Gasförmige Stoffe: Chemie-Grundlagen zur Gefahrgutklasse 2

Gasförmige Stoffe sind ein ständiger Bestandteil unseres Alltags – von der sauerstoffhaltigen Luft über den Nebel im Garten bis hin zu den Nutzgasen, die tagtäglich transportiert werden. Der folgende Blogbeitrag beschäftigt sich daher mit dem Thema, worum es sich bei gasförmigen Stoffen handelt, wie diese nach der gängigen Gefahrengutklasse zu kennzeichnen sind und worauf bei Lagerung und Transport zu achten ist.

Definition: Was ist gasförmig?

Ist von dem Begriff „gasförmig“ bzw. „Gas“ die Rede, so handelt es sich um einen der drei klassischen Aggregatzustände. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Teilchen des Stoffs frei bewegen können und großen Abstand voneinander nehmen, sodass der verfügbare Raum gleichmäßig ausgefüllt wird. Diese Bewegung sorgt dafür, dass die Teilchen ungeordnet vorliegen und in schneller Bewegung bleiben.

Gasförmige Stoffe: Beispiele

Damit gasförmige Stoffe entstehen, müssen spezielle Druckverhältnisse und Temperaturen gegeben sein. Einige Stoffe liegen unter üblichen Bedingungen gasförmig vor, sodass sie auch in dieser Form gelagert und transportiert werden. Typische Beispiele für gasförmige Stoffe sind unter anderem:

*Die Angaben beziehen sich auf Normalbedingungen, also auf einen Druck von 1013,25 hPa (1,01325 bar) und eine Temperatur von 273,15 K (0 °C)

Welche Stoffe sind bei 25 °C gasförmig?

Des Weiteren gibt es einige Stoffe, die bei Zimmertemperatur – also bei etwa 25 °C – immer gasförmig vorliegen. Nicht zuletzt deswegen sind sie im allgemeinen Gebrauch als Gase bzw. gasförmige Stoffe bekannt. Zu den wichtigsten Vertretern zählen insbesondere die folgenden:

Gasförmige Stoffe in der Chemie: das Teilchenmodell

Gasförmige Stoffe lassen sich am besten erklären, wenn auf das chemische Teilchenmodell zurückgegriffen wird. Dieses geht vereinfacht davon aus, dass alle Stoffe aus Teilchen bestehen – wobei vernachlässigt werden kann, ob es sich um Atome, Moleküle oder Ionen handelt. Die Teilchen entsprechen kleinen Kugeln, welche sich mehr oder weniger schnell in einem Raum bewegen können.

Je nach Aggregatzustand unterscheiden sich die Teilchen in Bezug auf Größe, Masse und Art sowie Geschwindigkeit der Bewegung. Für gasförmige Stoffe gilt, dass sich die Teilchen geradlinig und frei bewegen können, bis sie an eine Gefäßwand stoßen. Zwischen ihnen besteht ein leerer Raum, sodass sie bei Berührung voneinander abprallen.

Da die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen nur sehr schwach sind, verteilen sie sich weit voneinander im Raum – somit nehmen sie bis zur Gefäßwand immer den gesamten Raum ein und konzentrieren sich nicht auf einzelne Stellen. Dadurch sind gasförmige Stoffe im Volumen komprimierbar.

Die 3 klassischen Aggregatzustände

Ist von Aggregatzuständen die Rede, so werden qualitativ verschiedene physikalische Zustände von Stoffen gemeint. Diese sind vor allem von den stoffinternen Eigenschaften, der Temperatur und dem Umgebungsdruck abhängig. Chemisch bleibt der Stoff gleich. Unterschieden werden die folgenden drei klassischen Aggregatzustände:

• fest (f oder s): Sowohl die Form als auch das Volumen des Stoffes werden in der Regel beibehalten. Ein Verformen ist eher schwer.
• flüssig (fl oder l): Hier wirdnur das Volumen beibehalten, die Form ist unbeständig und passt sich dem Raum an, der sie umgibt
• gasförmig (g): Sowohl die Volumenbeständigkeit als auch die Form entfallen für gasförmige Stoffe, sodass der umgebende Raum komplett ausgefüllt wird

Feste Stoffe

In einem Feststoff sind die kleinsten Teilchen nur wenig in Bewegung und unterliegen einer hohen Anziehung zueinander – deswegen entsteht eine hohe Packungsdichte. Sie schwingen um ihren Gitterplatz als feste Position und rotieren um ihre eigenen Achsen. Es gilt: Je höher die Temperatur wird, desto stärker fällt diese Schwingung aus. Feststoffe besitzen vor allem die folgenden Eigenschaften:
 

• Geringe Verformbarkeit
• Geringe Aufteilbarkeit
• Unveränderte Form im Festzustand
   

Als Beispiel für einen Feststoff kann etwa gefrorenes Wasser (in Form von Schnee oder Eis) herangezogen werden. Erst durch Zufuhr von Energie lösen sich die kleinsten Teilchen aus dem Gitter, sodass der Stoff in einen flüssigen Zustand übergehen kann.

