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Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid

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Strukturformel
Struktur von Kohlenstoffdioxid
Allgemeines
Name Kohlenstoffdioxid
Andere Namen
  • Kohlendioxid
  • Kohlenstoff(IV)-oxid
  • Dioxidokohlenstoff
  • Kohlensäureanhydrid
  • E290
  • R744
Summenformel CO2
CAS-Nummer 124-38-9
PubChem 280
Kurzbeschreibung

farbloses, geruchloses Gas[1]

Eigenschaften
Molare Masse 44,01 g·mol−1
Aggregatzustand

gasförmig

Dichte

1,98 kg·m−3 (0 °C, 1013 hPa)[2]

Schmelzpunkt

−56,57 °C (0,53 MPa)[2]

Siedepunkt

keiner bei Normaldruck (sublimiert)[2]

Sublimationspunkt

−78,5 °C[2]

Dampfdruck

5,73 MPa[2] (20 °C)

Löslichkeit

3,3 g·l−1 bei 0 °C, 1,7 g·l−1 bei 20 °C, jeweils bei 1013 hPa[3]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [4]
04 – Gasflasche

Achtung

H- und P-Sätze H: 280
P: 410+403 [4]
MAK

9100 mg·m−3[2]

GWP

1 (per Definition) [5]

Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−393,5 kJ·mol−1[6]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
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Kohlenstoffdioxid, auch Kohlendioxid oder in gelöster Form umgangssprachlich oft – besonders im Zusammenhang mit kohlendioxidhaltigen Getränken – ungenau Kohlensäure genannt, ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit der Summenformel CO2. Kohlenstoffdioxid ist ein unbrennbares, saures, farb- und geruchloses Gas, das sich gut in Wasser löst. Mit basischen Metalloxiden oder -hydroxiden bildet es zwei Arten von Salzen, die Carbonate und Hydrogencarbonate genannt werden.

Kohlenstoffdioxid, ein wichtiges Treibhausgas, ist ein natürlicher Bestandteil der Luft, wo es derzeit (2011) in einer mittleren Konzentration von 0,039 Vol.-% (390 ppm) vorkommt.[7] Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichender Sauerstoffzufuhr als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen wandeln Kohlenstoffdioxid durch Fixierung in Biomasse um. Bei der Photosynthese entsteht aus anorganischem Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose. Kohlenstoffdioxid ist ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffzyklus. Kohlenstoffdioxid kann toxisch wirken, jedoch reichen die Konzentrationen und Mengen, denen man in der Luft oder durch Limonadengenuss ausgesetzt ist, hierfür bei weitem nicht aus. Es besitzt ein breites technisches Anwendungsspektrum. In der chemischen Industrie wird es zur Gewinnung von Harnstoff eingesetzt. In fester Form als Trockeneis wird es als Kühlmittel eingesetzt, überkritisches Kohlenstoffdioxid dient als Löse- und Extraktionsmittel.

Bei einem hohen Ölpreis und günstigen Strompreisen (z. B. aus Windkraftanlagen) kann es sich lohnen, für Prozesse der organischen Chemie den Kohlenstoff aus Kohlenstoffdioxid statt aus Öl oder Gas zu gewinnen.[8]

Geschichte

Kohlenstoffdioxid war eines der ersten Gase, das als solches im Unterschied zu Luft so bezeichnet wurde. Im siebzehnten Jahrhundert beobachtete der flämische Chemiker Johan Baptista van Helmont, dass die Masse von Holzkohle bei der Verbrennung abnahm, da die Masse der verbleibenden Asche geringer war als die der eingesetzten Holzkohle. Seine Interpretation war, dass sich der Rest der Holzkohle in eine unsichtbare Substanz verwandelt hatte, die er Gas oder Spiritus sylvestre (Wilder Geist) nannte.[9]

Die Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid wurden durch den schottischen Arzt Joseph Black gründlicher studiert. Er fand im Jahr 1754 heraus, dass beim Versetzen von Calciumcarbonat-Lösungen mit Säuren ein Gas freigesetzt wurde, das er fixed air (fixierte/festgesetzte Luft) nannte.[9] Er erkannte, dass dieses schwerer als Luft war und Verbrennungsvorgänge nicht unterstützte. Beim Einleiten dieses Gases in eine Lösung von Calciumhydroxid konnte er einen Niederschlag erzeugen. Mit diesem Phänomen zeigte er, dass Kohlenstoffdioxid im Atem von Säugetieren vorkommt und durch mikrobiologische Fermentation freigesetzt wird. Seine Arbeiten bewiesen, dass Gase an chemischen Reaktionen beteiligt sein können, und trugen zum Fall der Phlogistontheorie bei.[9]

Joseph Priestley gelang 1772 die erste Herstellung von Sodawasser, indem er Schwefelsäure in eine kalkhaltige Lösung leitete und das entstandene Kohlenstoffdioxid in einem Becher mit Wasser löste.[10]

Im Jahr 1823 verflüssigten Humphry Davy und Michael Faraday Kohlenstoffdioxid durch Druckerhöhung.[11] Die erste Beschreibung von festem Kohlenstoffdioxid stammt von Charles Thilorier, der 1834 einen unter Druck stehenden Behälter mit flüssigem Kohlenstoffdioxid öffnete und feststellte, dass die spontane Verdampfung unter Abkühlung stattfindet, die zu festem CO2 führt.[12]

