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Kohlenstoffdioxid: Eigenschaften, Nachweis und Klima
Kohlenstoffdioxid, kurz CO₂, ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Das farblose Gas kommt natürlich in der Luft vor, entsteht unter anderem bei der Zellatmung und wird von Pflanzen für die Photosynthese benötigt. Zusätzliche CO₂-Emissionen aus fossilen Brennstoffen verstärken jedoch den Treibhauseffekt.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was ist Kohlenstoffdioxid?
Ein CO₂-Molekül besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Seine Struktur lässt sich vereinfacht als $\mathrm{O=C=O}$ darstellen.
Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung mit der Summenformel $\mathrm{CO_2}$. Die tiefgestellte 2 zeigt, dass ein Molekül zwei Sauerstoffatome enthält.
Wichtige Eigenschaften sind:
| Eigenschaft | Kohlenstoffdioxid |
|---|---|
| Aussehen | farblos |
| Geruch | bei üblichen Konzentrationen geruchlos |
| Brennbarkeit | nicht brennbar |
| Wirkung auf Flammen | unterhält eine Verbrennung nicht |
| Dichte | größer als die Dichte von Luft |
| Verhalten in Wasser | löslich; ein kleiner Teil reagiert weiter |
Ein Gas ist nicht dasselbe wie Luft. Luft ist ein Gasgemisch, das hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff sowie geringe Mengen weiterer Gase enthält. CO₂ ist nur einer dieser Bestandteile.
Bei Normaldruck wird festes CO₂ nicht zuerst flüssig, wenn es sich erwärmt. Es geht bei etwa $-78{,}5\,°\mathrm{C}$ direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Übergang heißt Sublimation. Festes CO₂ wird deshalb Trockeneis genannt. Flüssiges CO₂ ist nur unter geeigneten Druckbedingungen möglich.
Vertiefung: Warum ist CO₂ kein Dipol?
Die Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff sind polarisiert. Das lineare Molekül ist jedoch symmetrisch. Die beiden Bindungspolaritäten wirken in entgegengesetzte Richtungen und heben sich auf. Das gesamte Molekül besitzt daher kein resultierendes Dipolmoment.
CO₂ ist ein eigener Stoff und nicht einfach ein anderer Name für Luft. Unsichtbar bedeutet außerdem nicht wirkungslos.
Was geschieht mit CO₂ in Wasser?
Beim Einleiten von CO₂ in Wasser laufen zwei Vorgänge ab, die du unterscheiden solltest.
Zuerst wird ein großer Teil des Gases physikalisch gelöst:
$$\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$$
Dabei bleiben CO₂-Moleküle als solche erhalten. Ein kleiner Teil des gelösten CO₂ reagiert außerdem mit Wasser und bildet Kohlensäure. Dadurch entstehen unter anderem Hydrogencarbonat- und Oxoniumionen; die Lösung reagiert sauer.
Lösen und Reagieren
Beim Lösen verteilen sich CO₂-Moleküle im Wasser. Bei der chemischen Reaktion entstehen andere Teilchen. Beide Vorgänge können gleichzeitig stattfinden.
Warum sprudelt eine geöffnete Flasche?
In einer geschlossenen Getränkeflasche hält erhöhter Druck viel CO₂ in Lösung. Beim Öffnen fällt der Druck. Gelöstes CO₂ tritt als Gas aus und bildet Blasen. Auch Erwärmen verringert die Löslichkeit: Ein warmes Getränk verliert daher schneller CO₂ als ein kaltes.
Eine kalte und eine warme Flasche Mineralwasser werden gleichzeitig geöffnet. Aus der warmen Flasche entweicht meist schneller CO₂. Der entscheidende Gedanke lautet: Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit des Gases ab. Das ist zunächst ein physikalischer Vorgang und keine neue chemische Reaktion.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
In einer geschlossenen Flasche hält der Druck viel CO₂ in Lösung. Beim Öffnen der Druck. Das Gas wird dadurch löslich und kann als Blasen .