Flüssige Stoffe

Anders als bei Feststoffen sind die kleinsten Teilchen bei flüssigen Stoffen nicht ortsfest, sodass sie sich gegenseitig verschieben können. Je höher die Temperatur ist, desto schneller findet die Teilchenbewegung statt. Dadurch lassen die Wechselwirkungskräfte nach und eine freie Bewegung der Teilchen wird möglich. Flüssige Stoffe zeichnen sich durch diese Eigenschaften aus:
 

• Anpassung an ein Gefäß bzw. freie Verteilung
• Farbstoffe verteilen sich durch Diffusion von allein
• Größerer Abstand zwischen den Teilchen als bei einem Feststoff
   

Trotz der schnelleren Teilchenbewegung bleibt eine Anordnung bestehen. Als Beispiel für einen flüssigen Stoff kann Wasser in seiner üblichen Form – als Flüssigkeit – herangezogen werden.

Gasförmige Stoffe

Bei gasförmigen Stoffen sind die kleinsten Teilchen hingegen sehr stark in Bewegung und verteilen sich frei in einem Raum. Durch das Stoßen der Teilchen an die Wände entsteht Gasdruck. Die hohe Bewegungsenergie sorgt dafür, dass keine Anziehung zwischen den Teilchen mehr vorhanden ist. Dadurch sind die Teilchen weit voneinander entfernt und verteilen sich gleichmäßig. Hin und wieder stoßen sie zusammen.

Wegen dieser Bewegung sind die Teilchen ungeordnet und halten eine eher große Distanz zueinander. Ein weiteres wichtiges Merkmal von gasförmigen Stoffen ist die Komprimierbarkeit, die zu einer Volumenverringerung führt. Als Beispiel lässt sich hier Wasserdampf nennen.

Übergänge zwischen den Aggregatzuständen

Wird eine bestimmte Menge an Wärmeenergie freigesetzt oder aufgewandt, kommt es zu einer Änderung des Aggregatzustands von Stoffen. Die einzelnen Übergänge haben nicht nur spezielle Namen, sondern auch Übergangsbedingungen. Bei Reinstoffen handelt es sich dabei um Druck und Temperatur. Im Phasendiagramm entsprechen die Übergangsbedingungen eigenen Punkten.

Als gutes Alltagsbeispiel lässt sich auch hier wieder Wasser heranziehen. Liegt es in Form von Eis als Feststoff vor, kann es durch Schmelzen wieder in seinen flüssigen Zustand versetzt werden; durch Erstarren unter den Gefrierpunkt wird es wieder zu Eis. Wird die Flüssigkeit verdampft, entsteht hingegen Wasserdampf – ein gasförmiger Stoff.

Wird Wasser kondensiert, entsteht ein feiner Nebel, der aus winzigen Wassertröpfchen besteht. Eine Sublimation von Wasser lässt sich beispielsweise in Pfützen finden, die unter dem Gefrierpunkt weiter austrocknen. Resublimiertes Wasser ist hingegen bei Raureif zu finden.

Mischungen von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen

Stoffe müssen aber nicht immer in einem einzelnen Aggregatzustand vorliegen, sondern können auch aus einer Mischung der einzelnen Phasen bestehen. In solchen Fällen wird von einem heterogenen Stoffgemisch gesprochen. Ist das Gemisch mit dem bloßen Auge nicht mehr unterscheidbar, wird es als kolloidales Stoffgemisch bezeichnet. Nicht nur die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen, sondern auch die Mischzustände sind mit speziellen Namen versehen:

Um entsprechende Mischungen herzustellen, können verschiedene Geräte zum Einsatz kommen. So lassen sich beispielsweise Dispergierer zum gleichmäßigen und homogenen Vermischen von zwei Flüssigkeiten einsetzen. Auch Laborschüttler oder Ultraschall Homogenisatoren kommen für diese Zwecke infrage.

