Kohlenstoffdioxid

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Strukturformel
Allgemeines
Name	Kohlenstoffdioxid
Andere Namen	Kohlendioxid, Kohlenstoff(IV)-oxid
Summenformel	CO2
CAS-Nummer	124-38-9
Kurzbeschreibung	farbloses, geruchloses Gas
Eigenschaften
Molmasse	44,0099 g/mol
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	1,98 kg/m³
Schmelzpunkt (Tripelpunkt)	−56,6 °C (bei 5,81 bar)
Sublimationspunkt	−78,5 °C
Dampfdruck	57,3 bar (20 °C)
Löslichkeit in Wasser (reines CO2, 1 bar)	1,6 g/l (20 °C) 3,2 g/l bei 0 °C
Löslichkeit in Wasser (aus Luft, 1 bar)	0,5 mg/l (20 °C) 1,0 mg/l (0 °C)
kritische Temperatur	31 °C
kritischer Druck	74,0 bar
Wärmekapazität cp	0,83 kJ/(kg·K)
Wärmeleitfähigkeit	0,01457 W/(m·K)
Schallgeschwindigkeit	258 m/s
Sicherheitshinweise
R- und S-Sätze	R: - S: 9, 23
MAK	5000 ppm (9,9 g/m³)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Kohlenstoffdioxid (meist Kohlendioxid genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid) zur Gruppe der Kohlenstoffoxide.

Kohlendioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (derzeit 381 ppm entspr. 0,0381 %) ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO₂ wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO₂ durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO₂ Glukose. Atmungs-Kohlendioxid stellt den größten Teil des Anteils in der Luft.

Inhaltsverzeichnis 1 Herstellung 1.1 Technisch 1.2 Im Labormaßstab 2 Physikalische Eigenschaften 3 Chemische Eigenschaften 4 Verwendung 5 CO2 in der Atmosphäre und Treibhauseffekt 6 Physiologische Wirkungen und Gefahren 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 Quellen

Herstellung

Technisch

Technisch gewinnt man Kohlendioxid durch Verbrennen von Koks mit überschüssiger Luft oder als Nebenprodukt beim Kalkbrennen (~530 Mio t pro Jahr) und anschließende Reinigung (z. B. Binden an Kaliumcarbonat zu Hydrogencarbonat und anschließendes Freisetzen durch Erhitzen).

Auch natürliche Gasquellen (Sprudel) werden zur Gewinnung genutzt.

Im Labormaßstab

Im Labor wird Kohlenstoffdioxid durch Freisetzung aus Carbonaten (z. B. Calciumcarbonat) durch Säuren (z. B. Salzsäure) erzeugt.

Physikalische Eigenschaften

Das Kohlendioxid-Molekül ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen polar sind, heben sich deren elektrische Dipolmomente durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist. Dennoch ist Kohlendioxid aufgrund der inneren Dipolmomente gut in Wasser löslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung.

Kohlendioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Es schmilzt nicht, sondern sublimiert bei −78 °C. Allerdings kann man es unterhalb der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten. Bei Raumtemperatur ist dazu ein Druck von ca. 60 bar nötig, der kritische Druck bei der kritischen Temperatur ist etwa 70 bar. ^[1] In flüssiger Form wird Kohlendioxid in Druckflaschen gehandelt.

Chemische Eigenschaften

In Wasser gelöstes Kohlendioxid bildet Kohlensäure H₂CO₃, wobei aber mehr als 99 % des Kohlendioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche liegt vor in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat ("Bicarbonat", HCO₃^–) und Carbonat (CO₃^2–), die in einem vom pH-Wert abhängigen Mengenverhältnis zueinander stehen. Fängt man die bei der Dissoziation gebildeten Oxonium-Ionen (H⁺, eigentlich H₃O⁺) durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH^–) ab, so verschiebt sich das Mengenverhältnis zu Gunsten von Carbonat.

Verwendung

Bei der Sublimation von Trockeneis entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO₂-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der früher als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz fand. Heute gibt es zum Beispiel Nebelkühl-Vorsätze für normale Verdampfer-Nebelmaschinen, die mit flüssigem CO₂ betrieben werden.