Vorkommen

→ Hauptartikel: Kohlenstoffzyklus

Kohlenstoffdioxid kommt in der Atmosphäre, der Hydrosphäre, der Lithosphäre und der Biosphäre vor. Der Kohlenstoffaustausch zwischen diesen Geosphären erfolgt zum großen Teil durch Kohlenstoffdioxid. In der Atmosphäre befinden sich circa 800 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid. Die Hydrosphäre enthält circa 38.000 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von physikalisch gelöstem Kohlenstoffdioxid sowie als gelöste Hydrogencarbonate- und Carbonate. Die Lithosphäre enthält den bei weitem größten Anteil chemisch gebundenen Kohlenstoffdioxids. Carbonatgesteine wie Calcit und Dolomit enthalten etwa 60.000.000 Gigatonnen Kohlenstoff.[13]

Vorkommen in der Atmosphäre

Entwicklung der CO2-Konzentration während der letzten 420.000 Jahre
→ Hauptartikel: Treibhauseffekt
Globale Kohlenstoffdioxid-Verteilung in der Troposphäre, aufgenommen durch das Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) Instrument der NASA im Juli 2008

Kohlenstoffdioxid ist ein Spurengas der Erdatmosphäre, das derzeit in einer Konzentration von 390 ppm (parts per million, Teile pro Million) vorkommt.[7] Die Gesamtmasse an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre beträgt circa 3000 Gigatonnen bzw. etwa 800 Gt Kohlenstoff (das Verhältnis der Molmassen von CO2 und C ist 11/3). Die Konzentration variiert jahreszeitlich sowie lokal besonders in Bodennähe. In städtischen Regionen ist die Konzentration im Allgemeinen höher, in geschlossenen Räumen kann die Konzentration bis um das Zehnfache des Durchschnittswerts liegen.[14]

Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während der kurzwelligere Teil der Sonnenstrahlung nahezu ungehindert passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid entsprechend seinem Mengenanteil das zweitwirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von Methan und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche durch den natürlichen Treibhauseffekt von circa −18 °C auf +15 °C. Kohlenstoffdioxid hat einen relativ großen Anteil am Gesamteffekt und ist somit für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich.[15]

Der Kohlenstoffdioxid-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. Vor 500 Millionen Jahren war die Kohlenstoffdioxid-Konzentration circa 20-fach höher als in der heutigen Zeit.[16] Der Wert sank kontinuierlich und betrug im Jura etwa das Vier- bis Fünffache des aktuellen Werts. Seitdem sank der Wert weiter. Seit wenigstens 650.000 Jahren lag der Anteil jedoch immer unterhalb von 280 ppm.[17] Die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlenstoffdioxidkreislaufes war somit in dieser Zeit ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der Kohlenstoffdioxid-Anteil in der Atmosphäre. Die gegenwärtige Konzentration ist wahrscheinlich der höchste Wert seit 15 bis 20 Millionen Jahren.[18][19] Im Zeitraum von 1960 bis 2005 stieg der Kohlenstoffdioxid-Anteil im Mittel um 1,4 ppm pro Jahr.[20]

Die Keeling-Kurve zeigt den Anstieg des atmosphärischen Gehalts an Kohlenstoffdioxid seit 1958

Die anthropogenen, das heißt vom Menschen verursachten, Kohlenstoffdioxid-Emissionen betragen jährlich circa 36,3 Gigatonnen[20] und sind nur ein kleiner Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlenstoffdioxids von jährlich etwa 550 Gigatonnen.[21] Da die natürlichen Kohlenstoffsenken jedoch gleich viel CO2 wieder aufnehmen, blieb die Kohlenstoffdioxid-Konzentration vor der Industrialisierung relativ konstant. Das zusätzliche Kohlenstoffdioxid wird etwa zur Hälfte von der Biosphäre und von den Ozeanen (dies hat deren Versauerung zur Folge) aufgenommen, so dass diese jetzt mehr Kohlenstoffdioxid aufnehmen als sie abgeben. Die andere Hälfte des ausgestoßenen Kohlenstoffdioxids verbleibt in der Atmosphäre und führt dort zu der messbaren Zunahme der Konzentration, was von Charles Keeling mit der nach ihm benannten Keeling-Kurve erstmals Anfang der 1960er Jahre gezeigt werden konnte.

Es ist allgemein anerkannt, dass es einen statistisch signifikanten anthropogenen Einfluss auf das Klima gibt, der hauptverantwortlich für die globale Erwärmung ist. Diese Erwärmung geht sehr wahrscheinlich zum größten Teil auf die Verstärkung des Treibhauseffektes durch den Ausstoß von Treibhausgasen zurück.[22] Das zusätzlich erzeugte Kohlenstoffdioxid hat einen Anteil von ca. 60 % an der Verstärkung des Treibhauseffektes.[23][24] Die Folgen der globalen Erwärmung sollen durch Klimaschutz gemindert werden. Tabellarische Zusammenstellungen der CO2-Emittenten sind in der Liste der größten Kohlenstoffdioxidemittenten und der Länderliste CO2-Emission pro Kopf zu finden.

