Kohlenstoffdioxid

Was ist Kohlenstoffdioxid?  

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

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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.

Kohlenstoffdioxid Steckbrief

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

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:

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

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

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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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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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:

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):

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

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):

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):

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!

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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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.