Viele Getränke enthalten Kohlendioxid, um beim Trinken einen besseren Erfrischungseffekt zu erzielen. Bei manchen Getränken entsteht es durch Gärung (Bier, Sekt), bei anderen wird es künstlich zugesetzt (Limonade, Sodawasser) oder es wird kohlendioxidhaltiges, natürliches Mineralwasser verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt es die Bezeichnung E 290. Bei der Herstellung wird Kohlendioxid unter hohem Druck in das Getränk gepumpt, wobei es zu etwa 0,2 % mit Wasser zu Kohlensäure reagiert; der größte Teil ist als Gas im Wasser gelöst. Bei einem Druckabfall durch Öffnen des Gefäßes kommt es zu einer Nukleation, so dass das nun überschüssig gelöste Gas bläschenförmig austritt und aufsteigt. Die Bläschenbildung des Gases und der säuerliche Geschmack der Kohlensäure auf der Zunge beim Trinken stimulieren die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat.

Kohlendioxid kommt auch in Feuerlöschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdrängt (siehe auch CO2-Löscher, Brandbekämpfung, Löschmittel).

Kohlendioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Grund ist der durch den photosynthetischen Verbrauch entstehende CO₂-Mangel bei ungenügendem Nachschub an Frischluft, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung, weil Pflanzen CO₂ als Grundsubstanz benötigen. Dabei wird das Kohlendioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas eingebracht (Kopplung von Düngung und Heizung). Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark der Mangel an CO₂ ist und wie stark das Lichtangebot für die Pflanzen ist. Kohlendioxid wird auch in der Aquaristik als Dünger für Wasserpflanzen eingesetzt (CO₂-Diffusor). Auch durch Zufuhr von organischer Substanz kann der CO₂-Gehalt im Wasser erhöht werden (Veratmung, aber auf Kosten des Sauerstoff-Gehalts). (Siehe auch: Kohlenstoffdioxid-Düngung)

Überkritisches Kohlendioxid besitzt eine hohe Löslichkeit für unpolare Stoffe und kann giftige organische Lösemittel ersetzen. Es wird als Extraktionsmittel, zum Beispiel zur Extraktion von Naturstoffen wie Koffein (Herstellung von koffeinfreiem Kaffee durch Entkoffeinierung), und als Lösemittel zum Reinigen und Entfetten, zum Beispiel von Wafern in der Halbleiterindustrie und neuerdings auch von Textilien (Chemische Reinigung), verwendet. Aktuell wird auch intensiv daran geforscht, überkritisches Kohlendioxid als Reaktionsmedium für die Feinchemikalienherstellung (z. B.für die Herstellung von Aromastoffen) zu verwenden, da isolierte Enzyme hierin vielfach aktiv bleiben und keine Lösemittelrückstände (im Gegensatz zu organischen Lösemitteln) in den Produkten verbleiben.

In zunehmendem Maße kommt Kohlendioxid als natürliches Kältemittel in Klimaanlagen zum Einsatz.

Kohlendioxid wird auch als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt – entweder in reiner Form oder häufiger als Zusatz zu Argon und/oder Helium. Da Kohlendioxid bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil ist, wird es nicht als Inertgas, sondern als Aktivgas bezeichnet.

CO₂ wird auch in Abführmitteln (Zäpfchen) verwendet. Durch eine chemische Reaktion während der Auflösung des Zäpfchens wird CO₂ freigesetzt und dehnt den Darm, was wiederum den Stuhlreflex auslöst.

In zunehmendem Maße wird CO₂ in Verbindung mit einem automatisierbaren Strahlverfahren verwendet, um hochreine Oberflächen zu erzeugen. Mit seiner Kombination aus mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften kann beispielsweise CO₂-Schnee verschiedenste Arten von Oberflächen-Verunreinigungen rückstandsfrei lösen und abtragen.

In sogenannten CO₂-Anlagen werden in jügster Zeit auch Schweine vor der Schlachtung betäubt. Dazu werden sie in Gruppen in einem Paternoster-Aufzug in eine Grube hinabgelassen, die mindestens 90 % CO₂ enthält und verlieren dabei das Bewußtsein.