Vorkommen in Ozeanen

Das Wasser der Ozeane enthält Kohlenstoffdioxid in gelöster Form sowie als Kohlensäure im Gleichgewicht mit Hydrogencarbonaten und Carbonaten. Die gelöste Menge ändert sich mit der Jahreszeit, da sie von der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers abhängt: Kaltes Wasser löst mehr Kohlenstoffdioxid. Da kaltes Wasser auch eine höhere Dichte aufweist, sinkt das kohlenstoffdioxidreiche Wasser in tiefere Schichten ab. Nur bei Drücken über 300 bar und Temperaturen über 120 °C (393 K) ist es umgekehrt, etwa in der Nähe von tiefen, geothermalen Schloten.[25] Daher sinkt die Aufnahmefähigkeit der Ozeane für Kohlenstoffdioxid mit steigender Temperatur.

In den Ozeanen ist etwa 50-mal mehr Kohlenstoff enthalten als in der Atmosphäre. Der Ozean wirkt als große Kohlenstoffdioxidsenke und nimmt circa ein Drittel der durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Menge Kohlenstoffdioxid auf.[26] In den oberen Schichten der Ozeane wird es teilweise durch Photosynthese gebunden. Mit steigender Lösung von Kohlenstoffdioxid sinkt die Alkalinität des Salzwassers, und es wird befürchtet, dass sich dies negativ auf die Ausbildung von Muschelschalen auswirkt.[27] Andererseits gibt es Hinweise, dass eine erhöhte Kohlenstoffdioxid-Konzentration einige Spezies zu vermehrter Muschelschalenproduktion anregt.[28]

Vorkommen im Süßwasser

Durch spezielle geologische Bedingungen kann Süßwasser mit erheblichen Mengen Kohlenstoffdioxid beladen sein, etwa Wasser aus Mineralquellen oder in Seen auf erloschenen Vulkanen, so genannten Maaren. In seltenen Fällen kommt es zu Naturkatastrophen mit Kohlenstoffdioxid; die bekannteste ereignete sich 1986 am Nyos-See in Kamerun.[29] Der See befindet sich in einem alten Vulkankrater im Oku-Vulkangebiet. Eine Magmakammer speist den See mit Kohlenstoffdioxid, dessen Wasser damit gesättigt ist. Wahrscheinlich ausgelöst durch einen Erdrutsch wurden 1986 große Mengen von Kohlenstoffdioxid aus dem See freigesetzt und töteten etwa 1700 Bewohner sowie 3500 Nutztiere umliegender Dörfer. Eine ähnliche Katastrophe ereignete sich 1984 am Manoun-See, dessen Wasser durch einen ähnlichen Mechanismus mit Kohlenstoffdioxid gesättigt wird. Bei dieser spontanen Kohlenstoffdioxidfreisetzung kamen 37 Menschen ums Leben. Auch der Kiwusee in Zentralafrika weist in seinem Tiefenwasser hohe Konzentrationen an gelösten Gasen auf. Man schätzt, dass etwa 250 km3 Kohlenstoffdioxid im See gelöst sind.[30]

Extraterrestrisches Vorkommen

Nachweis von Kohlenstoffdioxid (grün) in protoplanetarischen Scheiben (Quelle:NASA)

Die Atmosphäre der Venus besteht zu 96,5 % aus Kohlenstoffdioxid bei einem Druck von etwa 90 bar. Der wegen des hohen Kohlendioxidanteils starke Treibhauseffekt wird durch die Nähe zur Sonne verstärkt und führt zu einer Oberflächentemperatur von etwa 480 °C.[31] Kohlenstoffdioxid stellt mit einem Anteil von 95 % ebenfalls den Hauptteil der Mars-Atmosphäre.[32] An den Mars-Polen wird atmosphärisches Kohlenstoffdioxid teilweise als Trockeneis gebunden. Durch den niedrigen Atmosphärendruck von etwa sieben Millibar führt der Treibhauseffekt trotz des hohen Kohlenstoffdioxid-Anteils nur zu einer Erhöhung um etwa 5 °C. Die Atmosphären der äußeren Planeten und deren Trabanten enthalten Kohlenstoffdioxid, dessen Herkunft Einschlägen von Kometen wie Shoemaker-Levy 9 und kosmischem Staub zugeschrieben wird.[33][34] Mit den Instrumenten des Hubble-Weltraumteleskops fand die NASA auf extrasolaren Planeten wie HD 189733 b Kohlenstoffdioxid.[35]

Kohlenstoffdioxid wird sowohl im interstellaren Raum als auch in protoplanetarischen Scheiben um junge Sterne gefunden.[36] Die Bildung erfolgt durch Oberflächenreaktionen von Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff auf Wassereispartikeln bei Temperaturen um –123 °C (150 K). Durch Verdampfung des Eises wird das Kohlenstoffdioxid freigesetzt.[37] Im freien interstellaren Raum ist die Konzentration allerdings relativ gering, da durch Reaktion mit atomarem und molekularem Wasserstoff Wasser und Kohlenstoffmonoxid gebildet wird.[38]

Herstellung und Gewinnung

Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, insbesondere der fossilen Energieträger. Dabei fallen weltweit etwa 36 Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr an. Da kein wirtschaftliches Verfahren zur Kohlenstoffdioxidabtrennung zur Verfügung steht, entweicht diese Menge in die Atmosphäre.[39]

Technisch fällt Kohlenstoffdioxid beim Verbrennen von Koks mit überschüssiger Luft an. Bei der Kohlevergasung und der Dampfreformierung von Erdgas fällt Kohlenstoffdioxid unter anderem als Produkt der Wassergas-Shift-Reaktion in der Synthesegasherstellung an. Für den Einsatz in der Ammoniaksynthese und bei der Methanolherstellung wird das Synthesegas zum Beispiel im Rectisolverfahren gewaschen, Kohlenstoffdioxid fällt dadurch in großen Mengen in sehr reiner Form an.[40] Als Nebenprodukt fällt Kohlenstoffdioxid beim Kalkbrennen an. Durch anschließende Reinigung über Bildung von Kaliumcarbonat zu Hydrogencarbonat und anschließendes Freisetzen durch Erhitzen werden pro Jahr etwa 530 Millionen Tonnen gewonnen.

