Kohlenstoffdioxid

Strukturformel
O = C = OO=C=O
Allgemeines
Name	Kohlenstoffdioxid
Andere Namen	Kohlendioxid
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	1,45 g/l in Wasser
kritische Temperatur	31 °C
kritischer Druck	74,0 bar
Wärmekapazität cp	0,83 kJ/(kg K)
Löslichkeit	1,45 g/l in Wasser
Wärmeleitfähigkeit	0,01457 W/(m·K)
Schallgeschwindigkeit	258 m/s
Sicherheitshinweise
R- und S-Sätze	R: - S: 9, 23
MAK	5000 ppm
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Chemische Eigenschaften

Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Auch im Organismus entsteht Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt der Zellatmung. Das CO₂ wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt verwenden Pflanzen bei der Fotosynthese Kohlenstoffdioxid, um Glukose zu produzieren und ihre Biomasse aufzubauen.

In Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid bildet Kohlensäure H₂CO₃, wobei aber ca. 99% des Kohlenstoffdioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche liegt jedoch praktisch nicht als Molekül vor, sondern ist dissoziiert in H⁺, HCO₃⁻und CO₃²⁻, die je nach Druck oder Temperatur und vor allem pH-Wert in wechselnden Verhältnissen miteinander im Gleichgewicht stehen. Fängt man die Hydronium-Ionen (H⁺, eigentlich aber H₃O⁺) unter Zugabe von Hydroxidionen (OH⁻) ab, so löst sich Kohlenstoffdioxid in der Lauge vollständig unter Bildung von Carbonaten.

Name

Der korrekte Name ist Kohlenstoffdioxid, nicht Kohlendioxid, da die Verbindung ein Oxid des Elements Kohlenstoff und nicht der (lediglich kohlenstoffhaltigen) Kohle ist. Das Molekül ist linear aufgebaut und besitzt kein elektrisches Dipolmoment, so dass es unpolar ist.

Verwendung

Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Trockeneis 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 der Sublimation entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO₂-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz findet.

Viele Getränke enthalten Kohlenstoffdioxid, 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 kohlenstoffdioxidhaltiges, natürliches Mineralwasser verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt es die Bezeichnung E 290. Bei der Herstellung wird Kohlenstoffdioxid unter hohem Druck in das Getränk gepumpt, wobei es mit Wasser zu Kohlensäure reagiert. Da Kohlensäure eine unbeständige Säure ist, zerfällt sie beim Druckabfall durch Öffnen des Gefäßes in ihre Ausgangsprodukte: Wasser und Kohlenstoffdioxid, welches bläschenförmig aufsteigt. Der Zerfall der Kohlensäure auf der Zunge beim Trinken stimuliert die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat.

Kohlenstoffdioxid kommt auch in Feuerlöschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdrängt (siehe auch Brandbekämpfung, Löschmittel).

Kohlenstoffdioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Grund ist der CO₂-Mangel durch ungenügenden Luftaustausch, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung und dass Pflanzen bei höheren CO₂-Gehalten schneller wachsen. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas verwendet (Kopplung von Düngung und Heizung). Auch durch Zuführung von organischer Substanz wird der CO₂-Gehalt erhöht. Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark das CO₂ im Minimum steht, und wie hoch die Lichtintensität ist (Wirksamkeit steigt mit zunehmendem Lichtangebot).

Überkritisches Kohlenstoffdioxid kann in vielen Bereichen giftige organische Lösungsmittel ersetzen und wird auch in der Halbleiterindustrie zur Reinigung von Wafern verwendet. Auch zur Extraktion von Naturstoffen wie z. B. Koffein aus Pflanzen wird superkritisches Kohlenstoffdioxid verwendet.

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

Kohlenstoffdioxid wird auch als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt - entweder in reiner Form oder häufiger als Zusatz zu Argon und/oder Helium. Da Kohlenstoffdioxid 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.

Treibhausgas

Kohlenstoffdioxid absorbiert Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwellige Strahlung, beispielsweise sichtbares oder ultraviolettes Licht, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas.

Vom Großteil der Wissenschaftler wird die Hypothese vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zum so genannten anthropogenen Treibhauseffekt führt, der einen Klimawandel (Globale Erwärmung) zur Folge hat. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet das CO₂, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird.

Während über die Notwendigkeit der Reduktion des CO₂-Ausstoßes weitgehend Einigung besteht (Kyoto-Protokoll), werden Verfahren zur CO₂-Sequestrierung kontrovers diskutiert.

Der Beitrag von CO₂ zum Treibhauseffekt bzw. die vermehrte CO₂-Freisetzung durch den Menschen wird allerdings von Klimakritikern bestritten, die daher auch entsprechende Umweltschutzmaßnahmen als unnötig ablehnen.

Den weltweit höchsten Kohlenstoffdioxidausstoß pro Einwohner haben die USA, Kanada, Finnland, Tschechien und Belgien (Stand 2002), wobei in Zukunft auch die stark wachsende Industrie asiatischer Staaten eine wesentliche Rolle spielen wird.

Gefahren

Immer wieder kommt es zu Unfällen mit CO₂. In Weinkellern, Futtersilos 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 Dichte von Gasen lässt sich mit der molaren Masse und der Regel von Avogadro abschätzen: Luft besteht im wesentlichen aus Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂), Kohlenstoffdioxid hingegen aus CO₂ Molekülen, welche eine deutlich größere molare Masse haben. In einem gleichen Volumen sind auch bei unterschiedlichen Gasen ungefähr gleich viele Moleküle vorhanden, also muss die Dichte von Kohlenstoffdioxid größer sein als die von Luft.)

Die weit verbreitete Ansicht, CO₂ sei an sich ungiftig und wirke nur durch Verdrängen des lebensnotwendigen Sauerstoffs, ist falsch. Daher ist auch die alte "Kerzenprobe" zum Erkennen von gefährlicher Sauerstoffknappheit zu ungenau. Dies liegt auch daran, dass Kerzen auch dann noch brennen, wenn der Sauerstoff zum Atmen bereits nicht mehr reicht.

Kommt CO₂ in der atmosphärischen Luft noch zu ca. 0,03 Prozent vor, sind es in der menschlichen abgeatmeten Atemluft schon ca. 4,5 Volumenprozent. Im Blut aktiviert CO₂ in physiologischer und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum, in deutlich höherer Konzentration führt es jedoch zur Verminderung oder sogar Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes (Atemdepression; diese Tatsache kann man sich bei gerade hyperventilierenden Personen zu Nutze machen, indem man sie in ein luftdichtes Behältnis hinein- und auch wieder daraus einatmen lässt, da so schnell atemdepressive Atemluftkonzentrationen an CO₂ erreicht werden und der übersteigerte Atemantrieb der Hyperventilierenden wirkungsvoll gedämpft wird). Ab etwa 5 Prozent 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 über 20 Prozent sind tödlich.

Immer wieder fallen ganze Familien einer Gärgasvergiftung zum Opfer, weil mehrere Personen bei der Rettung eines Familienmitglieds selbst Kohlenstoffdioxid 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. Statt dessen ist eine Entlüftung (falls vorhanden) einzuschalten und der Notruf abzusetzen.

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

Weblinks

• http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/csaeure/kohlensaeure.htm

Siehe auch: Pasteur-Effekt, CO₂-Partialdruck, Klimahandel