Organische Chemie
Organische Stoffgruppen III
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Kohlenstoffdioxid ist ein Gas. In diesem Beitrag erfährst du alles über seine Eigenschaften, Verwendung und seinen Einfluss auf unser Klima. %Hier geht's zu unserem kurzen Video!

Was ist Kohlenstoffdioxid?

Kohlenstoffdioxid (auch: Kohlendioxid) ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Kohlenstoff %Verweis und Sauerstoff . Es hat die Formel CO2 und ist ein geruch- und farbloses Gas. 

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CO2 Strukturformel

%<img class="alignnone size-medium wp-image-148933" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/05/CO2-300x61.png" alt="" width="300" height="61" /> %Beschriftung: CO<sub>2</sub> Strukturformel %Alt.Text: Kohlenstoffdioxid Formel, Kohlendioxid Formel, carbon dioxide, Was ist CO<sub>2</sub>, Was ist Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffdioxid Lewis Formel, Lewis Formel CO<sub>2</sub>, CO<sub>2</sub> Lewis Formel

Das Gas gehört zu den Bestandteilen unserer Luft. Genauer gesagt beträgt der CO2-Anteil in der Luft ca. 0,03 %. 

Wir atmen CO2 in höherer Konzentration aus, als wir es einatmen. Die Pflanzen wandeln es dann in der Photosynthese in Glucose (Traubenzucker) und Sauerstoff um. Die Verbindung wird also in einem ständigen Kreislauf (Kohlenstoffkreislauf ) zwischen den Erdsphären ausgetauscht.

CO2 Definition

Kohlenstoffdioxid (engl. carbon dioxide, Formel: CO2) besteht aus Kohlenstoff und Sauerstoff. CO2 ist ein farbloses Gas, das zum Treibhauseffekt beiträgt (Stichwort Klimawandel).

Kohlenstoffdioxid Steckbrief

Wir haben dir einige physikalische Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid in einem Steckbrief zusammengefasst:

Kohlenstoffdioxid (CO2) Steckbrief
Aussehen farbloses Gas
Geruch bei niedrigen Konzentrationen kein Geruch, bei höheren scharfer bis saurer Geruch
Summenformel CO2
Dichte 1,98 kg/m3
Molare Masse 44,01 g/mol (schwerer als Luft)
Löslichkeit gut in Wasser löslich
Sublimationspunkt -78,5°C
Schmelzpunkt kein Schmelzpunkt
Brennbar nein
Vorkommen in der Luft; Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs; in Gewässern (Ozean, See)
Besonderheiten gehört zu den Treibhausgasen; in fester Phase als Trockeneis verwendbar

Kohlenstoffdioxid Eigenschaften

Löst du Kohlenstoffdioxid in Wasser, entsteht Kohlensäure (H2CO3). Die Kohlensäure liegt dabei als Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3) und Oxoniumionen (H3O+) vor. Aus dem Grund reagiert es sauer:

    \[\ce{CO2 + 2 H2O -> HCO3- + H3O+ }\]

CO2 kann als schwaches Oxidationsmittel für unedle Metalle wie Magnesium verwendet werden. Bei der Reaktion wird Kohlenstoff und Magnesiumoxid (MgO) produziert:

    \[\ce{CO2 + 2 Mg -> C + 2 MgO }\]

%Welche weiteren Metalle es gibt und was ihre Eigenschaften sind, erfährst du in unserem Video! %Thumbnail Metalle

CO2 Strukturformel

Das CO2-Molekül ist linear angeordnet. Das bedeutet, dass sich alle beteiligten Atome auf einer Linie befinden. Das Kohlenstoffatom ist durch eine Doppelbindung mit den beiden Sauerstoffatomen verbunden.  

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CO2 Strukturformel

%<img class="alignnone size-medium wp-image-148933" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/05/CO2-300x61.png" alt="" width="300" height="61" /> %Beschriftung: CO<sub>2</sub> Strukturformel %Alt.Text: Kohlenstoffdioxid Formel, Kohlendioxid Formel, carbon dioxide, Was ist CO<sub>2</sub>, Was ist Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffdioxid Lewis Formel, Lewis Formel CO<sub>2</sub>, CO<sub>2</sub> Lewis Formel %@animation: hier dann bitte noch die freien Elektronenpaare bei den beiden O's einzeichnen

Die beiden Sauerstoffatome haben jeweils noch zwei freie Elektronenpaare. Sauerstoff ist elektronegativer als Kohlenstoff. Das bedeutet, dass die beiden O’s die Elektronen zu sich ziehen. Daher sind der Kohlenstoff und die beiden Sauerstoffatome polarisiert. Da das Molekül aber symmetrisch ist, weist Kohlenstoffdioxid keinen Dipolmoment auf. 

CO2-Vergiftung

Ist CO2 eigentlich giftig? Es ist zwar in unserer Luft enthalten, kann aber in zu hoher Konzentration schädlich für alle Lebewesen sein.