Im Labor kann Kohlenstoffdioxid aus Calciumcarbonat und Salzsäure freigesetzt werden, zum Beispiel in einem Kippschen Apparat. Das Gerät fand früher in Laboratorien Verwendung. Die Methode wird kaum noch genutzt, da Kohlenstoffdioxid in Gasflaschen oder als Trockeneis erhältlich ist.[41]

Eigenschaften

Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid (nicht maßstabsgerecht)
Kristallstruktur von Trockeneis

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoffdioxid liegt bei Normaldruck unter −78,5 °C als Feststoff, dem Trockeneis vor. Wird dieses erhitzt, schmilzt es nicht, sondern sublimiert. Festes Kohlenstoffdioxid kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe $ {Pa{\overline {3}}} $ mit dem Gitterparameter a = 5,624 Å.[42]

Die kritische Temperatur beträgt 31,0 °C, der kritische Druck 73,8 bar.[43] Unterhalb der kritischen Temperatur kann Kohlenstoffdioxid durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichtet werden.[44] Bei Raumtemperatur ist dazu ein Druck von circa 60 bar erforderlich.

Kohlenstoffdioxid absorbiert Teile des elektromagnetischen Spektrums u. a. im Bereich der Infrarotstrahlung und wird dabei zu Molekülschwingungen angeregt. Auf dieser Eigenschaft beruht seine Wirkung als Treibhausgas.

Die Löslichkeit in Wasser ist vergleichsweise hoch. Bei Raumtemperatur unter Normaldruck liegt die Sättigung bei 1700 mg/l, während sie bei Sauerstoff bereits bei 9 mg/l und bei Stickstoff bei 20 mg/l erreicht wird. Unter Standardbedingungen ist die Dichte von Kohlenstoffdioxid 1,98 kg/m3.[45]

Molekulare Eigenschaften

Bindungslängen im Kohlenstoffdioxid

Das Kohlenstoffdioxidmolekül ist linear, alle drei Atome liegen auf einer geraden Linie. Der Kohlenstoff ist an die beiden Sauerstoffatome mit Doppelbindungen gebunden, wobei beide Sauerstoffatome zwei freie Elektronenpaare aufweisen. Der Kohlenstoff-Sauerstoff-Abstand beträgt 116,32 pm.[44] Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen sind polar, die elektrischen Dipolmomente heben sich durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist.

Chemische Eigenschaften

In Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid bildet Kohlensäure, H2CO3, wobei mehr als 99 % des Kohlenstoffdioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche bzw. das gelöste Kohlenstoffdioxid liegt in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat (Bicarbonat, HCO3−) und Carbonat (CO32−) vor, die in einem vom pH-Wert abhängigen Mengenverhältnis zueinander stehen. In Wasser liegt dieses Gleichgewicht überwiegend auf der Seite des Kohlenstoffdioxids und nur im geringen Umfang bilden sich Hydrogencarbonationen. Fängt man die bei der Dissoziation gebildeten Oxonium-Ionen H3O+ durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH−) ab, so verschiebt sich das Mengenverhältnis zu Gunsten von Carbonat.

$ {\rm {CO_{2}+2\ H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+H_{3}O^{+}}} $
$ {\rm {HCO_{3}^{-}+H_{2}O\rightleftarrows CO_{3}^{2-}+H_{3}O^{+}}} $

Unedle Metalle wie Magnesium, die als starke Reduktionsmittel fungieren, reagieren mit Kohlenstoffdioxid unter Bildung von Kohlenstoff und Metalloxiden gemäß:[46]

$ \mathrm {CO_{2}+2\ Mg\longrightarrow \ C+2\ MgO} $

Auf Grund der positiven Partialladung am Kohlenstoff reagiert Kohlenstoffdioxid als Elektrophil in der Carboxylierung von Kohlenstoffnukleophilen wie Metall-Alkinyliden oder Alkylmagnesiumverbindungen unter Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bildung. Mit Phenolaten reagiert Kohlenstoffdioxid zu Phenolcarbonsäuren.

Verwendung

Industriell wird Kohlenstoffdioxid in vielfältiger Weise verwendet. Es ist preiswert, nicht entflammbar und wird physikalisch als komprimiertes Gas, in flüssiger Form, fest als Trockeneis oder in überkritischer Phase benutzt. Die chemische Industrie nutzt Kohlenstoffdioxid als Rohmaterial für chemische Synthesen.

