Kohlensäure

Was ist Kohlensäure?

Kohlensäure ist eine schwache anorganische Säure mit der Summenformel H₂CO₃. Häufig wird die Kohlensäure fälschlicherweise für das entweichende Gas Kohlenstoffdioxid in Getränken gehalten. Doch das stimmt so nicht. Sie entsteht nämlich durch die Reaktion von Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O).

H₂O + CO₂ ⇌ H₂CO₃

Doch nur 0,1 % des Kohlenstoffdioxids reagiert überhaupt mit dem Wasser. Deswegen liegt das Gleichgewicht der Reaktion mehr auf der linken Seite der Reaktionsgleichung. Außerdem ist die entstehende Kohlensäure sehr instabil und zerfällt nach der Bildung sofort wieder.

Dissoziationsgleichgewicht

Kohlensäure (H₂CO₃) ist eine schwache zweiprotonige Säure. Das heißt, dass sie insgesamt zwei Protonen (H⁺ Ionen) abgeben kann. Dadurch besitzt Kohlensäure zwei Dissoziationsstufen , in denen sie die Protonen an das Wasser oder eine Base abgibt.

In der ersten Dissoziationsstufe gibt Kohlensäure ein Proton an das Wasser ab, woraufhin ein Hydrogencarbonat (HCO₃^–) und ein Oxoniumion (H₃O⁺) entstehen. In dieser Dissoziationsstufe hat die Säure einen pKs-Wert von 6,5. Der Wert gibt die Stärke einer Säure an. Je niedriger der pKs-Wert, desto lieber gibt sie dabei ihre Protonen ab.

H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃^– + H₃O⁺

Das Reaktionsprodukt Hydrogencarbonat gibt in der zweiten Dissoziationsstufe das zweite Proton ab. Der pKs-Wert ist dabei 10,5 und es entsteht Carbonat  (CO₃^2-). Ein weiteres Wassermolekül nimmt das Proton auf und wird zum Oxoniumion.

HCO₃^– + H₂O ⇌ CO₃^2- + H₃O⁺

Strukturformel und Eigenschaften

Kohlensäure besitzt die Summenformel H₂CO₃ und hat eine molare Masse von 62,03. Hier siehst du die ihre Strukturformel:

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Nach der Erlenmeyer-Regel ist Kohlensäure sehr instabil. Als Verbindung mit zwei Hydroxygruppen am selben Kohlenstoffatom tendiert sie dazu, Wasser abzuspalten. Das Gleichgewicht liegt daher immer mehr auf der Seite des gelösten Kohlenstoffdioxids.

Deshalb ist in Getränken tatsächlich kaum Kohlensäure enthalten, sondern hauptsächlich Kohlenstoffdioxid. Das verursacht auch das Blubbern, das oft fälschlicherweise der Kohlensäure zugeschrieben wird.

Trotz der Instabilität ist es im Labor gelungen, reine Kohlensäure zu gewinnen. Die Kohlensäure Herstellung ist jedoch nur in kompletter Abwesenheit von Wasser und Metallionen und bei sehr niedrigen Temperaturen möglich. Als reine Substanz ist sie eine klare, farblose Flüssigkeit.

Vorkommen und Verwendung

Kohlensäure (H₂CO₃) dient zusammen mit Hydrogencarbonat als Puffersystem im menschlichen Blut. Dadurch werden Schwankungen des pH-Wertes im Blut ausgeglichen.

Steigt der pH-Wert in unserem Blut, dann gibt die Kohlensäure ein Proton ab und reagiert zu Hydrogencarbonat. Die freigewordenen Protonen senken den pH-Wert wieder. Wird der pH-Wert dagegen zu hoch, dann reagiert umgekehrt das Hydrogencarbonat mit Protonen aus dem Blut.

In der Industrie wird Kohlensäure bei vielen Produktionsprozessen eingesetzt. Im Alltag kennst du es wahrscheinlich am ehesten aus Getränken. Dabei wird Kohlenstoffdioxid unter großem Druck in die Wasserflasche gedrückt. Durch den hohen Druck entsteht Kohlensäure. Die Flasche wird verschlossen, sodass der Druck in der Flasche bleibt.

Sobald du die Flasche öffnest, fällt der Druck ab und es entsteht Kohlenstoffdioxid, das als Sprudeln aus der Flasche austritt. Neben Drucksenkung führt auch der Anstieg der Temperatur oder das Schütteln der Flasche zur Freisetzung des Kohlenstoffdioxids.

Salze der Kohlensäure

Die Salze der Kohlensäure (H₂CO₃) heißen Carbonate oder auch Hydrogencarbonate. Sie entstehen, wenn die Kohlensäure ihre Protonen abgibt. Hier siehst du ein paar bekannte Carbonate auf einen Blick:

• Calciumcarbonat (CaCO₃) kommt in verschiedenen Erscheinungsformen wie Kalkstein, Kreide, Doppelspat oder auch Marmor vor. Calciumcarbonat ist außerdem ein Bestandteil von Korallenriffen.
• Natriumcarbonat (Na₂CO₃) ist auch als calciniertes Soda bekannt. Es ist besonders für die Herstellung von Seifen, Waschmitteln, Glas und in der Papier- und Textilindustrie von Bedeutung.
• Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) findet vor allem im Haushalt als Natron im Backpulver Anwendung. Das Kohlenstoffdioxid, das beim Backen freigesetzt wird, sorgt für eine luftige Konsistenz des Teigs.
• Ammoniumhydrogencarbonat (NH₄HCO₃) ist auch als Hirschhornsalz bekannt und wird beim Backen, zum Beispiel von Lebkuchen, verwendet.

Kohlenstoffdioxid

Super! Jetzt kennst du die Summenformel und die Reaktionsgleichung der Kohlensäure (H₂CO₃) und weißt, wie sie hergestellt wird. Sie entsteht also aus der Reaktion von Kohlenstoffdioxid und Wasser. Aber was ist eigentlich Kohlenstoffdioxid? Wie das Gas genau aussieht und welche Eigenschaften es hat, erfährst du in unserem Video dazu.