CO₂ in der Atmosphäre und Treibhauseffekt

Hauptartikel: Treibhauseffekt

Kohlendioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d. h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlendioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlendioxid entsprechend seinem Mengenanteil das wirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifische Wirksamkeit von Methan und Ozon höher ist. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. −18 °C auf +15 °C (natürlicher Treibhauseffekt). Kohlendioxid hat einen Anteil von ca. 9–26 % an diesem Gesamteffekt und ist somit entscheidend für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich.

Der CO₂-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. So lag er im Karbon vor ca. 300 Mio. Jahren wahrscheinlich bei mindestens 1400 ppm. Seit wenigstens 650.000 Jahren lag der Anteil jedoch immer unterhalb von 280 ppm. Die CO₂-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlendioxidkreislaufes war somit in dieser Zeit weitgehend ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO₂-Anteil in der Atmosphäre auf bislang 380 ppm (2005) [2] und steigt z. Zt. weiter um durchschnittlich 1,5–2 ppm pro Jahr.

Dieser Anstieg wird durch die anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten, CO₂-Emissionen von jährlich ca. 32 Gt bzw. ca. 8,7 Gt Kohlenstoff^[2] bewirkt, von denen etwa die Hälfte in der Atmosphäre verbleibt. Dies macht zwar nur einen kleinen Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlendioxids von jährlich etwa 550 Gt CO₂ bzw. 150 Gt Kohlenstoff aus,^[3], bewirkt jedoch einen Nettozufluss, da die Bilanz des natürlichen CO₂-Kreislauf durch das Bevölkerungswachstum bestenfalls Null beträgt, wahrscheinlich aber die Kohlendioxidaufnahmefähigkeit der Erdvegetation durch erweiterte landwirtschaftliche Nutzung eher abnimmt. Die anthropogenen CO₂-Emissionen werden somit nur zum Teil von den natürlichen Kohlendioxidsenken kompensiert.

Von der überwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler wird die Meinung vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zum anthropogenen Treibhauseffekt beiträgt, der zur globalen Erwärmung führt. Einen wesentlichen Beitrag zur Erwärmung leistet dasjenige CO₂, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird, während die Verbrennung von Biomasse und daraus gewonnenen Kraftstoffen in der Bilanz nur CO₂-Mengen Frerisetzt, die vorher photosynthetisch gebunden worden waren. Die globale Erwärmung ist von zahlreichen Folgen begleitet, deren Vermeidung oder Abfederung durch Klimaschutz und technischem Klimaschutz gewährleistet werden soll.

Die Verbrennung von fossilen Energieträgern[4]. Nachstehend die Verbrennung von Kohlenstoff (vgl.: Kohle).
1 Mol Kohlenstoff (12,01 g) reagiert mit 1 Mol Sauerstoff (32,00 g) zu 1 Mol Kohlenstoffdioxid (44,01 g)
Aus der obigen Reaktionsgleichung geht hervor (Stöchiometrie), dass - zum Beispiel - eine Verringerung der Kohlendioxid-Emission um 4,4 Gt CO2 (entsprechend 1,2 Gt Kohlenstoff) korrespondiert bzw. gleichbedeutend ist mit einer Reduzierung der aus dem fossilen Energieträger Kohle zur Energieversorgung gewonnenen Energiemenge um einen Anteil in Höhe von 39,3 Exajoule (vgl. Hess'scher Wärmesatz). Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Energieträger entsteht ein Teil der Energieausbeute durch die Bildung von Wasser (Standard-Bildungsenthalpie pro Molekül H2O = – 286 kJ pro Mol); bei Erdgas (Methan: Standardverbrennungsenthalpie = – 891kJ pro Mol) folglich rund 55,78 Prozent der Gesamt-Energieausbeute.

