Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 31.05.11


Kohlenstoffdioxid und Kohlensäure

Vortrag von Anne Hatzl im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 09/10


Gliederung:


Experiment Nachweis des Atemprodukts Kohlenstoffdioxid
Material
  • Reagenzglas d=18mm
  • Reagenzglasgestell
  • Trinkhalm
  • schwarzes Tonpapier
Chemikalien
  • Calciumhydroxid-Lösung
Durchführung Das Reagenzglas wird bis zur Hälfte mit Calciumhydroxid-Lösung gefüllt. Mit dem Trinkhalm wird nun vorsichtig einige Sekunden lang in die Lösung geblasen (Schutzbrille!). Nach Beenden des Blasens kann man das Ergebnis besser sichtbar machen, in dem man schwarzes Tonpapier hinter das Reagenzglas hält.
Beobachtung Die Lösung trübt sich weiß ein.
Interpretation Das Atemgas Kohlenstoffdioxid reagiert mit dem in der Lösung enthaltenem Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat, welches die weißliche Trübung verursacht

CO2 + Ca(OH)2 ---> CaCO3 + H2O

Für das Gelingen dieses Versuches ist das Atemgas Kohlenstoffdioxid CO2 verantwortlich. Ziel dieses Vortrages ist es, einige wissenschaftliche Aspekte von CO2 zu erläutern und den Zuhörern das Hydrat von CO2, die Kohlensäure H2CO3, näher zu bringen.


1 Aufbau von Kohlenstoffdioxid

Das Kohlenstoffdioxid Molekül ist linear gebaut. Die wichtigste Grenzstruktur ist

Betrachtet man die Kristallstruktur von Kohlenstoffdioxid, so stellt man fest, dass innerhalb der Moleküle starke Atombindungen vorherrschen, zwischen den Molekülen jedoch nur schwache Anziehungskräfte bestehen.


Abb. 1: Kristallgitter von Kohlenstoffdioxid [1]


2 Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid ist einfarbloses und geruchloses Gas. Es verbrennt nicht und unterhält die Verbrennung auch nicht. Betrachtet man die Dichte von Kohlenstoffdioxid, die 1,98 kg/m3 beträgt, so kann man feststellen, dass sie circa eineinhalb Mal größer ist als die Dichte von Luft. Außerdem ist Kohlenstoffdioxid in Wasser löslich. Bei 25 °C und normalen Druck lösen sich 1,5 g pro Liter Wasser, erniedrigt man die Temperatur auf 0 °C und hält den Druck bei, so lösen sich sogar 3,4 g pro Liter Wasser. Ein ungewöhnliches Verhalten zeigt CO2 in den verschiedenen Aggregatzuständen.


Abb. 2: Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid

Bei normalen Druck (1,013 bar) liegt keine flüssige Phase vor. Dass Kohlenstoffdioxid schon bei -78 °C sublimiert, also von der festen sofort in die gasförmige Phase übergeht, kann man sich an Hand des Molekülgitters erklären. Zwischen den CO2-Molekülen bestehen nur sehr schwache Anziehungskräfte, dadurch verlassen die Moleküle schon bei geringer Temperaturerhöhung leicht die Kristalloberfläche und CO2 sublimiert direkt in die Gasphase. Will man bei Raumtemperatur flüssiges CO2 erhalten, so muss der Druck auf 59 bar erhöht werden.


3 Entstehung von Kohlenstoffdioxid

CO2 macht einen geringen Prozentsatz (0,037%) bei der Zusammensetzung der Atmosphäre aus. Ungefähr 46% des gesamten CO2-Ausstoßes entsteht bei der Verbrennung von organischen Verbindungen und fossilen Brennstoffen wie zum Beispiel bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff:

Bei dieser Verbrennung wird sehr viel Energie frei, wovon die Menschheit profitiert.


Abb. 3: Energiediagramm der Verbrennung von Kohlenstoff

Die hierbei freigesetzte Menge an CO2 beläuft sich auf 36 Milliarden Tonnen pro Jahr.  Außerdem entsteht Kohlenstoffdioxid in der Industrie als Nebenprodukt beim Kalkbrennen:

Bei diesem Vorgang werden jährlich 530 Millionen Tonnen CO2 freigesetzt.

