ΔfH0g beträgt −110,53 kJ/mol.

Die Dissoziation (Chemie)|Dissoziationsenergie ist noch etwas höher als die des sehr inerten, isoelektronischen Stickstoff|Distickstoffmoleküls]], nämlich 1070,3 kJ/mol (N2 946 kJ/mol). Trotz der hohen Elektronegativitätsdifferenz von 1 ist Kohlenstoffmonoxid nahezu unpolar: Es ist unter Druck erst unterhalb von −140 °C verflüssigbar, sein Dipol-Molekül|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  Meter|pm und in der Gasphase 112,8 pm.

Die Molekülstruktur kann am besten mit der Molekülorbitaltheorie beschrieben werden. Die im Vergleich zu organischen Carbonylgruppe|Carbonylverbindungen etwa 10 pm kürzere C-O-Bindung weist auf eine partielle Dreifachbindung hin.


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 Boudouard-Gleichgewicht|Gleichgewichtslage isolieren – CO ist metastabil. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten des Kohlenstoffmonoxids (Prinzip vom kleinsten Zwang|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.

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 Spektrochemische Reihe|Starkfeld-Liganden und ist isoelektronisch zum Stickstoff|Distickstoff (N2) sowie zu den Ionen Cyanid (CN) und Nitrosylverbindungen|Nitrosyl (NO+). Durch Ausprägung von sich Synergie|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 Bindungsdissoziationsenthalpie|Bindungsenergie ist besonders groß, für N2 sind nur 946 kJ/mol erforderlich.


Toxizität Allgemeines

Kohlenstoffmonoxid ist ein gefährliches Atemgift, da es leicht über die Lunge aufgenommen wird. Da das Gas farb-, geruch- und geschmacklos und nicht Reizende Stoffe|reizend ist, wird es kaum wahrgenommen. Das individuelle Toleranzlevel variiert. Im Laufe der Jahre kam es immer wieder zu spektakulären Unfällen mit Kohlenstoffmonoxid, etwa dem Eisenbahnunfall von Balvano (1944) oder dem Kellogg (Idaho)#Geschichte|Bergwerksunglück von Kellogg (1972), bei denen es zum Teil hunderte Todesfälle zu beklagen gab.

Wenn es über die Lunge in den Blutkreislauf gelangt ist, verbindet es sich mit dem zentralen Eisenatom des Hämoglobins und behindert so den Sauerstofftransport im Blut, was zum Tod durch Erstickung führen kann. Symptome einer leichten Vergiftung sind Kopfschmerzen, Vertigo|Schwindel und grippeähnliche Symptome. Höhere Dosen wirken signifikant toxisch auf das Zentralnervensystem und das Herz. Kohlenstoffmonoxid gilt als Ursache für mehr als die Hälfte aller tödlichen Vergiftungen weltweit. In den Vereinigte Staaten|Vereinigten Staaten starben laut einer Studie zwischen 1979 und 1988 über 56.000 Menschen an einer Kohlenstoffmonoxidvergiftung, wobei in mehr als 25.000 Fällen die Vergiftung in Suizid durch Kohlenmonoxidvergiftung|Suizidabsicht erfolgte. Über 15.000 Fälle standen in Zusammenhang mit Bränden, und in mehr als 11.000 Fällen handelte es sich um unbeabsichtigte, nicht mit Bränden zusammenhängende Todesfälle. Die Zahl der unbeabsichtigten Vergiftungen durch Automobilabgase ist durch den verbreiteten Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren stark rückläufig. In Deutschland gibt es seit dem 1. August 1990 eine Meldepflicht für Kohlenstoffmonoxidvergiftungen. Von diesem Stichtag bis zum 31. Dezember 2008 wurden dem Bundesinstitut für Risikobewertung über 57.000 ärztliche Mitteilungen zu Vergiftungen oder Verdachtsfällen gemeldet, also etwa 3000 pro Jahr.


Wirkung

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 Tabakrauchen|Rauchern. Neuere Studien belegen jedoch, dass bei Risikogruppen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen schon Belastungen ab 2,7 % Krankheitssymptome verstärken können. Schwerhörigkeit wird bei CO-Belastung um bis zu 50 % verstärkt. Andere Quellen, die sich auf neuere Studien beziehen, gehen jedoch davon aus, dass bereits Werte von 2–5 % COHb zu ersten Symptomen führen. Zum Beispiel stören schon, kaum merklich, 2 % COHb die Zeitempfindung.<ref>Markus Fritz: Klipp und klar. 100 × Umwelt. Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1977, ISBN 3-411-01706-6, S. 18.</ref> Bei COHb-Werten von unter 20 % treten Müdigkeit, Kopfschmerzen, Tachykardie|Herzrasen und Sehstörungen auf. Im Bereich von 20 bis 30 % sind Symptome wie Benommenheit, Vertigo|Schwindel und Muskelschwäche bekannt. Im Bereich von 30 bis 50 % COHb treten Übelkeit, Erbrechen, Konzentrationsstörungen, Tinnitus|Ohrensausen, Bewusstseinsverlust und Synkope (Medizin)|Kreislaufkollaps auf. Die Haut färbt sich rosa. Ab einem COHb-Wert von 50 % tritt eine tiefe Bewusstlosigkeit ein, begleitet von Krämpfen und Atemstörungen. Es herrscht dann akute Lebensgefahr. Der Tod tritt ein bei COHb-Werten von 60 bis 70 %. Etwa 85 % des eingeatmeten Kohlenstoffmonoxids sind im Blut gebunden, die restlichen 15 % sind im Myoglobin als kirschrotes Carboxymyoglobin gebunden.