Gasförmiges Kohlenstoffdioxid

In Getränken enthaltenes Kohlenstoffdioxid stimuliert beim Trinken die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat. Bei Getränken wie Bier oder Sekt entsteht es durch Gärung, bei anderen wie Limonade oder Sodawasser wird es künstlich zugesetzt oder es wird kohlenstoffdioxidhaltiges, natürliches Mineralwasser verwendet. Bei der Herstellung wird Kohlenstoffdioxid unter hohem Druck in das Getränk gepumpt, wobei es zu etwa 0,2 % mit Wasser zu Kohlensäure reagiert, während sich der größte Teil als Gas im Wasser löst. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt es die Bezeichnung E 290.[47] Im Privathaushalt wird mit Sodabereitern Kohlendioxid aus Druckpatronen durch das anzureichernde Getränk geleitet. Ähnliche Druckpatronen dienen im Modellbau als Energiespeicher zum Betrieb von Kohlendioxidmotoren.

Kohlenstoffdioxid kommt wegen seiner sauerstoffverdrängenden Eigenschaften zu Feuerlöschzwecken, vor allem in Handfeuerlöschern und automatischen Löschanlagen wie Kohlenstoffdioxid-Löscher als Löschmittel zum Einsatz. CO2-Löschanlagen fluten zum Schutz von Silos oder Lagerhallen für brennbare Flüssigkeiten den kompletten Raum mit Kohlenstoffdioxid. Dadurch kommt es zu Unfällen, teilweise mit Todesfolge durch Ersticken.[48] Eine Studie der US-amerikanischen Umweltbehörde EPA identifizierte 51 Unfälle zwischen 1975 und 1997 mit 72 Todesfällen und 145 Verletzten.[49]

Kohlendioxidlaser

Als Kältemittel kommt Kohlenstoffdioxid unter der Bezeichnung R744 in Fahrzeug- und stationären Klimaanlagen, bei industrieller Kältetechnik, Supermarkt- und Transportkühlung sowie in Getränkeautomaten zum Einsatz.[50] Es hat eine große volumetrische Kälteleistung und damit eine höhere Effizienz bei gegebenen Volumen. Kohlenstoffdioxid weist eine hohe Umweltverträglichkeit auf, da das Treibhauspotenzial nur ein Bruchteil der heute verwendeten Kältemittel beträgt. Es besitzt kein Ozonabbau-Potenzial. Kohlenstoffdioxid wird sowohl in Wärmekreisläufen als auch in Warmwasserpumpen und Fahrzeugheizungen genutzt.[51]

In gasgekühlten Kernreaktoren des Typs AGR wird Kohlenstoffdioxid als Kühlmittel eingesetzt.

Kohlenstoffdioxid wird als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt, entweder in reiner Form oder als Zusatz zu Argon oder Helium. Bei hohen Temperaturen ist es thermodynamisch instabil, daher wird es nicht als Inertgas, sondern als Aktivgas bezeichnet.[52]

Backhefe entwickelt durch die Fermentierung von Zucker Kohlenstoffdioxid und dient als Triebmittel bei der Herstellung von Hefeteig. Backpulver, eine Mischung aus Natriumhydrogencarbonat und einem sauren Salz, setzt beim Erhitzen Kohlenstoffdioxid frei und wird ebenfalls als Triebmittel verwendet.[53]

Beim Kohlenstoffdioxid-Laser durchströmt Lasergas, ein Gemisch aus Stickstoff, Helium und Kohlenstoffdioxid, kontinuierlich das Entladungsrohr. Er zählt neben den Festkörperlasern zu den leistungsstärksten industriell eingesetzten Gaslasern mit Leistungen zwischen 10 Watt und 20 Kilowatt. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 10 bis 20 %.[54]

Flüssiges Kohlenstoffdioxid

In flüssiger Form wird Kohlenstoffdioxid in Druckgasflaschen gehandelt. Dabei gibt es zwei Typen: Steigrohrflaschen zur Flüssigentnahme und Flaschen ohne Steigrohr zur Entnahme gasförmigen Kohlenstoffdioxids.[55] Beide müssen zur Entnahme senkrecht stehen. Die Steigrohrflasche wird grundsätzlich ohne, die andere mit Druckminderventil betrieben. Solange sich noch flüssiges Kohlenstoffdioxid in der Druckflasche befindet, ist der Innendruck lediglich von der Temperatur abhängig. Eine Messung des Füllstandes ist deshalb bei beiden Flaschentypen ausschließlich über Wägen möglich. Die Entnahmegeschwindigkeit ist dadurch begrenzt, dass durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung erst wieder flüssiges Kohlenstoffdioxid in der Flasche verdampfen muss, um den der Temperatur entsprechenden Druck wieder aufzubauen.