Auch bei der alkoholischen Gärung, bei Fäulnisprozessen und bei der Herstellung von Ammoniak entsteht Kohlenstoffdioxid. Im Labor erhält man CO2 durch die Zersetzung von Carbonaten:

Auch bei der Atmung entsteht CO2, was der einleitende Versuch gezeigt hat. Das vorhandene Calciumhydroxid reagierte mit Kohlenstoffdioxid zu Calciumcarbonat, welches ausfällt und die Trübung verursacht:

Jeder Mensch setzt jährlich allein durch den Atmungsprozess 350 kg CO2 frei.


4 Verwendung von Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid kann auf ganz unterschiedliche Art und Weise Verwendung finden. Zum einen verwendet man es als Kühlmittel, als Druckgas um Rettungsflöße oder -westen auszublasen, als Feuerlöschmittel, für Operationen, als Nebel für Nebelmaschinen, um Getränke mit "Kohlensäure" zu versetzen oder in fester und kompakter Form als Trockeneis.

Experiment Nachweis der Bildung von Kohlensäure
Material
  • Becherglas 600ml
  • Leitungswasser
  • pH-Papier       (Bereich 1-12)
Chemikalien
  • Trockeneis
Durchführung In das Becherglas wird Leitungswasser gegeben und mit Hilfe des pH-Papiers der pH-Wert gemessen. Anschließend gibt man einige Stücke Trockeneis dazu und misst nach kurzer Zeit wieder den pH-Wert.
Beobachtung Der pH-Wert von Leitungswasser ist nahezu neutral. Nach Zugabe von Trockeneis und anschließender Messung des pH-Wertes kann man eine leicht säuerliche Tendenz erkennen.
Interpretation Einige CO2-Moleküle haben zur Kohlensäure reagiert (CO2 + H2O ---> H2CO3).

5 Kohlensäure

Die wässrige Lösung von CO2 reagiert nur schwach sauer. Es liegen nebeneinander folgende Gleichgewichte vor:

Betrachtet man Gleichung (1), so liegt das Gleichgewicht weitgehend auf der linken Seite bei CO2, da 99,8 % des gelösten CO2 in physikalisch gelöster Form vorliegt, also hydratisiert. Deshalb reagieren nur wenige CO2-Moleküle zur Kohlensäure H2CO3 und die Lösung ist nur schwach sauer.

Die Kohlensäure H2CO3 ist eine zweiprotonige Säure, welche zwei Reihen von Salzen bildet:

Hydrogencarbonat (mit Anion HCO3-)
Carbonat (mit Anion CO32-)

Dies ist für die Menschheit von Bedeutung, da im Blut ein Carbonatpuffer enthalten ist. Dieser Puffer besteht aus einer Mischung von  Kohlensäure (H2CO3) und Hydrogencarbonat (HCO3- ) und hält den pH-Wert des Blutes annähernd konstant zwischen pH=7,35 und pH=7,45. Die durch den Stoffwechseln verursachten Schwankungen werden ausgeglichen, in dem das Hydrogencarbonat (HCO3-) ein Proton aufnimmt wenn das Blut zu sauer ist und Kohlensäure (H2CO3) ein Proton abgibt, wenn das Blut zu alkalisch ist.


Zusammenfassung: Das Kohlenstoffdioxid-Molekül ist linear gebaut. CO2 ist ein farbloses und geruchloses Gas, welches in Wasser lösbar ist. Die Besonderheit von CO2 beruht darauf, dass es bei normalem Druck und Raumtemperatur keine flüssige Phase gibt. Bei verschiedenen chemischen Prozessen (Verbrennung, Zersetzung von Carbonaten, Atmung) entsteht CO2. Das Hydrat von Kohlendioxid, die Kohlensäure H2CO3, ist eine zweiprotonige Säure. Diese bildet zwei Reihen von Salzen (Hydrogencarbonate, Carbonate) aus.


6 Literatur:

  1. E. Riedel, Anorganische Chemie, 6. Auflage, de Gruyter, Berlin New York 2004
  2. M. Binnewies, M. Jäckel, H. Willner, G. Rayner-Canham, Allgemeine und anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag, 1. Auflage 2004
  3. Jander-Blasius, Einführung in das anorganische chemische Praktikum. S. Hirzel Verlag Stuttgart, 15.  Auflage 2005
  4. http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_co2.htm (Stand vom 25.11.2009)
  5. http://www.wikipedia.de (Stand vom 30.11.2009)
  6. http://www.wissen.de (Stand vom 30.11.2009)
  7. http://www.cumschmidt.de/s_phasendiag01.htm (Stand vom 04.12.2009)

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 31.05.11