Kohlenstoffdioxid: Eigenschaften, Nachweis und Klima

Alle Stoffe bestehen aus winzigen Bausteinen, den Atomen. Kohlenstoffdioxid ist eine Verbindung: ein Stoff, in dem Atome verschiedener Sorten fest miteinander verbunden sind. Beim Kohlenstoffdioxid sind immer drei Atome zu einem Teilchen verbunden, einem Molekül: ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome. Das Kohlenstoffatom sitzt in der Mitte. Vereinfacht zeichnet man das Molekül als O=C=O; die Doppelstriche stehen für feste Bindungen zwischen den Atomen.

Ein Gas ist nicht dasselbe wie Luft. Luft ist ein Gasgemisch, das hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff sowie geringe Mengen weiterer Gase enthält. CO₂ ist nur einer dieser Bestandteile.

Bei normalem Luftdruck wird festes CO₂ nicht zuerst flüssig, wenn es sich erwärmt. Es geht bei etwa −78,5 °C direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Übergang heißt Sublimation. Festes CO₂ wird deshalb Trockeneis genannt. Es ist so kalt, dass es auf der Haut Erfrierungen verursachen kann. Flüssiges CO₂ gibt es nur, wenn der Druck deutlich höher ist als der normale Luftdruck.

Die Eigenschaften erklären viele Anwendungen. Gelöstes CO₂ sorgt für das Sprudeln in Getränken. Beim Backen bilden CO₂-Blasen Hohlräume und lockern den Teig. Trockeneis dient als Kühlmittel. CO₂ kann als Schutzgas dienen: In manchen Lebensmittelverpackungen verdrängt es den Sauerstoff, damit die Lebensmittel länger frisch bleiben. CO₂-Feuerlöscher nutzen aus, dass das Gas eine Verbrennung nicht unterhält (eine Kerzenflamme geht darin aus) und dass es den Sauerstoff am Brandherd verdrängen kann.

Dieselben Eigenschaften können gefährlich werden. Viel CO₂ in der Atemluft ist selbst schädlich: Schon bevor der Sauerstoff knapp wird, kann es Kopfschmerzen, Schwindel und Bewusstlosigkeit auslösen. Außerdem verdrängt es Sauerstoff. CO₂ ist farblos und in den Mengen, die üblicherweise in der Luft vorkommen, geruchlos; deine Sinne warnen dich daher nicht zuverlässig. Weil CO₂ schwerer als Luft ist, kann es sich in schlecht belüfteten, tiefer gelegenen Bereichen ansammeln, zum Beispiel in Silos, Brunnen, Gruben oder Weinkellern. Betritt einen solchen Bereich bei einem Verdacht nicht und versuche keine Rettung ohne geeignete Ausrüstung. Hole sofort professionelle Hilfe. Eine brennende Kerze ist dort kein sicherer Test: Sie kann auch aus anderen Gründen ausgehen, und die Luft kann schon gefährlich sein, während die Kerze noch brennt.

Leitet man CO₂ in Wasser, laufen zwei Vorgänge ab, die du unterscheiden solltest. Zuerst löst sich ein großer Teil des Gases. Die CO₂-Moleküle verteilen sich zwischen den Wasserteilchen und bleiben dabei CO₂-Moleküle. Es entsteht also kein neuer Stoff: Das ist ein physikalischer Vorgang. Mit Formeln schreibt man:

\ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}

Dabei steht (g) für gasförmig und (aq) für in Wasser gelöst. Der Doppelpfeil zeigt: Gelöstes CO₂ kann auch wieder als Gas austreten.

Ein kleiner Teil des gelösten CO₂ reagiert außerdem mit Wasser und bildet Kohlensäure, also einen neuen Stoff. Dabei entstehen auch winzige, elektrisch geladene Teilchen, die man Ionen nennt. Die Lösung reagiert deshalb schwach sauer.

In einer geschlossenen Getränkeflasche hält erhöhter Druck viel CO₂ in Lösung. Beim Öffnen sinkt der Druck. Gelöstes CO₂ tritt als Gas aus und bildet Blasen. Auch Wärme wirkt: Warmes Wasser kann weniger CO₂ gelöst halten als kaltes. Ein warmes Getränk verliert daher schneller CO₂ als ein kaltes.

Die Kalkwasserprobe ist ein Nachweis, also ein Test, der zeigt, ob ein bestimmter Stoff da ist. Sie zeigt, ob unter den Versuchsbedingungen CO₂ nachweisbar ist. Wie viel CO₂ vorhanden ist, bestimmt sie nicht.

