Dieser Vortrag hat die Kohlensäure und ihr Anhydrid, das
Kohlenstoffdioxid, zum Thema. Letzteres steht im Mittelpunkt der aktuellen
Klimadiskussion. So wurde auf der Umweltkonferenz in Buenos Aires eine Reduktion der CO2
- Emissionen um 5% bis zum Jahr 2008 (evtl. 2012) beschlossen. Man befürchtet, dass der
anthropogene CO2 - Ausstoß den natürlichen Treibhauseffekt verstärken
könnte. Warum trägt CO2 zum Treibhauseffekt bei?
CO2 ist ein lineares, symmetrisch gebautes Molekül, dessen mesomere Grenzstrukturen von geringer Bedeutung sind:
Somit ist CO2 kein (permanenter) Dipol. Doch aufgrund einer zweifach entarteten Biegeschwingung bei einer Wellenlänge von 15
mm entsteht ein temporäres Dipolmoment und CO2 ist somit IR-aktiv:
IR-Aktivität von CO2 bedeutet gleichzeitig, daß die
terrestrische Ausstrahlung der Erde vermindert wird und CO2 somit zu ihrer Erwärmung beiträgt. CO2 ist, nach Wasserdampf, das wichtigste klimarelevante Gas.Es ist das einzige thermodynamisch stabile Kohlenstoffoxid und kann,
als schwaches Oxidationsmittel, nur mit stark elektropositiven Metallen, Wasserstoff oder
Koks reduziert werden (Reduktion zu CO bei ca. 1200 oC, Reduktion zu C bei ca.
2800 oC). Dieser Vorgang kommt in der Technik beim Hochofenverfahren zur
Metalloxidreduktion zum Einsatz.
Ein Hochofen unterteilt sich prinzipiell in vier Bereiche, denen vier Reaktionszonen zugeordnet werden können:
Im Bereich des Gestells wird Koks mit Hilfe von
über Ringleitungen eingeblasener Heißluft zu CO2 oxidiert. In Folge dieser
exothermen Reaktion entstehen Temperaturen bis zu 2300 oC. Im darüberliegenden
Bereich, der Rast, wird das entstandene CO2 unter
Koksüberschuss zu CO reduziert. Diese Gleichgewichtsreaktion, die als Boudouardgleichgewicht
bezeichnet wird, ist endotherm und es kommt zu einer Abkühlung auf ca. 1600 oC.
Das Boudouardgleichgewicht weist als endotherme Volumenvermehrung sowohl eine
Druckabhängigkeit, als auch eine Temperaturabhängigkeit (s.u.) auf.
 |
Temperaturabhängigkeit des Boudouardgleichgewichts |
Das entstandene CO reduziert im Schacht das
Fe(II)-oxid zu elementarem Metall Fe. Die niedrigen Temperaturen im Schacht (900 - 400 oC)
haben eine Neueinstellung des Boudouardgleichgewichts zugunsten des CO2 zur
Folge. Dabei entsteht vermehrt Kohlenstoff, der jedoch seinerseits eine direkte Reduktion
der Metalloxide bewirkt. In der Gicht befindet sich ein Gasfang, über
den die Abgase abgeführt und gereinigt werden. Über einen Fülltrichter
wird der Ofen hier abwechselnd mit Schichten von Koks und Erz beschickt. Im Gemisch
schmilzt das reduzierte Eisen im Bereich der Rast und kann im Gestell abgestochen werden.
Der Hochofen arbeitet also im Gegenstromverfahren: die Gase strömen von
unten nach oben, die Beschickung erfolgt von oben nach unten. Verunreinigungen werden
durch gezielte Beimengung von Zuschlägen als leichtere Schlacke, meist
Calcium-Aluminium-Silikate, im Gestell über dem flüssigen Metall abgestochen.
