54. Die Kohlensäure und ihre Salze
Die Kohlensäure
Das Gas CO2 ist im Vergleich zu O2 und N2 relativ gut in Wasser löslich und reagiert zu einem geringen Anteil (etwa 0,2 %, je nach Temperatur) zu Kohlensäure. Druck begünstigt die Reaktion, Hitze wirkt ihr entgegen:
$ \mathrm{ \ CO_2 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2CO_3} $
CO2 wird umgangssprachlich oft als Kohlensäure bezeichnet, was allerdings nicht ganz stimmt. Tatsächlich wird in der Wasserchemie gelöstes CO2 mit der eigentlichen Säure H2CO3 üblicherweise als „freie Kohlensäure“ zusammengefasst. Kohlensäure spielt eine wichtige Rolle im Säure-Basen-Haushalt sowohl des Wassers als auch des Blutes und anderer Körperflüssigkeiten.
Da die Kohlensäure eine zweiprotonige Säure ist, gibt sie Protonen in zwei Stufen ab.
| 1. Stufe: | $ \mathrm{ \ H_2CO_3 \; \overset{H_2O}{\rightleftharpoons} \ \; \underbrace {HCO^{-}_{3 \ (aq)} + H^{+}_{(aq)} } _{Hydrogencarbonat-Ion}} $ |
| 2. Stufe: | $ \mathrm{ \ HCO^{-}_3 \; \overset{H_2O}{\rightleftharpoons} \ \; \underbrace {CO^{2-}_{3 \ (aq)} + H^{+}_{(aq)} }_{Carbonat-Ion} } $ |
Beim Erhitzen zerfällt die Kohlensäure nach obiger Bildungsgleichung wieder in Wasser und Kohlenstoffdioxid, das als Gas entweicht (Versuch 1). Dadurch verschwindet die saure Reaktion einer Kohlensäurelösung beim Erhitzen.
Salze der Kohlensäure
Als zweiprotonige Säure bildet die Kohlensäure zwei Arten von Salzen, die Hydrogencarbonate und Carbonate. Hydrogencarbonate, früher auch als Bicarbonate oder saure Carbonate bezeichnet, entstehen durch einfache Neutralisation der Kohlensäure mit einer Base. Oft wird auch das Anion dieser Salze, das Hydrogencarbonat-Ion (HCO3−), verkürzt als Hydrogencarbonat bezeichnet. Wird durch weitere Basen-Zugabe auch die zweite Säurefunktion (Carboxygruppe) neutralisiert, so erhält man Carbonate.
Vereinfachte Form der Neutralisationsgleichung:
$ \mathrm { \ H_2CO_3 + NaOH \longrightarrow NaHCO_{3} + H_{2}O } $
Kohlensäure und Natronlauge Natriumhydrogencarbonat
$ \mathrm { \ H_2CO_3 + 2 \ NaOH \longrightarrow Na_{2}CO_{3} + 2 \ H_{2}O } $
Kohlensäure und Natronlauge Natriumcarbonat
$ \mathrm { \ 2 \ H_2CO_3 + Ca(OH)_{2} \longrightarrow Ca(HCO_{3})_{2} + 2 \ H_{2}O } $
Kohlensäure und Kalkwasser Calciumhydrogencarbonat
$ \mathrm { \ H_2CO_3 + Ca(OH)_{2} \longrightarrow CaCO_{3} + 2 \ H_{2}O } $
Kohlensäure und Kalkwasser Calciumcarbonat
Da gelöste Bicarbonat-Ionen sowohl jeweils ein Proton abgeben (Protonendonator) als auch wieder aufnehmen (Protonenakzeptor) können, kommt ihnen eine wichtige physiologische Bedeutung bei der Regulation des Säure-Basen-Haushaltes von Säugetier-Organismen zu
Wichtige Hydrogencarbonate sind neben dem Natriumhydrogencarbonat (Natron, Bullrich-Salz – NaHCO3) das Ammoniumhydrogencarbonat (Hirschhornsalz, NH4HCO3) und das Calciumhydrogencarbonat („Carbonathärte“ des Wassers).
| Formel | chemische Bezeichnung | Bezeichnung | Verwendung |
|---|---|---|---|
| Na2CO3 | Natriumcarbonat | Soda | Seifenindustrie |
| K2CO3 | Kaliumcarbonat | Pottasche | Glasindustrie |
| CaCO3 | Calciumcarbonat | Marmor, Kalk, Kreide | Bauindustrie |
| FeCO3 | Eisencarbonat | Spateisenstein | Eisenindustrie |
Carbonate kommen überall in der Natur vor, meist in Form verschiedener Minerale. Bekannte Vertreter der Carbonate sind unter anderem das Bariumcarbonat Witherit; die Calciumcarbonate Aragonit, Calcit und Vaterit; das Eisencarbonat Siderit (Eisenspat); die basischen Kupfercarbonate Azurit und Malachit; das Magnesiumcarbonat Magnesit; das Mangancarbonat Rhodochrosit (Manganspat); die Natriumcarbonate Gaylussit, Natrit, Pirssonit, Soda und Trona sowie das Zinkcarbonat Smithsonit (Zinkspat). Weitere Vertreter der Carbonatfamilie sind Dolomit (Calciummagnesiumcarbonat) und die in der Natur nur als Stoffgemisch bekannte „Pottasche“ (Kaliumcarbonat). Die Gesamtmenge der in der Lithosphäre enthaltenen Carbonate beträgt etwa 2,9·1016 t.
Weiterhin enthält auch die Hydrosphäre der Meere, Seen und Flüsse große Mengen gelöster Carbonate und nahezu alle Lebewesen tragen sowohl gelöste Carbonate in sich oder benutzen unlösliche Carbonate als Gerüstsubstanz.