Ein CO2-Wert von unter 800 ppm beschreibt eine gute Raumluftqualität. Bei CO2-Werten über 1400 ppm kannst du die Luftqualität als niedrig einstufen. Deshalb sollte der Kohlenstoffdioxid-Gehalt in der Luft nicht zu hoch werden. Im globalen Mittel liegt der Kohlendioxid-Wert aktuell ungefähr bei 400 ppm.

Sind die Werte des Gases in unserer Luft zu hoch, verdrängt Kohlendioxid dort den Sauerstoff. Der ist allerdings für Tiere und uns Menschen lebensnotwendig.

Dadurch, dass wir CO2 einatmen, haben wir es auch in unserem Blut. In geringer Konzentration sorgt es dafür, dass unser Atemzentrum im Gehirn aktiviert wird. Befindet sich das Gas jedoch in größeren Mengen in deinem Blut, kann es den Atemanreiz vermindern oder gar aufheben. Das bedeutet, dass es dann zu einem Atemstillstand kommen kann.

Bereits ab einer Kohlendioxid-Konzentration von 1% in der Atemluft kannst du schläfrig werden. Dann sprichst du schon von einer leichten Kohlendioxidvergiftung. Enthält die Einatemluft etwa 5% CO2, können folgende Symptome auftreten:

  • Kopfschmerzen
  • Schwindel
  • Verwirrung
  • Kurzatmigkeit

Ab einer CO2-Konzentration von 8% in der Luft, kannst du eine Vergiftung an weiteren Anzeichen erkennen:

  • getrübte Sicht
  • Muskelzittern
  • Schwitzen
  • Ohnmacht
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Symptome einer Kohlenstoffdioxidvergiftung

%<img class="alignnone size-medium wp-image-149861" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/05/Kohlenstoffdioxidvergiftung-300x256.png" alt="" width="300" height="256" /> %Beschriftung: Symptome einer Kohlenstoffdioxidvergiftung %Alt.Text: Ist CO2 giftig, carbon dioxide, was ist Kohlenstoffdioxid, Was ist CO2, Kohlendioxid %@animation: vllt so ähnlich darstellen, aber drei Prozent weglassen

In Weinkellern, Futtersilos und Brunnen kommt es immer wieder zu Unfällen mit dem Gas. Denn durch Gärprozesse entsteht eine große Menge an Kohlendioxid. 

Auch für Pflanzen ist eine erhöhte Menge des Gases schädlich. Sie benötigen Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff für die Photosynthese . Dadurch wirkt eine erhöhte Konzentration von Kohlendioxid zunächst als eine Art Dünger. Aber zu hohe Mengen können die Stoffe verändern, die die Pflanze produziert. Beispielsweise wurde bei Reis eine andere Nährstoffzusammensetzung festgestellt. So enthält der Reis nicht mehr so viele Eiweiße oder Vitamine wie normalerweise. Das kann das Problem der weltweiten Unterernährung verstärken. 

CO2 Herstellung

Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Erdöl, Erdgas). Dabei reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff:

    \[\ce{C + O2 -> CO2 }\]

Noch ist es nicht möglich, das CO2 abzufangen, wodurch es in unsere Atmosphäre gelangt. Das passiert in so großen Mengen (36 Milliarden Tonnen pro Jahr), dass es für unser Klima schädlich ist. 

Technisch wird das Gas durch die Reaktion von Koks (kohlenstoffhaltiger Brennstoff) und überschüssiger Luft hergestellt.

Es existiert außerdem ein Verfahren, um den Kohlenmonoxid (CO)-Gehalt in der Luft zu verringern. Dabei reagiert CO mit Wasser und du erhältst Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff (H2):

    \[\ce{CO + H2O -> CO2 + H2 }\]

Im Labor kannst du das Gas herstellen, indem du Calciumcarbonat mit Salzsäure reagieren lässt:

    \[\ce{2 HCl + CaCO3 -> CaCl2 + H2O + CO2 }\]

Kohlenstoffdioxid Nachweis

Der Nachweis von Kohlenstoffdioxid ist auf unterschiedliche Arten möglich. Eine Möglichkeit ist die sogenannte Kalkwasserprobe. Dafür benötigst du eine Calciumhydroxidlösung (Ca(OH)2), in die du dein zu untersuchendes Gas einleitest. Enthält das Gas Kohlendioxid, entsteht Kalk (CaCO3):

    \[\ce{CO2 + CaOH2 -> H2O + CaCO3 }\]

Kalk fällt als weißer Feststoff aus. Daneben entsteht auch noch Wasser, wodurch du dir den Namen Kalkwasserprobe gut merken kannst.