CO2 unterstützt als schwaches Oxidationsmittel die Verbrennung und Atmung nicht. Es kommt darum auch in Feuerlöschern zum Einsatz. Aufgrund seiner relativ hohen kritischen Temperatur von 31oC kann CO2 in flüssigem Zustand in grauen Stahlflaschen aufbewahrt werden. Dies wird im Zustandsdiagramm von CO2 deutlich.
 |
| Zustandsdiagramm von CO2 |
Festes CO2 hat einen relativ niedrigen Sublimationspunkt (-78oC bei 1at):
| Versuch: | Beobachtungen bei der Benutzung eines CO2-Feuerlöschers |
| Material | CO2 - Feuerlöscher |
| Durchführung | Betätigung des Feuerlöschers, bis sich Trockeneis am Ventil bildet. |
| Beobachtungen | Gasförmiges CO2 ist schwerer als Luft (Dichte: 1,98g/L bei 0oC / 1060 hPa) und sinkt zu Boden. Aufgrund der Abkühlung im Bereich des Ventils unterhalb von -78oC entsteht festes, eisähnliches CO2 (als "Trockeneis" im Handel), das langsam wieder sublimiert (vgl. Zustandsdiagramm). |
Der Grund liegt darin, daß im Molekülgitterl zwischen den CO2 - Molekülen nur schwache Wechselwirkungen bestehen, im Vergleich zu den starken Atombindungen innerhalb der Moleküle.
 |
| Molekülgitter von CO2 |
CO2 kann als schwaches Oxidationsmittel jedoch mit stark
elektropositiven Metallen (vgl. oben), wie z.B. Magnesium, oxidiert werden. Magnesium
brennt in einer CO2 - Atmosphäre.
| Versuch: | Verbrennung von Magnesium in einem Trockeneisblock | ||||||||||||
| Material |
|
||||||||||||
| Durchführung | Ein Trockeneisblock wird in zwei Hälften gespalten. In eine der
beiden Hälften wird mit Hilfe eines Schraubenziehers oder Meissels eine Mulde
eingearbeitet. Diese wird mit einer Mischung von Magnesiumspänen und -pulver gefüllt und
mit einem Magnesiumband als Lunte versehen. Das Magnesiumband wird nun entzündet und die
zweite Hälfte des Blockes als Deckel aufgesetzt. Die beiden später aufeinander liegenden
Seiten der Blöcke müssen zum Gelingen des Versuches exakt miteinander abschließen.
|
||||||||||||
| Beobachtung | Es ist eine eindrucksvolle Lichterscheinung, verbunden mit einer Rauch- und Funkenentwicklung, zu beobachten. Nachdem das Magnesium erloschen ist kann man innerhalb des Blockes schwarzen Kohlenstoff sehen. Das CO2 wird also bis zum Kohlenstoff reduziert. |
Bei der Photosynthese wird CO2 im Calvinzyklus fixiert. Bei
der Atmung entsteht CO2 durch Decarboxylierungen im Citratzyklus. Obwohl es die
Atmung nicht unterstützt ist es nicht giftig (MAK=5000ppm). Da jedoch die zentrale
Atemregulation vom CO2 - Gehalt des Blutes gesteuert wird, führen
Konzentrationen von 15 Vol% zu Atemlähmung und Tod.
Jeder von uns nimmt CO2 täglich mit der Nahrung zu sich,
z.B. in Form von kohlenstoffdioxidhaltigen Getränken.
"Sodawasser" wurde vom englischen Chemiker Joseph Priestley entwickelt und stellt eine Lösung von CO2 in Wasser dar. Die Lösung wird in einer Dose oder Flasche bei einem CO2 - Druck von 200 bis 300 kPa verschlossen. Aufgrund der guten physikalischen Löslichkeit von 1L CO2 / 1L H2O können über 3L CO2 gelöst werden. Beim Öffnen der Flasche entweicht das CO2 teilweise aufgrund der Druckerniedrigung. In Folge der schnellen Expansion des Gases kommt es im Bereich des Flaschenhalses zu einer kurzzeitigen Abkühlung auf bis zu -30oC. Durch diese niedrigen Temperaturen kondensiert der Wasserdampf und sinkt zusammen mit dem schwereren CO2 als feiner Nebel am Flaschenrand nach unten. Die Druckerniedrigung hat außerdem eine Wiedereinstellung des Gleichgewichts zwischen gasförmigem und gelöstem CO2 zur Folge. Die Kohlenstoffdioxidmoleküle bilden an Kondensationskeimen winzige Mikrobläschen, die kurze Zeit später als größere Blasen sichtbar werden und aus dem Wasser entweichen.
CO2 - haltige Getränke regen den Kreislauf und die
Atmung an und haben einen säuerlichen Geruch und Geschmack. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass CO2 in Wasser Kohlensäure bildet, welche in
Hydrogencarbonationen HCO3- und Oxoniumionen H3O+
dissoziiert.