Festes Kohlenstoffdioxid

Bei der Sublimation von Trockeneis entsteht ein weißer Nebel aus dem kalten Kohlenstoffdioxid-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der früher als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz fand. Heute gibt es zum Beispiel Nebelkühl-Vorsätze für normale Verdampfer-Nebelmaschinen, die mit flüssigem Kohlenstoffdioxid betrieben werden.[56]

In zunehmendem Maße wird Kohlenstoffdioxid in Verbindung mit einem automatisierbaren Strahlverfahren verwendet, um hochreine Oberflächen zu erzeugen. Mit seiner Kombination aus mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften kann beispielsweise Kohlenstoffdioxid-Schnee verschiedene Arten von Oberflächen-Verunreinigungen rückstandsfrei lösen und abtragen.[57]

Bei der Weinherstellung wird Trockeneis als Kühlmittel verwendet um frisch gepflückte Trauben ohne Wasserverdünnung zu kühlen und so eine spontane Fermentation zu vermeiden. Die Weinbauern in Beaujolais benutzen die Kohlensäuremaischung zur Erzeugung des Beaujolais Primeur.[58]

Überkritisches Kohlenstoffdioxid

Überkritisches Kohlenstoffdioxid besitzt eine hohe Löslichkeit für unpolare Stoffe und kann giftige organische Lösemittel ersetzen. Es wird als Extraktionsmittel, zum Beispiel zur Extraktion von Naturstoffen wie Koffein bei der Herstellung von koffeinfreiem Kaffee durch Entkoffeinierung, und als Lösemittel zum Reinigen und Entfetten, zum Beispiel von Wafern in der Halbleiterindustrie und von Textilien in der Chemischen Reinigung, verwendet.[59][60] Überkritisches Kohlenstoffdioxid wird als Reaktionsmedium für die Feinchemikalienherstellung zum Beispiel für die Herstellung von Aromastoffen zu verwendet, da isolierte Enzyme hierin vielfach aktiv bleiben und keine Lösungsmittelrückstände im Gegensatz zu organischen Lösungsmitteln in den Produkten verbleiben.

In der Enhanced Oil Recovery wird überkritisches Kohlenstoffdioxid zur Flutung von Öllagerstätten verwendet, um Öl aus größeren Tiefen an die Oberfläche zu spülen.[61]

Chemische Verwendung

In der chemischen Industrie wird Kohlenstoffdioxid durch Umsatz mit Ammoniak vor allem für die Herstellung von Harnstoff verwendet. Im ersten Schritt reagieren Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zu Ammoniumcarbamat, welches im zweiten Schritt zu Harnstoff und Wasser weiterreagiert.[62]

$ \mathrm {2\ NH_{3}+CO_{2}\longrightarrow \lbrack H_{2}N{-}CO{-}O\rbrack NH_{4}} $
$ \mathrm {\lbrack H_{2}N{-}CO{-}O\rbrack NH_{4}\longrightarrow H_{2}N{-}CO{-}NH_{2}+H_{2}O} $

Durch Reduktion mit Wasserstoff wird Formamid erhalten. Durch Reaktion mit Aminen wie Dimethylamin wird Dimethylformamid erhalten.[63]

Durch Umsetzung von Kohlenstoffdioxid mit Natrium-Phenolat wird mit der Kolbe-Schmitt-Reaktion Salicylsäure gewonnen.[64]

Darstellung von Salicylsäure durch die Kolbe-Schmitt-Reaktion

Durch Umsatz mit Ethylenoxid wird Ethylencarbonat hergestellt. Dieses wird im OMEGA-Prozess mit Wasser hochselektiv zu Monoethylenglykol umgesetzt. Durch Reaktion mit Toluol wird Toluylsäure gewonnen.

Präparativ führt der Einsatz von Kohlenstoffdioxid in der Grignard-Reaktion zu aliphatischen Carbonsäuren.

Grignard-Reaktion mit CO2

Elektrolytisch werden Oxal-, Malon- und Maleinsäure erhalten.

Die Telomerisation von Kohlenstoffdioxid mit zwei Molekülen 1,3-Butadien unter homogener Palladium-Katalyse führt zu Feinchemikalien wie Lactonen unter milden Reaktionsbedingungen.[62]

Beispiel einer Telomerisation von Butadien mit CO2

Im Solvay-Verfahren wird aus Kohlenstoffdioxid Soda hergestellt. Manche Metallcarbonate wie Bleicarbonat, die zum Beispiel durch Umsatz der Metallhydroxide mit Kohlenstoffdioxid erhalten werden, haben eine Bedeutung als Pigment.[65]

Kohlenstoffdioxidrecycling

Neben der Kohlendioxid-Abscheidung und -Lagerung gehen die Forschungen auch in die Richtung, das bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern anfallende Kohlenstoffdioxid in verwertbare Verbindungen und nach Möglichkeit wieder in Energieträger umzuwandeln. So lassen sich bereits über Reduktion Verbindungen wie Methanol[66] und Ameisensäure herstellen[67].

Ebenso ist die Synthese von Harnstoff möglich. Ein französisches Forscherteam untersucht die Möglichkeiten der organokatalytischen Umwandlung zu Formamid bzw. dessen Derivaten.[68] [69] Allerdings führt die notwendige Zuführung von Prozessenergie dazu, dass die Verfahren nicht zur wirtschaftlichen Herstellung von Energieträgern geeignet sind. Wissenschaftler der RWTH Aachen entwickelten ein homogen-katalytisches Verfahren zur Herstellung von Methanol aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff unter Druck mit einem speziellen Ruthenium-Phosphin-Komplex, bei dem Katalysator und Edukte in Lösung vorliegen.[70] Gleichfalls wurde ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Ameisensäure mit einem metallorganischen Rutheniumkomplex entwickelt, bei dem Kohlenstoffdioxid die Doppelrolle sowohl als Reaktant als auch in überkritischer Form als extraktive Phase für die gebildete Ameisensäure hat.[71] In einer anderen Variante, die von einer spanischen Forschergruppe entwickelt wurde, lässt sich Kohlenstoffdioxid über eine Iridium-katalysierte Hydrosilylierung umsetzen und in Form eines Silyl-Formiats abfangen, aus dem sich Ameisensäure leicht abtrennen lässt. Diese Reaktion, die bereits im Gramm-Maßstab realisiert werden konnte, läuft bei sehr milden Reaktionsbedingungen, ist sehr selektiv und hat einen hohen Umsatz.[72]