Statt einer Calciumhydroxidlösung kannst du auch eine Bariumhydroxidlösung (Ba(OH)2) nehmen. Dabei fällt dann bei einem positivem Nachweis kein Kalk aus, sondern Bariumcarbonat (BaCO3):

    \[\ce{CO2 + BaOH2 -> H2O + BaCO3 }\]

Eine andere Option, Kohlenstoffdioxid nachzuweisen ist die Titration. Dabei liegt das Gas in wässriger Lösung vor, zu der du einen Indikator gibst. Durch Zutropfen von Natronlauge kannst du einen Farbumschlag beobachten, wenn CO2 in der Lösung enthalten ist. Mithilfe der Titration kannst du sogar genau bestimmen, wie viel Kohlenstoffdioxid vorhanden ist. %Du weißt nicht mehr so gut über die Titration Bescheid? Kein Problem, wir haben ein extra Video dazu für dich! %Thumbnail Titration

Kohlenstoffdioxid Verwendung

In der Industrie wird das Gas aufgrund seines geringen Preises und seiner Vielfältigkeit häufig verwendet. Schauen wir uns dazu am besten ein paar Beispiele an:

  • Trockeneis: Im festen Aggregatszustand kann Kohlenstoffdioxid zum Kühlen von Nahrungsmitteln genutzt werden. Du kannst damit auch Oberflächen reinigen.
  • Kältemittel: Flüssiges Kohlendioxid kann als Kältemittel z.B. in Klimaanlagen oder Getränkeautomaten eingesetzt werden.
  • Lebensmitteltechnologie: Hier wird das Gas für unterschiedliche Dinge verwendet:
    • Beispielsweise in Sodastreams (CO2-Flasche), damit du dein Leitungswasser mit Kohlensäure versehen kannst.
    • Das Gas dient aber auch als Lebensmittelzusatzstoff.
    • Damit Obst die richtige Reife bekommt, muss die Luft einen bestimmten CO2-Anteil erreichen. Kohlenstoffdioxid ist also an der Lagerung von Obst beteiligt.
    • Du kannst das Gas auch verwenden, um die Haltbarkeit von abgepacktem Obst zu gewährleisten.
  • Feuerlöscher: Da CO2 Sauerstoff verdrängen kann, ist es Bestandteil von Feuerlöschern
  • Schutzgas: Aus demselben Grund wird es beim Schweißen als Schutzgas verwendet.
  • Laser: Ein Laser mit einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Helium zählt zu den leistungsstärksten Lasern. Sie werden in der Industrie eingesetzt.
  • Synthesestoff: Mithilfe von Kohlenstoffdioxid können auch andere chemische Stoffe wie z.B. Harnstoff herstellt werden.
  • Dünger: In Gewächshäusern wird das Gas als Dünger für Pflanzen eingesetzt. Das liegt daran, dass es bis zu einer gewissen Konzentration die Photosynthese ankurbelt.
  • Betäubungsmittel: In sogenannten CO2-Anlagen werden Schweine mit dem Gas betäubt, bevor sie geschlachtet werden. 
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Kohlenstoffdioxid Verwendung Beispiele

%@animation: hier bitte wie in den anderen Artikeln zu den chemischen Verbindungen ein Bild zeigen mit vier Verwendungsmöglichkeiten: Trockeneis, Feuerlöscher, Laser und Dünger; Beschriftung: Kohlenstoffdioxid Verwendung Beispiele %Alt.Text: carbon dioxide, Was ist CO<sub>2</sub>, Was ist Kohlenstoffdioxid

CO2 Klimawandel

CO2 ist ein wichtiger Bestandteil unserer Luft. Außerdem spielt es eine bedeutende Rolle als Treibhausgas. Kohlenstoffdioxid ist nämlich in der Lage, einen Teil der Wärme, die unsere Erde ins All abgibt, wieder „zurückzuholen“. Durch den natürlichen Treibhauseffekt entsteht das Klima, das wir auf unserer Erde haben. 

Kohlendioxid kommt als Naturprodukt vor und wird beispielsweise bei der Zellatmung von Organismen oder dem Verbrennen von Holz produziert. Aber durch uns Menschen entsteht ebenfalls viel Kohlenstoffdioxid. Denn wir verbrennen fossile Brennstoffe wie Erdöl oder Kohle, wodurch eine Menge des Gases frei wird. Allein seit Mitte des 20. Jahrhunderts hat sich der CO2-Anteil vervierfacht!

Natürliche Kohlenstoffsenken wie Bäume schaffen es nicht mehr, unser hergestelltes CO2 zu kompensieren. Durch den erheblichen Anstieg des Gases in unserer Atmosphäre, erwärmt sich das Klima und die Gletscher schmelzen. Das wiederum hat einen negativen Effekt auf Pflanzen und Tiere. Aus diesem Grund sollten wir als momentane CO2-Verursacher darauf achten, dass wir nicht zu stark  in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf der Erde eingreifen. 

%In unserem Video zum Kohlenstoffkreislauf erklären wir dir, wie Kohlenstoffdioxid zwischen den einzelnen Sphären unserer Erde ausgetauscht wird. %Thumbnail Kohlenstoffkreislauf

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