Technische Gase: Das sollten Sie wissen

In diesem Artikel lesen Sie u.a.: 

• Was ist Gas?
• Wann sind Gase „rein“?
• Wie werden technische Gase erzeugt?
• Wo werden technische Gase eingesetzt?

Was ist Gas?
 

Der Begriff „Gas“ wurde im 17. Jahrhundert von dem belgischen Chemiker Johan Baptista van Helmont geprägt und ist an das ähnlich ausgesprochene, griechische Wort „χάος“ angelehnt, welches „Chaos“ bedeutet.

Die Namenswahl „Gas“ im Sinne von „Chaos“ von Johan Baptista van Helmont bringt die Charakteristik von Gas gut auf den Punkt: Man bezeichnet eine Materie nämlich dann als Gas, wenn sich ihre Moleküle vollständig voneinander gelöst (sozusagen „chaotisch“) bewegen und gleichmäßig im Raum bewegen können. Zum Vergleich: In einer festen Materie sind die Teilchen fixiert. Sie können lediglich vibrieren oder rotieren. In flüssigen Materien sind die Teilchen zwar weniger gebunden und daher beweglicher, aber sie sind nicht voneinander gelöst.

Kleine Gaskunde
 

„Gasförmig“ ist neben „fest“ und „flüssig“ der dritte, klassische Aggregatzustand.
Einen gasförmigen Zustand erreicht man, indem man den Teilchen einer festen oder flüssigen Substanz Energie zuführt (Wärme). Die Energie wird zur Bewegungsenergie der Teilchen, was die Teile so stark in Bewegung versetzt, dass sie sich voneinander trennen und den vorgegebenen Raum vollständig auffüllen.

Wie rein ist „rein“?
 

Als „rein“ bezeichnet man in der Physik und in der Chemie den Anteil einer Stoffmenge an einem gesamten Stoffgemisch. Unerwünschte Stoffe werden dabei als „unrein“ bezeichnet. Anders als bei chemischen Stoffen, die in ihrer Reinheit von „roh“ bis „zur Analyse“ geordnet werden, hat sich bei Industriegasen die Punkt-Notation für die Angabe der Reinheit etabliert. Sie dient der verkürzten Angabe des Mindestgehaltes eines Gases mittels zweier durch einen Punkt getrennten Ziffern. Die Ziffer vor dem Punkt gibt dabei die Anzahl der „Neunen“ in der Prozentzahl an. Die Ziffer hinter dem Punkt nennt die erste von den „Neunen“ abweichende Dezimalstelle.

Beispiele:
Punkt-Notation                       Mindestgehalt an reinem Gas
2.0                                                 99 %
2.5                                                 99,5 %
3.0                                                 99,9 %.
5,0                                                 99,999 %
5,7                                                 99,9997 %
6.0                                                 99,9999 %

Der 4. Aggregatzustand: Plasma
 

Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle auch das Plasma als vierter, wenn auch nicht klassischer Aggregatzustand erwähnt. Plasma ist ionisiertes Gas. Es besitzt spezifische Eigenschaften, die Stoffe in den anderen Aggregatzuständen nicht besitzen. In der Natur tritt Plasma z. B. bei Blitzen auf. Ebenfalls zu finden ist es im Weltall in den Atmosphären von Sternen. In der Forschung wird Plasma meist durch sehr starke Gasentladungen in speziellen Behältnissen erzeugt. Durch die dabei auftretenden Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius „überspringen“ Stoffe sozusagen den gasförmigen Zustand und aus neutralen Atomen, bzw. Molekülen werden in Bruchteilen eines Moments freie Elektronen und Ionen. Heutzutage wird Plasma z. B. genutzt, um gesteuerte Kernfusionen zu untersuchen.  Ein wichtiges Thema in der Energiegewinnung!

Übergänge der Aggregatzustände
 

Den Übergang von „flüssig“ zu „gasförmig“ bezeichnet man als Verdampfung (oberhalb des Siedepunktes) oder als Verdunstung (unterhalb des Siedepunktes). Den Übergang vom gasförmigen in einen flüssigen Zustand bezeichnet man hingegen als Kondensation. Es gibt aber auch einen direkten Übergang von „fest“ in „gasförmig“: Diesen Vorgang nennt man Sublimation. Auch umgekehrt ist dieser Vorgang möglich (von gasförmig in eine feste Form). Diesen Vorgang nennt man Resublimation.