Wie gelangt CO₂ in den Kohlenstoffkreislauf?
CO₂ wird fortlaufend gebildet, aufgenommen und wieder freigesetzt. Diese miteinander verbundenen Stoffströme gehören zum Kohlenstoffkreislauf.
Bei der Zellatmung bauen Zellen Glucose mithilfe von Sauerstoff ab. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid, Wasser und nutzbare Energie:
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$$
Pflanzen nutzen bei der Photosynthese Lichtenergie, um aus CO₂ und Wasser Glucose aufzubauen. Dabei entsteht Sauerstoff:
$$\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$$
Photosynthese und Zellatmung sind damit eng verbunden. Die Aussage, Pflanzen wandelten CO₂ einfach in Sauerstoff um, ist aber zu kurz: Auch Wasser, Glucose und Energieumwandlungen gehören zum Vorgang.
CO₂ entsteht außerdem bei Verbrennungen. Für Methan, den Hauptbestandteil von Erdgas, gilt:
$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O + Energie}$$
Ein Mensch gibt bei der Zellatmung CO₂ ab. Eine Pflanze kann CO₂ bei ausreichendem Licht aufnehmen und Kohlenstoff in Glucose binden. Sterben Lebewesen ab, kann ihr Material wieder abgebaut werden. Dabei gelangt Kohlenstoff über verschiedene Zwischenstufen erneut in den Kreislauf.
Wie weist du Kohlenstoffdioxid nach?
Die Kalkwasserprobe ist ein qualitativer Nachweis. Sie beantwortet die Frage, ob unter den Versuchsbedingungen CO₂ nachweisbar ist. Sie bestimmt nicht automatisch dessen genaue Menge.
Im Fachraum wird das zu prüfende Gas nach den geltenden Sicherheitsvorgaben durch klare Calciumhydroxidlösung, das Kalkwasser, geleitet.
- Beobachtung bei positiver Probe: Das Kalkwasser wird weiß und trüb.
- Deutung: Es entsteht schwer lösliches Calciumcarbonat als weißer Feststoff.
Die Reaktionsgleichung lautet:
$$\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}$$
Der Pfeil nach unten kennzeichnet den entstehenden Niederschlag.
Ausatemluft wird mit einer geeigneten Versuchsanordnung durch Kalkwasser geleitet. Die Lösung trübt sich. Die Beobachtung lautet nur weiße Trübung. Erst die Deutung nennt die Stoffe: CO₂ hat mit Calciumhydroxid reagiert; schwer lösliches Calciumcarbonat ist entstanden.
Warum ist eine Vergleichsprobe sinnvoll?
Eine Vergleichsprobe zeigt, wie das klare Kalkwasser ohne das untersuchte Gas aussieht. Sie hilft, eine bereits vorhandene Trübung nicht fälschlich als positives Ergebnis zu deuten.
Bleibt die sichtbare Veränderung aus, ist das Ergebnis unter den gewählten Bedingungen negativ. Das beweist nicht ohne Weiteres, dass überhaupt kein CO₂ vorhanden war: Gasmenge, Einleitungsdauer, Zustand des Kalkwassers und Versuchsaufbau können das Ergebnis beeinflussen.
Trenne beim Auswerten drei Schritte: Durchführung – Beobachtung – Deutung. Schreibe nicht schon in die Beobachtung, welcher Stoff entstanden ist.
Wann ist CO₂ nützlich oder gefährlich?
Die Eigenschaften von CO₂ erklären viele Anwendungen:
- Gelöstes CO₂ sorgt für das Sprudeln in Getränken.
- Beim Backen bilden CO₂-Blasen Hohlräume und lockern den Teig.
- Trockeneis dient als Kühlmittel.
- CO₂ kann als Schutzgas eingesetzt werden.
- CO₂-Feuerlöscher nutzen aus, dass das Gas eine Verbrennung nicht unterhält und Sauerstoff am Brandherd verdrängen kann.