Kohlensäure ist theoretisch eine mittelstarke Säure:
Dissoziationskonstante K1= =1,3 × 10-4 pKS1=3,88
99,8% der unbeständigen Säure liegen jedoch als hydratisiertes CO2 vor:
scheinbare Dissoziationskonstante K1=
= 4,5 × 10-7 pKS1=6,35
Kohlensäure ist somit praktisch eine schwache Säure.
Es ist also falsch, das Kohlenstoffdioxid in Mineralwässern als Kohlensäure zu bezeichnen, wie man es häufig auf den Etiketten der Flaschen lesen kann.
Die Bestimmung der Kohlensäurekonzentration in wässriger Lösung
gelingt nur durch momentane Neutralisation, da die Kohlensäure aus gelöstem CO2
nachgebildet wird. Die Wiedereinstellung des Gleichgewichts benötigt dabei mehrere
Sekunden, was man in folgendem Versuch zeigen kann.
| Versuch: | Kurzzeitige Neutralisation von Mineralwasser | ||||||||
| Material |
|
||||||||
| Durchführung | 100 mL Mineralwasser (nicht kohlensäurearmes oder abgestandenes Wasser verwenden!)
werden in einem nicht zu großen Becherglas mit 4-5 Tropfen Phenolphthalein-Lösung
versetzt. Nun werden ca. 5mL 1M NaOH zu der farblosen Flüssigkeit zugegeben.
|
||||||||
| Beobachtung | Die farblose Lösung färbt sich rot. Nach wenigen Sekunden entfärbt sich die Lösung wieder, da sich der pH-Wert durch Nachbildung von Kohlensäure aus gelöstem CO2 wieder erniedrigt. |
Kohlensäure lässt sich nicht aus wässriger Lösung isolieren, da das Anhydrid CO2 bei Überschreitung der Löslichkeit entweicht.
Im Blut erfolgt der Transport von CO2 in Form von Hydrogencarbonationen, welche gut wasserlöslich sind. Durch das Enzym Carboanhydrase in den Erythrozyten verläuft die Bildung von Hydrogencarbonationen aus CO2 um den Faktor 10.000 schneller. Es können dabei von einem Enzymmolekül pro Sekunde 400.000 CO2-Moleküle umgesetzt werden !
Neben den Hydrogencarbonaten gibt es noch eine zweite Reihe von
Salzen der Kohlensäure, die Carbonate. Aus ihnen kann CO2 durch Säurezugabe
oder hohe Drücke freigesetzt werden.
Darauf beruht auch eine Theorie zum Aussterben der Dinosaurier, wonach ein Meteorit in eine großes Kalksteinformation eingeschlagen sein soll. Aufgrund der hohen Drücke wäre soviel CO2 freigesetzt worden, dass eine dadurch verursachte Verstärkung des Treibhauseffektes zum Aussterben der Nahrungspflanzen und somit auch der Dinosaurier selbst geführt habe. Diese Therie konnte jedoch von Wissenschaftlern der Uni-Bayreuth widerlegt werden, da bei diesen Bedingungen nur sehr wenig CO2 aus den Carbonaten freigesetzt wird.
Zu der Entwicklung unseres heutigen anthropogenen Treibhauseffektes
existieren viele gegensätzliche Theorien. Welche Klimaveränderungen tatsächlich
eintreten oder ob es überhaupt zu Veränderungen des Weltklimas kommt, wird erst in
einigen Jahren sicher zu beantworten sein.
Literatur:
- Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 1995.
- Riedel, Anorganische Chemie, 3. Auflage, Walter de Gruyter, New York 1994.
- Heintz, Reinhardt, Chemie und Umwelt, Vieweg & Sohn, Braunschweig 1990.
- J. Falbe, M. Regitz (Hrsg.), Römpp Lexikon der Chemie, 10. Auflage, Thieme, Stuttgart 1997.
- L. Stryer, Biochemie, Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg 1990.
- P. Atkins, J. Beran, Chemie, VCH, Weinheim 1996.
- Nordbayerischer Kurier, 21. / 22. November 1998, "Reise ins
Erdinnere"
Zurück zum Anfang
© Kai Hager und Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth.
Stand: 02.02.00
