Kohlenstoffdioxid

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Kohlenstoffdioxid CO₂

	Farb- und geruchloses Gas Vorkommen in der Luft (0,03%), im Wasser gelöst, Stoffwechsel der Lebewesen	Molmasse 44,010 g/mol AGW 5000 ml/m³ (TRGS 900) Dichte 1,9767 g/l (Gas, 0° C, 1013 hPa) (CO₂ : Luft = 1,53) Sublimationspunkt -78,464 °C Wasserlöslichkeit Konz. bei 25°C 1,501 g/l
Piktogramm GHS 04 Achtung	Gefahrenklasse + Kategorie Gase unter Druck, verdicht. Gas	HP-Sätze (siehe Hinweis) H 280 P 410+403 Entsorgung Lüftung, Flaschen zum Depot
	Deutscher Name	Englischer Name
CAS 124-38-9	Kohlenstoffdioxid Kohlendioxid	Carbon dioxide

Wirkung auf den menschlichen Körper

In verdünnter Form mit Luft ist Kohlenstoffdioxid völlig ungiftig. Zu hohe Gehalte in der Atemluft sind jedoch gefährlich. Bei Volumenkonzentrationen zwischen 3-5% beginnt man schnell zu atmen. Dieses Phänomen der Hyperventilation wird in Wiederbelebungsgeräten oder bei Kohlenstoffmonooxidvergiftungen bewusst ausgenutzt, um das Atmungszentrum zu beschleunigen. Ab einer Konzentration von 6% besteht aber die Gefahr der Bewusstlosigkeit, noch höhere Konzentrationen wirken tödlich.

Eigenschaften

Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas mit einem schwach säuerlich schmeckenden Geschmack. In einem Liter Wasser kann man etwa 880ml Kohlenstoffdioxid auflösen. Das Gas ist schwerer als Luft und kann in einem offenen Behälter eine Weile aufbewahrt werden. Es unterhält die Verbrennung nicht, Flammen erlöschen bei Volumenkonzentrationen von 8-10% Kohlenstoffdioxid in der Luft.

Kohlenstoffdioxid und Kerzenflamme

Bild vergrößern Eine Kerzenflamme erstickt in einem Behälter mit CO₂

Brennendes Magnesium in Trockeneis

Bild vergrößern Ein Magnesiumband brennt auch in Trockeneis weiter.

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Bei 20°C kann es bei 55,4 bar zu einer farblosen, leicht beweglichen Flüssigkeit verflüssigt werden. Vermindert man den Druck rasch, entsteht so viel Verdunstungskälte, dass die Temperatur auf weniger als -80°C abkühlt und fester Kohlensäureschnee entsteht, der unter dem Namen Trockeneis bekannt ist. Dieser Schnee bildet sich auch bei der Verwendung von kohlenstoffdioxidhaltigen Feuerlöschern. Trockeneis geht bei -78,48°C sofort in gasförmiges Kohlenstoffdioxid über. Dieses Phänomen, des Überspringens der flüssigen Zustandform, wird als Sublimation bezeichnet.

Beim Erhitzen ist das gasförmige Kohlenstoffdioxid sehr beständig. Erst oberhalb von 2000°C spaltet es sich allmählich in Kohlenstoffmonooxid und Sauerstoff:

CO₂   CO + 1/2 O₂       DH_R = +282 kJ/mol

Durch unedle Metalle, z.B. mit Magnesium, wird Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoff reduziert:

CO₂ + 2 Mg

2 MgO + C    DH_R = -809 kJ/mol

Aus diesem Grunde brennt ein Magnesiumband in einem mit Kohlenstoffdioxid gefüllten Behälter weiter. Mit Wasserstoff kann CO₂ bei hohen Temperaturen sogar zu Methan reduziert werden.

Kohlenstoffdioxid ist gut wasserlöslich, es löst sich unter Bildung von Kohlensäure:

CO₂ + H₂O    H₂CO₃

Mineralwasser und Sprudelgas

Bild vergrößern Das Sprudeln im Mineralwasser zeigt Kohlenstoffdioxid an ,das aus dem Wasser austritt.