Im „Innovationszentrum Kohle“ erforschen RWE und die Brain AG, wie Mikroorganismen CO2 umwandeln.[73]

Sonstige Verwendung

Kohlendioxid wurde routinemäßig als Anästhetikum bei Menschen eingesetzt[74] und als sehr zufriedenstellend bewertet. Diese Methode wird mittlerweile nicht mehr in der klassischen Anästhesie bei Menschen genutzt, da wirksamere, inhalierbare Anästhetika eingeführt wurden.

Kohlenstoffdioxid ist im Rahmen der Tiereuthanasie weit verbreitet.[75] In Kohlenstoffdioxid-Anlagen werden in jüngster Zeit Schweine vor der Schlachtung betäubt. Dazu werden sie in Gruppen in einem Paternosteraufzug in eine Grube hinab gelassen, die mindestens 90 % Kohlenstoffdioxid enthält, und verlieren dabei das Bewusstsein.[76] Der Einsatz in hohen Konzentrationen für die Betäubung von Schlachtschweinen wird immer noch sehr kontrovers diskutiert. Aufgrund des Fehlens von besseren, mechanisch wirksamen Alternativen wird diese Methode immer noch toleriert. Mit wenig Einschränkungen wird Kohlenstoffdioxid für die Euthanasie von kleinen Labortieren empfohlen.[75]

Kohlenstoffdioxid wird in Abführmitteln als Zäpfchen verwendet. Durch die Reaktion von Natriumdihydrogenphosphat und Natriumhydrogencarbonat während der Auflösung des Zäpfchens wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt und dehnt den Darm, was wiederum den Stuhlreflex auslöst.[77][78]

Kohlenstoffdioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Grund ist der durch den photosynthetischen Verbrauch entstehende Kohlenstoffdioxid-Mangel bei ungenügendem Nachschub an Frischluft, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid entweder direkt als reines Gas oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas eingebracht. Dadurch wird eine Kopplung von Düngung und Heizung erreicht. Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark der Mangel an Kohlenstoffdioxid ist und wie stark das Lichtangebot für die Pflanzen ist.[79] Kohlenstoffdioxid wird in der Aquaristik als Dünger für Wasserpflanzen eingesetzt (CO2-Diffusor). Durch Zufuhr von organischer Substanz kann der Kohlenstoffdioxid-Gehalt im Wasser durch Veratmung auf Kosten des Sauerstoff-Gehalts erhöht werden.[80]

Eingesetzt wird das Gas auch bei dem Fang blutsaugender Insekten und Vektoren, die das auch im Atem vorkommende Kohlenstoffdioxid in ihrer Wirtsfindung verwenden (z. B. Stechmücken). Es wird dabei aus Trockeneis, aus Gasflaschen oder aus der Verbrennung von Propan oder Butan freigesetzt und lockt die Insekten in die Nähe der Einsaugöffnung spezieller Fallen.[81]

Physiologische Wirkungen und Gefahren

Symptome einer Kohlenstoffdioxidvergiftung

Die Schadwirkung auf Tier und Mensch beruht nicht nur auf der Verdrängung des Sauerstoffes in der Luft. Die Ansicht, Kohlenstoffdioxid wirke nur durch Verdrängen des lebensnotwendigen Sauerstoffs und sei an sich unschädlich, ist falsch. Die DIN EN 13779 teilt die Raumluft je nach Kohlenstoffdioxid-Konzentration in vier Qualitätsstufen ein. Bei Werten unter 800 ppm gilt die Raumluftqualität als gut, Werte zwischen 800 und 1400 ppm (0,08 bis 0,14 Vol.-%) gelten als mittel bis mäßige Qualität. Zum Vergleich: Im globalen Mittel liegt der CO2-Anteil der Luft bei ca. 390 ppm Volumenanteil, er schwankt aber regional, tageszeitabhängig und jahreszeitabhängig, stark. Bei Werten über 1400 ppm gilt die Raumluftqualität als niedrig.[82] Unterhalb der Maximalen Immissions-Konzentration (MIK) von 3000 ppm (0,3 %) bestehen keine Gesundheitsbedenken bei dauerhafter Einwirkung. Die Maximale Arbeitsplatz-Konzentration für eine tägliche Exposition von acht Stunden pro Tag liegt bei 0,5 %.[83] Bei einer Konzentration von 1,5 % nimmt das Atemzeitvolumen um mehr als 40 % zu.

Im Blut gelöstes Kohlenstoffdioxid aktiviert in physiologischer und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum des Gehirns.