Nichtklassische Aggregatzustände

Neben den drei klassischen Aggregatzuständen – fest, flüssig und gasförmig – lassen sich einige weitere Varianten nennen, die zu den nicht-klassischen Aggregatzuständen zusammengezählt werden. Sie treten nur unter extremen Bedingungen auf und sind in der folgenden Aufzählung von niedriger zu hoher Temperatur sortiert:

• Bose-Einstein-Kondensat: Nehmen eine Menge extrem kalter Atome den gleichen quantenmechanischen Zustand ein und werden dadurch ununterscheidbar, ist von einem Bose-Einstein-Kondensat die Rede. Diese Atome verhalten sich vollkommen kohärent und wirken wie ein einziges riesiges Atom.
• Suprafluid: Ein Suprafluid ist eine Flüssigkeit ohne innere Reibung. Es ist praktisch flüssiger als flüssig - weshalb sich interne Strömungen im Laufe der Zeit nicht setzen.
• Suprasolid: Superkaltes Helium kann einen suprasoliden Zustand erreichen, in welchem die Materie gleichzeitig die Eigenschaften eines festen und eines suprafluiden Körpers zeigt.
• Mesomorpher Zustand: Hierbei handelt es sich um eine Zwischenposition zwischen flüssig und fest. Es sind verschiedene Ausprägungen möglich, die bei Flüssigkristallen oder bei plastischen Kristallen beobachtet werden können.
• Überkritischer Zustand: Analog dazu wird als überkritischer Zustand ein Mischzustand zwischen flüssigen und gasförmigen Körpern verstanden. Er tritt bei Überschreitung eines kritischen Punktes auf.
• Atomgas: Wenn ständige Stöße die Bindungen zerstören, die Elektronen aber weiterhin fest gebunden bleiben, wird das Atomgas erreicht. In ihm existieren keine Moleküle mehr.
• Plasmazustand: Bei sehr hohen Temperaturen können freie Elektronen entstehen, indem die Atome in Atomkern und -hülle zerlegt werden. Dieser Zustand tritt etwa in Kernfusionsreaktoren, Sternen und im Lichtbogen auf.

Lagerung gasförmiger Stoffe

Da gasförmige Stoffe eine freie Teilchenverteilung vornehmen, sobald sie nicht mehr von einem Behälter komprimiert werden, gelten sowohl für die Lagerung als auch für den Transport gesonderte Bedingungen. Je nach Gas muss die Art der Lagerung den CEA-Brandschutzempfehlungen entsprechen, die für "Lager mit gefährlichen Stoffen" spezielle Maßnahmen fordert:

• Regallager: Erhöhte Anforderungen ab einer Lagerhöhe von 7,5 Metern
• Blocklager: Teillagerflächen von max. 100 m²; Minimalabstände von 2,5 m zwischen den Blöcken; maximale Breiten und Höhen
• Flaschenlager: Lagerung in einem eigenen Brandabschnitt, etwa in Gasflaschenschränken; Lüftungskonzept; Explosionsschutz
• Tiefkalte Lagerung: Eigener Brandabschnitt samt Temperaturüberwachung; Lüftungskonzept; Explosionsschutz

Gasförmige Stoffe werden üblicherweise in Gasflaschen aufbewahrt, die – im Falle eines Transports – auch den Anforderungen der jeweiligen Gefahrengutklasse nach ADR (Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße) entsprechen müssen. Wichtig ist hierbei etwa die richtige und ausführliche Kennzeichnung der Gasflaschen.

Gasförmige Stoffe nach ADR: Gefahrgutklasse 2

Das Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR) teilt Gefahrengüter in Gefahrgutklassen ein, um einen Transport sicherer zu machen. Hierbei handelt es sich um Empfehlungen, die aber in den meisten Ländern in den Gesetzen berücksichtigt werden.

Gase und gasförmige Stoffe werden in der Gefahrgutklasse 2 zusammengefasst. Laut Definition des ADR handelt es sich dabei um Stoffe, die als selbstentzündlich und teilweise giftig gelten. Unter hohem Druck können Gefahren entstehen. Als Beispiele können etwa Haarspray, Wasserstoff und Propangas genannt werden.