Kalkwasser ist eine klare Lösung von Calciumhydroxid in Wasser: In einem Liter ist so viel gelöst, wie sich lösen lässt, etwa 1,7 g (bei Raumtemperatur). Calciumhydroxid kann schwere Augenschäden verursachen und die Haut reizen. Deshalb führt die Lehrkraft die Probe im Chemieraum vor. Alle tragen eine Schutzbrille, und wer die Lösung einfüllt, trägt Schutzhandschuhe. Die kleinen Reste gibt die Lehrkraft mit viel Wasser verdünnt in den Ausguss. Zu Hause machst du diesen Versuch nicht.

Bei der Probe wird das zu prüfende Gas durch klares Kalkwasser geleitet. Beobachtung bei positiver Probe: Das Kalkwasser wird weiß und trüb. Deutung: Es entsteht Calciumcarbonat, ein weißer Feststoff, der sich in Wasser kaum löst. Als Wortgleichung: Calciumhydroxid + Kohlenstoffdioxid → Calciumcarbonat + Wasser. Mit Formeln:

\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3(s) + H2O}

In \ce{Ca(OH)2} gilt die 2 hinter der Klammer für alles in der Klammer: Die Formel \ce{Ca(OH)2} steht für 1 Ca-, 2 O- und 2 H-Atome. Das (s) zeigt, dass Calciumcarbonat als fester Stoff ausfällt; man nennt ihn Niederschlag.

Eine Vergleichsprobe zeigt, wie das klare Kalkwasser ohne das untersuchte Gas aussieht. Sie hilft, eine schon vorhandene Trübung nicht fälschlich als positives Ergebnis zu deuten. Bleibt die Trübung aus, ist das Ergebnis unter den gewählten Bedingungen negativ. Das beweist nicht ohne Weiteres, dass überhaupt kein CO₂ vorhanden war: Gasmenge, Einleitungsdauer, Zustand des Kalkwassers und Versuchsaufbau können das Ergebnis beeinflussen.

CO₂ wird fortlaufend gebildet, aufgenommen und wieder freigesetzt. Dieser Weg des Kohlenstoffs durch Luft, Lebewesen, Böden und Meere heißt Kohlenstoffkreislauf.

Bei der Zellatmung bauen Zellen Traubenzucker, die Glucose, mithilfe von Sauerstoff ab. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid, Wasser und nutzbare Energie. Als Wortgleichung: Glucose + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser. Mit Formeln:

\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}

Pflanzen nutzen bei der Photosynthese Lichtenergie, um aus CO₂ und Wasser Glucose aufzubauen. Dabei entsteht Sauerstoff. Als Wortgleichung: Kohlenstoffdioxid + Wasser → Glucose + Sauerstoff. Mit Formeln:

\ce{6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2}

Photosynthese und Zellatmung sind eng verbunden. Die Aussage, Pflanzen wandelten CO₂ einfach in Sauerstoff um, ist aber zu kurz: Auch Wasser, Glucose und Lichtenergie gehören dazu. CO₂ entsteht außerdem, wenn kohlenstoffhaltige Brennstoffe wie Holz, Kohle, Erdöl oder Erdgas verbrennen.

Der natürliche Treibhauseffekt hält einen Teil der Wärme, die die Erde abgibt, in der Lufthülle der Erde, der Atmosphäre. So bleibt es auf der Erde warm genug zum Leben. CO₂ ist eines der Gase, die diese Wärmestrahlung aufnehmen und wieder abgeben. Problematisch ist nicht, dass CO₂ überhaupt vorkommt. Entscheidend ist die zusätzliche Menge, die Menschen vor allem durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas freisetzen.

Die Wirkungskette sieht so aus: Kohle, Erdöl und Erdgas speichern Kohlenstoff, der über Millionen Jahre im Untergrund gebunden war. Ihre Verbrennung setzt diesen Kohlenstoff in kurzer Zeit als CO₂ frei. Pflanzen und Meere nehmen einen Teil davon auf, aber nicht die gesamte zusätzliche Menge. Deshalb steigt der CO₂-Anteil in der Atmosphäre. Der Treibhauseffekt wird verstärkt, und es wird auf der Erde im Mittel wärmer. Mögliche Folgen sind unter anderem schmelzende Gletscher, ein steigender Meeresspiegel, mehr Hitzetage und Regen, der anders verteilt fällt als früher.