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

Kohlenstoffmonoxid bindet etwa 250 bis 325-mal stärker an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin als Sauerstoff, bei einem Kohlenstoffmonoxidanteil von 0,1 % in der Atemluft wird also etwa die Hälfte der roten Blutkörperchen deaktiviert. Die Giftwirkung des Kohlenstoffmonoxids wird durch die Proteinumgebung des Häms im Hämoglobin gemindert, so bindet Kohlenstoffmonoxid 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 Kohlenstoffmonoxid bevorzugte lineare Fe-C-O-Geometrie zu erlauben, die vom Disauerstoff bevorzugte gewinkelte Koordination wird dagegen nicht behindert. Bei einem Atemluftanteil von etwa 0,5 Vol.-% tritt der Tod binnen weniger Minuten ein. Die Eliminationshalbwertszeit des Kohlenstoffmonoxids aus dem Blut beträgt 2 bis 6,5 Stunden, abhängig von der aufgenommenen Menge an Kohlenstoffmonoxid und der Ventilationsrate des betroffenen Menschen.


Folgeschäden

Neben der akuten Vergiftung zeigen sich Folgeschäden. Kohlenstoffmonoxid hat schwerwiegende negative Effekte auf die Fötenentwicklung. Chronische Exposition (Medizin)|Exposition niedriger Kohlenstoffmonoxidkonzentrationen kann zu Depressionen führen. Im Mittel gelten Belastungen von mehr als 100 ppm als gesundheitsgefährdend. Als Arbeitsplatzgrenzwert (AGW – früher: MAK-Wert) gelten 30 ppm. Kohlenstoffmonoxid kann durch Herzschädigung die Lebenserwartung mindern. Eine beruflich bedingte Kohlenstoffmonoxidvergiftung ist als Berufskrankheit anerkannt. Zwischen 2005 und 2008 wurden laut den Berichten des Bundesministerium für Arbeit und Soziales|Bundesministeriums für Arbeit und Soziales etwa 126 Erkrankungen durch Kohlenstoffmonoxid pro Jahr gemeldet.

2021 hat die Weltgesundheitsorganisation ihre Luftgüte-Richtlinie nach unten hin angepasst. Die neue Empfehlung bei Kohlenstoffmonoxid liegt bei 4 mg/m3 im 24-Stunden-Mittel.


Diagnostik

Durch die Bindung des Kohlenstoffmonoxids an Hämoglobin werden konventionelle Pulsoxymetrie|Pulsoxymeter getäuscht und geben fälschlich hohe Sauerstoffsättigungsraten an. Mit neueren 7-Wellenlängen-Pulsoxymetern kann jedoch auch der CO-gesättigte Anteil des Hämoglobins detektiert werden. Die äußerlichen Anzeichen einer Kohlenstoffmonoxidintoxikation|Kohlenstoffmonoxidvergiftung sind kirschrote Schleimhaut|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 diesen Mechanismus ebenfalls leuchtend rot gefärbt sein und somit einen Hinweis auf eine Kohlenstoffmonoxidvergiftung geben.


Therapie

Patienten mit einer ausgeprägten Kohlenstoffmonoxidvergiftung werden im Allgemeinen Endotracheale Intubation|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.

Die Halbwertszeit, mit der die erhöhte CO-Konzentration im Blut (CO-Hämoglobin|Hb]]-Wert) durch Abatmen in Frischluft sinkt, beträgt etwa 3–8 Stunden. Die Halbwertszeit kann durch forcierte Sauerstofftherapie (Hyperventilation mit reinem Sauerstoff mittels orotrachealer Intubation) auf bis zu 45 Minuten gesenkt werden.


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 Glykoprotein|Glycoproteins Erythropoetin (EPO).

Das Enzym Hämoxygenase baut Häme (Stoffgruppe)-Verbindungen, die vorwiegend aus Hämoglobin stammen, unter Freisetzung von Kohlenstoffmonoxid ab. Dieses Enzym sowie eine Guanylylcyclase|Guanylatcyclase, welche von CO reguliert wird, konnten im Geruchszentrum des menschlichen Gehirns und im Riechkolben|Bulbus olfactorius nachgewiesen werden. Demnach könnte Kohlenstoffmonoxid als gasförmiger Botenstoff für den Geruchssinn dienen. Die aktivierte Guanylatcyclase setzt dann den Second Messenger|sekundären Botenstoff Cyclisches Guanosinmonophosphat|cGMP frei. Neben Kohlenstoffmonoxid, cGMP und Cyclisches Adenosinmonophosphat|cAMP wird auch Stickstoffmonoxid als Second Messenger betrachtet. 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.


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. Günstige Wirkungen von Kohlenstoffmonoxid wurden zudem beschrieben in Tiermodellen von Sepsis|septischem Schock, Darmverschluss|Darmverschluss (Ileus) und Arteriosklerose.
Bei Frauen mit Schwangerschaftshypertonie und Präeklampsie|Schwangerschaftsvergiftung (Präeklampsie) ist die Kohlenstoffmonoxidkonzentration in der Ausatemluft vermindert.
Raucherinnen haben ein vermindertes Risiko, an Präeklampsie zu erkranken.

Medikamente, welche kontrollierte Mengen an Kohlenstoffmonoxid transportieren und freisetzen können, befinden sich in der Entwicklung.


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 Thiosulfate|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 De utsches Institut für Normung|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 International Union of Pure and Applied Chemistry|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“.



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