Erdgas ist nur ein Gas von vielen
 

Wenn wir heutzutage von „Gas“ sprechen, meinen wir zumeist „Erdgas“, das aus unterirdischen Lagerstätten gewonnen wird und ein wichtiger Energieträger für die Raumbeheizung, Warmwasseraufbereitung etc. ist. Aber es gibt weitaus mehr Gase, ohne die moderne, industrielle Herstellungsprozesse undenkbar wären. Diese Gase, die höchsten Ansprüchen gerecht werden müssen, bezeichnet man als „technische“ Gase oder auch als „Industriegase“. Sie heißen so, weil sie in verfahrenstechnischen Anlagen erzeugt werden und daher einen sehr viel höheren Reinheitsgrad aufweisen als natürliche Gase. Ein paar der wichtigsten technischen Gase sind u. a. Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Xenon, Neon, Kohlendioxid, Acetylen, Wasserstoff oder auch Helium.

Die wichtigsten Fragen zu technischen Gasen

Wie werden technische Gase erzeugt?
 

Technische Gase werden auf unterschiedliche Weise gewonnen. Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Xenon oder auch Neon sind zum Beispiel natürliche Bestandteile unserer Atemluft und werden aus dieser in speziellen „Luftzerlegungsanlagen“ in komplexen, mehrstufigen physikalischen Prozessen gewonnen. Kohlendioxid hingegen gewinnt man z. B. aus der Abluft von Industriebetrieben, aber auch aus natürlichen Bodenquellen. Wasserstoff und Acetylen hingegen werden chemisch hergestellt.

Wo werden technische Gase eingesetzt?
 

Technische Gase findet man heute in fast allen Industriebereichen. Sie übernehmen Steuerungs-, Schutz- und Trägerfunktionen, liefern Energie, wirken reaktiv, reduktiv, oxidierend oder inertisierend, kryogen oder thermisch. Wofür sich ein technisches Gas am besten eignet, hängt im Wesentlichen von seinen chemisch-physikalischen Eigenschaften ab.

Schutzgas:

Oft werden technische Gase als Schutzgas eingesetzt, das Luft verdrängen und so explosive Luft-Gas-Gemische verhindern soll. Schutzgas spielt zum Beispiel eine wichtige Rolle in der Schweißtechnik. Beim sogenannten Schutzgasschweißen verhindert das technische Gas, dass das Metall mit Sauerstoff reagiert, was zu Korrosion oder Verbrennungen führen kann. Besonders wichtig ist der Gasschutz beim Schweißen von hochlegiertem Stahl, wie u. a. Aluminium oder Titan. Ist der Gasschutz hier nicht hochwertig genug, kann es zu Anlauffarben und Rußablagerungen kommen. Im schlimmsten Fall können Gefügebeeinträchtigungen entstehen. Daher gut zu wissen: Die unterschiedlichen Grade der Reinheit der verschiedenen technischen Gase, speziell für das Schweißen, sind in der DIN EN ISO 14175 geregelt.

Schiff- und Luftfahrt:

Ein weiteres, klassisches Einsatzgebiet von Schutzgas ist die Schiff- und Luftfahrt. Hier kommen technische Gase zum Einsatz, wenn beim Hinein- oder Herauspumpen u. a. von Kraftstoffen explosive Luft-Gas-Gemische verhindert werden sollen.

Härtetechnik, Elektrotechnik und Dichtheitsprüfungen:

Schutzgas in Form von Stickstoff oder Wasserstoff verhindert auch in der Härtetechnik, dass der zu härtende Stahl durch zu viel Sauerstoff verändert wird. Durch den Einsatz von Schutzgas bleibt die Oberfläche des Stahls schön glänzend, ganz ohne Rückstände. Und in der Elektrotechnik wird Schutzgas eingesetzt, um die Leitfähigkeit der Schaltkontakte herabzusetzen. Ebenso kommen technische Gase bei Dichtheitsprüfungen (meist in Form von Helium) zum Einsatz.

Verpackungen von Lebensmitteln:

Technische Gase werden unter anderem auch beim Verpacken von Lebensmitteln eingesetzt. Da Sauerstoff die Oxidation von Lebensmitteln beschleunigt und das Wachstum von aeroben Mikroorganismen fördert, werden Lebensmittel in modifizierten Atmosphären aus Schutzgasen verpackt. Stickstoff und Kohlendioxid hemmen dabei die Sauerstoffkonzentration. Bei Frischfleisch und frischen Salaten ist es genau umgekehrt: Hier ist ein hoher Sauerstoffanteil gewünscht, da dieser die rote Farbe des Fleisches stabilisiert, bzw. den frischen Salat mit „Atemluft“ versorgt.

Medizinische Gase 
 

Besonders hohe Ansprüche werden auch an medizinische Gase, wie beispielsweise Sauerstoff (O2), Kohlenstoffdioxid (CO2), Lachgas (N2O), Helium (He) oder Stickstoff (N2) als Arzneimittel oder Medizinprodukt gestellt. Medizinische Gase unterliegen dem Arzneimittelgesetz und müssen extrem hohen Qualitätsansprüchen gerecht werden.