Man erhält eine schwache Säure, die in der Getränkezubereitung häufig verwendet wird. Die Salze dieser Säure heißen Carbonate. Man erhält bei der Neutralisation von Kohlensäure mit Natronlauge zunächst Natriumhydrogencarbonat, dann Natriumcarbonat (Soda):

H₂CO₃ + NaOH

NaHCO₃ + H₂O
NaHCO₃ + NaOH

   Na₂CO₃ + H₂O

Das entstehende Natriumcarbonat setzt mit Säuren wie Salzsäure wieder Kohlenstoffdioxid frei:

Na₂CO₃ + 2 HCl

NaHCO₃ + HCl + NaCl
NaHCO₃ + HCl

   H₂CO₃ + NaCl
H₂CO₃   CO₂ + H₂O

Ähnliche Kreislaufreaktionen finden beim Kalkkreislauf statt. Kohlenstoffdioxid entsteht auch bei der Verbrennung vieler organischer Verbindungen und fossiler Brennstoffe (siehe Kohlenstoffkreislauf). Die Verfeuerung fossiler Brennstoffe führt zu einem Anstieg des weltweiten Kohlenstoffdioxidgehalts in der Atmosphäre und ist Verursacher für den Treibhauseffekt. Insofern ist die genaue Kenntnis über die Ursachen und Wirkungen bei Kreislaufreaktionen mit Kohlenstoffdioxid von großer Bedeutung.

Der chemische Nachweis von Kohlenstoffdioxid im Labor erfolgt mit Kalkwasser, einer Lösung von Calciumhydroxid in Wasser. CO₂ erzeugt bei der Einleitung in Kalkwasser (oder auch in eine wässrige Lösung von Bariumhydroxid) eine weiße Trübung, dabei fällt wasserunlöslicher Kalk aus:

Ca(OH)₂ + CO₂

CaCO₃ + H₂O

Nachweis von Kohlenstoffdioxid

Bild vergrößern Beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid in Kalkwasser entsteht eine weiße Trübung.

Herstellung

Im Labor wird Kohlenstoffdioxid aus Calciumcarbonat, bzw. aus Marmorbrocken und Salzsäure hergestellt:

CaCO₃ + 2 HCl

CaCl₂ + H₂O + CO₂

In der Industrie bilden sich riesige Mengen an CO₂ bei der Verfeuerung von Brennstoffen, es entsteht beim Kalkbrennen, bei Gärungsprozessen (z.B. bei der biochemischen Ethanolherstellung, bei Fäulnisprozessen (z.B. in der Kläranlage). CO₂ kommt in größeren Mengen auch aus natürlichen Quellen, z.B. bei Vulkangasen oder Kohlensäurequellen. Tiere und Menschen erzeugen es im Atmungsprozess.

Zur industriellen Gewinnung von reinem Kohlenstoffdioxid nimmt man das bei der Kohleverbrennung anfallende Gas und reinigt es danach:

C + O₂

CO₂      DH_R = -393 kJ/mol

Das anfallende CO₂ wird in wasserberieselten Waschtürmen von Staub und Schwefeldioxid gereinigt und dann unter Druck in eine wässrige Pottaschenlösung gepresst:

K₂CO₃ + H₂O + CO₂

2 KHCO₃

Durch Erwärmung des Kaliumhydrogencarbonats erhält man wieder CO₂, das einen Reinheitsgrad von ca. 99,9% besitzt. Damit es für Getränke verwendet werden kann, muss es noch weiter mit Aktivkohle gereinigt werden. Zum Transport und für den Handel wird es in grauen Druckflaschen verflüssigt.

Verwendung

Kohlenstoffdioxid ist als Sprudelgas in Mineralwässern, Limonaden, Softdrinks und alkoholischen Getränken weit verbreitet. Als Trockeneis wird es zum Kühlen von Lebensmitteln verwendet. Im Labor dient das Trockeneis zum Abkühlen bei chemischen Reaktionen, in der Kältetechnik zum Verflüssigen von Gasen. Der Nebel in Diskotheken und auf Bühnen wird aus verflüssigtem Kohlenstoffdioxid erzeugt. Kohlenstoffdioxid ist in Feuerlöschern enthalten, die Löscher produzieren einen Schaum, der mit dem Gas gefüllt ist. Beim Schutzgas-Schweißen wird es als Schutzgas vor der Atmosphäre eingesetzt. Die chemische Industrie benötigt das Gas zur Herstellung von Carbonaten wie Soda und Pottasche, Harnstoff oder Salicylsäure. In CO₂-Lasern befindet es sich zusammen mit anderen Gasen wie Stickstoff und Helium in der Entladungsröhre.

Kohlenstoffdioxid-Löscher

Bild vergrößern Durch das Betätigen des Feuerlöschers entweicht flüssiges Kohlenstoffdioxid, das durch den Druckabfall sofort gefriert, wobei sich Kohlenstoffdioxid-Schnee bildet.

Versuche mit Kohlenstoffdioxid
Versuche mit Trockeneis

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