Dieselben Eigenschaften können gefährlich werden. Hohe CO₂-Konzentrationen verringern den verfügbaren Sauerstoffanteil und beeinflussen die Atmung. CO₂ ist farb- und bei üblichen Konzentrationen geruchlos; deine Sinne warnen dich daher nicht zuverlässig.
Weil CO₂ dichter als Luft ist, kann es sich besonders in schlecht belüfteten, tiefer gelegenen Bereichen ansammeln. Gefährliche Situationen können beispielsweise in Silos, Brunnen, Gruben oder Weinkellern entstehen. Betritt einen solchen Bereich bei einem Verdacht nicht und versuche keine Rettung ohne geeignete Ausrüstung. Hole sofort professionelle Hilfe.
Ein erlöschendes Licht ist kein sicherer CO₂-Nachweis und kein Freigabetest für einen Raum. Eine Flamme kann auch aus anderen Gründen erlöschen; zugleich kann bereits eine gefährliche Atmosphäre bestehen.
Warum beeinflusst zusätzliches CO₂ das Klima?
Der natürliche Treibhauseffekt hält einen Teil der von der Erde abgegebenen Wärme im Klimasystem und ermöglicht lebensfreundliche Temperaturen. CO₂ ist eines der Gase, die Wärmestrahlung aufnehmen und wieder abgeben.
Problematisch ist nicht, dass CO₂ überhaupt vorkommt. Entscheidend ist die zusätzliche Menge, die Menschen vor allem durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas freisetzen.
Die Wirkungskette lautet:
- Fossile Rohstoffe speichern Kohlenstoff, der über sehr lange Zeiträume gebunden wurde.
- Ihre Verbrennung setzt diesen Kohlenstoff innerhalb kurzer Zeit als CO₂ frei.
- Pflanzen, Meere und andere Senken nehmen einen Teil auf, aber nicht die gesamte zusätzliche Menge.
- Die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre steigt.
- Der Treibhauseffekt wird verstärkt und die globale Temperatur nimmt zu.
Mögliche Folgen der Erwärmung sind unter anderem schmelzende Gletscher, steigender Meeresspiegel, mehr Hitzebelastung und veränderte Niederschlagsmuster.
Kohlenstoffquelle und Kohlenstoffsenke
Eine Quelle gibt Kohlenstoff an die Atmosphäre ab. Eine Senke nimmt Kohlenstoff auf und speichert ihn zumindest zeitweise. Ob ein System Quelle oder Senke ist, hängt von seiner gesamten Bilanz ab.
Ein wachsender Baum nimmt bei der Photosynthese CO₂ auf und bindet Kohlenstoff in seiner Biomasse. Wird Holz verbrannt, gelangt ein Teil dieses Kohlenstoffs wieder als CO₂ in die Atmosphäre. Bei fossilen Brennstoffen kommt zusätzlich Kohlenstoff in den heutigen Kreislauf, der zuvor über Millionen Jahre im Untergrund gespeichert war.
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf und der natürliche Treibhauseffekt sind lebensnotwendig. Die schnelle zusätzliche Freisetzung fossilen Kohlenstoffs verschiebt jedoch die Bilanz und verstärkt die Erwärmung.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Kohlenstoffdioxid
- Aufbau: ein C-Atom und zwei O-Atome
- Eigenschaften: farblos, nicht brennbar, dichter als Luft
- Wasser: Lösen und chemische Reaktion unterscheiden
- Nachweis: Kalkwasser wird durch Calciumcarbonat trüb
- Kreislauf: Photosynthese bindet, Zellatmung und Verbrennung setzen frei
- Nutzung: Getränke, Backen, Kühlung, Schutzgas und Feuerlöscher
- Gefahr: hohe Konzentrationen und Sauerstoffmangel
- Klima: zusätzliche fossile Emissionen verstärken den Treibhauseffekt