Allgemein ist in der Wissenschaft spätestens seit den 1990er Jahren anerkannt, dass es eine statistisch signifikante Klimaveränderung gibt und dass eine der Ursachen der Anstieg der Konzentration an Kohlendioxid in der Atmosphäre ist. Dieser anfänglich noch mit größeren Unsicherheiten verbundene Verdacht hat sich im Laufe der Forschungen und nach heftiger Kontroverse immer mehr erhärtet und ist heute wissenschaftlicher Konsens.^[5] Ohne Berücksichtigung der Treibhausgase sind die beobachteten Temperaturdaten nicht zu erklären.^[6]

Physiologische Wirkungen und Gefahren

CO₂-Konzentrationen (Vol-%) in Luft und Auswirkungen auf den Menschen:

• 0,038 %: Natürliche Konzentration in der Luft
• 0,15 %: Hygienischer Innenraumluftrichtwert für frische Luft
• 0,3 %: MIK-Wert, unterhalb dessen keine Gesundheitsbedenken bei dauerhafter Einwirkung bestehen
• 0,5 % (9 g/m³): MAK-Grenzwert für tägliche Exposition von 8 Stunden pro Tag
• 1,5 %: Zunahme des Atemzeitvolumens um mehr als 40 %.
• 4 %: Atemluft beim Ausatmen
• 5 %: Auftreten von Kopfschmerzen, Schwindel und Bewusstlosigkeit
• 8 %: Bewusstlosigkeit, Eintreten des Todes nach 30–60 Minuten

Immer wieder kommt es zu Unfällen mit CO₂. In Weinkellern, Futtersilos, Brunnen und Jauchegruben können sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO₂ bilden. Bei der Vergärung von einem Liter Most (Apfelwein) entstehen etwa bis zu 50 Liter Gärgas. Wenn nicht für ausreichende Entlüftung gesorgt ist, bilden sich gefährliche Konzentrationen, und zwar aufgrund der höheren Dichte von CO₂ im Vergleich zu Luft vor allem in Bodennähe ("Kohlendioxid-See").

Die direkte Schadwirkung auf Tier und Mensch kann im Einzelfall auf der Verdrängung des Sauerstoffes in der Luft beruhen. Die weit verbreitete Ansicht, CO₂ sei an sich unschädlich und wirke nur durch Verdrängen des lebensnotwendigen Sauerstoffs, ist jedoch falsch. Daher ist auch die alte "Kerzenprobe" zum Erkennen von gefährlicher Sauerstoffknappheit nicht sinnvoll. Durch die Verdrängung der Luft (Absinken des O₂-Partialdrucks auf weniger als 130 mbar) durch das schwerere Kohlendioxid kann es aber zusätzlich zu den schädlichen Wirkungen des CO₂ auch zum Ersticken durch Sauerstoffmangel kommen.

Im Blut gelöstes CO₂ aktiviert in physiologischer (natürlicher) und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum des Gehirns, in deutlich höherer Konzentration führt es jedoch zur Verminderung oder sogar Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes (Atemdepression, Atemstillstand). Diese Wirkungen treten viel rascher ein als eine Erstickung.

Ab etwa 5 Prozent CO₂ in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf, bei höheren Konzentrationen beschleunigter Herzschlag (Tachykardie), Blutdruckanstieg, Atemnot und Bewusstlosigkeit (die so genannte CO₂-Narkose). CO₂-Konzentrationen von 8 Prozent und mehr führen innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod.

Zusätzlich hat Kohlendioxid eine indirekte Wirkung auf den Sauerstoffhaushalt des Blutes. Befindet sich vermehrt Kohlendioxid in der Luft oder im Frischwasser, so wird im Blut über das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure der pH-Wert vermindert - das Blut wird "sauerer". Von diesem Absinken des pH-Werts ist das Hämoglobin betroffen. Bei niedrigerem pH-Wert verringert sich seine O₂-Bindungskapazität. Das heißt bei gleichem O₂-Gehalt der Luft kann vom Hämoglobin weniger Sauerstoff gebunden und transportiert werden. Dieser Sachverhalt wird durch den Bohr-Effekt und den Haldane-Effekt beschrieben. Im Gewebe, wo der Sauerstoff abgegeben werden soll, ist die Konzentration von CO₂ höher (=niedriger pH-Wert, geringere O₂-Bindungskapazität) und erleichtert damit die O₂-Abgabe. In der Lunge sind die Verhältnisse umgekehrt und begünstigen so das "Beladen" des Hämoglobins mit Sauerstoff.