Gefahrgutklassen im Überblick

Neben der Gefahrengutklasse 2 können übrigens auch die folgenden Gefahrgutklassen genannt werden, die sich teilweise mit gasförmigen Stoffen überschneiden:

• Gefahrgutklasse 1: Explosive Stoffe:z.B. Zündstoff, Treibstoff oder pyrotechnische Stoffe
• Gefahrgutklasse 3: Entzündbare flüssige Stoffe: z.B. Stoffe, deren Flammpunkt bei maximal 60°C liegt

Gefahrgutklasse 4:

• Gefahrgutklasse 4.1: Entzündbare feste Stoffe, selbstzersetzliche Stoffe und desensibilisierte explosive Stoffe: z.B. Schwefel oder Zündholz
• Gefahrgutklasse 4.2: Selbstentzündliche Stoffe z.B. Phosphor oder Kohle
• Gefahrgutklasse 4.3: Stoffe, die in Berührung mit Wasser entzündliche Gase bilden: z.B. Natrium oder Carbid
• Gefahrgutklasse 5.1: Entzündend wirkende Stoffe z.B. Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid
• Gefahrgutklasse 6: Giftige und ansteckende Stoffe z.B. Arsen oder Pestizide
• Gefahrgutklasse 7: Radioaktive Stoffe z.B. Uran
• Gefahrgutklasse 8: Ätzende Stoffe z.B. Salzsäure oder Natronlauge
• Gefahrgutklasse 9: Verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände z.B. Asbest oder flüssiger Stickstoff

Unterteilung der Gefahrgutklasse 2

Nach gängiger Definition gehören all jene Gase und gasförmige Stoffe zur Gefahrengutklasse 2, die bei 50 °C einen Dampfdruck von mehr als 3 bar besitzen oder bei 20 °C und 1.013 mbar Druck vollständig gasförmig sind. Daher zählen sowohl komprimierte als auch verflüssigte und gelöste Gase dazu. Die Unterteilung der Gefahrengutklasse 2 erfolgt in drei Warntafeln:

Klasse 2.1: Diese wird mit einem roten Symbol und einer abgebildeten Flamme gekennzeichnet. Entsprechende gasförmige Stoffe sind flammbar.

Klasse 2.2:  Auf dem grünen Symbol der Gefahrengutklasse 2.2 ist eine Gasflasche abgebildet. Diese Klasse steht für nicht-flammbare Gase.

Klasse 2.3: Die Klasse 2.3 wird mit einem weißen Symbol und einem Totenkopf ausgezeichnet. Dieser weist auf giftiges Gas hin.

Darüber hinaus können gasförmige Stoffe auch in die Gefahrenklasse 1 fallen, in die sogenannten explosiven Stoffe oder Explosionsstoffe und Gegenstände, die Explosionsstoffe enthalten, fallen. Diese wird mit einem orangenen Symbol und einer Stoffexplosion gekennzeichnet.

Gefahrgutklasse 2: gefährliche Eigenschaften

Neben der Angabe der eigentlichen Gefahrengutklasse muss für einen Transport auch auf den Gefahrengrad hingewiesen werden. Dieser ist als Großbuchstabe anzugeben, wobei der Buchstabe jeweils der englischen Bezeichnung entspricht. Gasförmige Stoffe lassen sich in einer Warntafel für Gefahrengut in die folgenden "gefährlichen Eigenschaften" kategorisieren:

Transport von Stoffen der Gefahrgutklasse 2

Um gasförmige Stoffe der Gefahrengutklasse 2 transportieren zu dürfen, sind nach den Vorgaben des ADR mehrere Regeln und Vorschriften zu beachten. Dazu zählt vor allem die Kennzeichnung, die neben der Gasart, dem Betriebsdruck und dem Prüfdruck auch Prüfdaten enthalten muss. Darüber hinaus gelten die folgenden Transportvorkehrungen:

• Kennzeichnung der Gefahrengutklasse inklusive Gefahrengutunterklasse mit dem entsprechenden Großbuchstaben
• Einhaltung der Sicherheitsmaßnahmen, die dem transportierten Gefahrenstoff zugeordnet werden
• Bezettelung (Kennzeichnung) und Dokumentation des Gefahrguttransports (zB. Beförderungspapiere, schriftliche Weisung etc.)
• Einhaltung der Vorschriften für die Beschaffenheit und Sicherung der Behälter und Tanks
• LKW-Fahrer müssen im Besitz eines Gefahrgutführerscheins und einer ADR-Karte sein

Gasförmige Stoffe: sichere Lagerung im Gasflaschenschrank

Gasförmige Stoffe erfordern im Umgang und bei der Lagerung spezielle Anforderungen, die unbedingt eingehalten werden müssen – nicht zuletzt, um sich und andere vor gefährlichen Folgen zu schützen. Die sichere Lagerung im Gasflaschenschrank und die Ausweisung der Gefahrengutklasse 2 beim Transport sind dabei elementar.

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