Dieser indirekte Effekt über den pH-Wert des Blutes ist von der stärkeren Giftigkeit des Kohlenstoffmonoxid zu unterscheiden. Kohlenstoffmonoxid maskiert als Komplexbildner reversibel den Eisenkern des Hämoglobin und verhindert dadurch die Bindung von Sauerstoff in den roten Blutkörperchen. Dies ist ein anderer (wirksamerer) molekularer Mechanismus als beim Kohlenstoffdioxid.

Immer wieder fallen ganze Familien einer Gärgasvergiftung zum Opfer, weil mehrere Personen bei der Rettung eines Familienmitglieds selbst Kohlendioxid einatmen und bewusstlos werden. Der Ersthelfer begibt sich mit einem Rettungsversuch nur selbst in Gefahr – niemand kann mit angehaltenem Atem einen Bewusstlosen aus einem Keller tragen. Stattdessen ist eine Belüftung (falls vorhanden) einzuschalten und ein Notruf abzusetzen.

Die Rettung eines Verunglückten aus CO₂-verdächtigen Situationen (Weinkeller usw.) ist nur für professionelle Einsatzkräfte (Feuerwehr) mit umluftunabhängigem Atemschutz möglich.

In seltenen Fällen kommt es auch zu Naturkatastrophen mit Kohlendioxid; die bekannteste ereignete sich 1986 am Nyos-See in Kamerun.

Siehe auch

• Boudouard-Gleichgewicht
• CO₂-Neutralität
• CO₂-Partialdruck siehe Partialdruck
• CO₂-Sequestrierung
• Emissionsrechtehandel
• Globale Erwärmung und ihre Folgen
• Luft
• Pasteur-Effekt
• Treibstoffverbrauch (CO₂-Anteil)

Literatur

• Eike Roth: Globale Umweltprobleme - Ursachen und Lösungsansätze. Friedmann, München 2004. (Treibhauseffekt, einschließlich seiner Verursachung und Diskussion des anthropogenen Einflusses.) ISBN 3-933431-31-X
• Pörtner: Auswirkungen von CO2-Eintrag und Temperaturerhöhung auf die marine Biosphäre (pdf 1,3 MB, 85 S.)
• Bauer, Kurt: Zur Bedeutung der Kohlensäure in Karpfenteichen. Österreichs Fischerei 44/1991 S.49–64

Weblinks

• http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/csaeure/kohlensaeure.htm
• http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBwerkstoffmaterialsubstanz/Kohlendioxid.php
• Umweltbundesamt - Deutsche Emissionshandelsstelle (DEHSt)
• Carbon Dioxide Information Analysis Center des U.S. Department of Energy
• European Energy Exchange
• 12.000 CO₂ emittierende Industrieanlagen (EU25) interaktive Karte

Quellen

1. ↑ [1]
2. ↑ World Resources Institute (WRI) / Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) (2005): Carbon Dioxide Emissions by Source 2005 (PDF)
3. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change (2001): Climate Change 2001 – IPCC Third Assessment ReportCO₂-Kreislauf
4. ↑ Standardreaktionsenthalpie für die Verbrennung von Erdgas (Methan) und diversen Erdölprodukten vgl. S. 3 ff. in: Herbert Mayr: Vorlesung 9: Erdölverarbeitung, LMU München: Physikalisch-organische Chemie, 2006 (PDF-Datei; ca. 190 kB)
5. ↑ Oreskes, Naomi (2004): The Scientific Consensus on Climate Change, in: Science Vol. 306 vom 4. Dezember (PDF)
6. ↑ Meehl, Gerald A., Warren M. Washington, Caspar M Ammann, Julie M. Arblaster, T. M. L. Wigleiy und Claudia Tebaldi (2004): Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate, in: Journal of Climate, Vol. 17, 1. Oktober, S. 3721-3727 (PDF)