In deutlich höherer Konzentration führt es zur Verminderung oder Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes, zunächst zur Atemdepression und schließlich zum Atemstillstand.[84] Ab etwa 5 % Kohlenstoffdioxid in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf, bei höheren Konzentrationen beschleunigter Herzschlag (Tachykardie), Blutdruckanstieg, Atemnot und Bewusstlosigkeit, die so genannte Kohlenstoffdioxid-Narkose. Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen von 8 % führen innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod.[85][86]

Durch hohe Kohlenstoffdioxidkonzentrationen kommt es in Weinkellern, Futtersilos, Brunnen und Jauchegruben immer wieder zu Unfällen.[45] Durch Gärprozesse entstehen dort beträchtliche Mengen an Kohlenstoffdioxid, bei der Vergärung von einem Liter Most zum Beispiel etwa 50 Liter Gärgas. Oft fallen mehrere Personen einer Gärgasvergiftung zum Opfer, weil die Helfer beim Rettungsversuch selbst Kohlenstoffdioxid einatmen und bewusstlos werden. Die Rettung eines Verunglückten aus Kohlenstoffdioxid-verdächtigen Situationen ist nur durch professionelle Einsatzkräfte mit umluftunabhängigem Atemschutz möglich.[87]

Wenn nicht für ausreichende Entlüftung gesorgt ist, bilden sich durch natürliche Kohlenstoffdioxid-Quellen in Höhlen und in Bergwerksstollen mitunter hohe Konzentrationen des Gases. Diese befinden sich dann in Bodennähe, so dass vor allem kleinere Tiere ersticken können. So weist zum Beispiel die Hundsgrotte in Italien eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration von circa 70 % auf.[88]

Die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Blut beeinflusst dessen pH-Wert und hat damit eine indirekte Wirkung auf den Sauerstoffhaushalt. Das Kohlensäure-Bikarbonat-System, ein Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer, stellt etwa 50 % der Gesamtpufferkapazität des Blutes dar, der durch das Enzym Carboanhydratase katalysiert wird.[89]

$ \mathrm {CO_{2}+2\ H_{2}O\ \rightleftharpoons \ H_{3}O^{+}+HCO_{3}^{-}} $

Bei niedrigerem pH-Wert verringert sich seine Sauerstoff-Bindungskapazität. Bei gleichem Sauerstoff-Gehalt der Luft transportiert Hämoglobin weniger Sauerstoff. Der Bohr-Effekt und der Haldane-Effekt beschreiben diesen Sachverhalt.[90] Eine hohe Kohlenstoffdioxid-Konzentration ist auch für Pflanzen schädlich. Als Indikator-Pflanze dient zum Beispiel Mais, der nach einer sechstägigen Expositionsdauer von 10.000 ppm Kohlenstoffdioxid Streifen auf seinen Blättern zeigt.[91]

Ökologische Bedeutung

Übersicht über die Photosynthese und Atmung

Pflanzen und photosynthesefähige Bakterien nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf und wandeln dieses durch Photosynthese unter Einwirkung von Licht und Aufnahme von Wasser in Kohlenhydraten wie Glucose um. Dieser Prozess setzt gleichzeitig Sauerstoff aus der Dekomposition von Wasser frei. Die entstehenden Kohlenhydrate dienen als Energieträger und Baustoff für alle anderen biochemischen Substanzen wie Polysaccharide, Nukleinsäuren und Proteine. Kohlenstoffdioxid stellt damit den Rohstoff für die Bildung aller Biomasse in der Primärproduktion der Ökosysteme.[92]

Der Abbau von Biomasse durch Atmung ist, in Umkehrung zum Prozess der Photosynthese, wieder mit der Bildung von Kohlenstoffdioxid und dem Verbrauch des vorher freigesetzten Sauerstoffs verbunden.[93] Alle Organismen eines Ökosystems atmen fortwährend, während die Photosynthese an die Verfügbarkeit von Licht in den Tagstunden gebunden ist. Dieses führt zur zyklischen Kohlenstoffdioxid Zu- und Abnahme im täglichen und jahreszeitlichen Rhythmus in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Lichtintensitäten.

In Gewässern schwankt die Kohlenstoffdioxid-Konzentration ebenfalls entsprechend den genannten Tages- und Jahreszeit-Rhythmen. Kohlenstoffdioxid ist mit den anderen gelösten Kohlensäure-Spezies zu einem Gleichgewichtssystem verknüpft, welches den im Wasser herrschenden pH-Wert wesentlich bestimmt. Von diesem pH-Wert hängen dann ihrerseits wieder die Gleichgewichtslagen der Dissoziationen von Ammonium/Ammoniak, Nitrit/Salpetrige Säure und Sulfide/Schwefelwasserstoff und anderen Säure-Basen-Paaren ab, die sich in Toxizitäten für die Organismen im Gewässer bemerkbar machen.[94]

Ist in einem Gewässer der Vorrat an Kohlenstoffdioxid durch Photosynthese erschöpft, was sich durch einen pH-Wert nahe 8,3 bemerkbar macht, sind manche Arten von Algen und Wasserpflanzen befähigt, aus dem gelösten Hydrogencarbonat das benötigte Kohlenstoffdioxid zu gewinnen, wobei sie Hydroxyl-Ionen abgeben. In nährstoffreichen Gewässern wie Karpfenteichen steigt der pH-Wert bis 12 mit entsprechenden gesundheitlichen Folgen für die Fische, zum Beispiel durch Kiemennekrose der Karpfen.[95]

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Biodiversität und Klima Forschungszentrums haben 2012 erstmals in einer gemeinsamen Studie mit anderen Institutionen berechnet, dass kryptogame Schichten aus Flechten, Algen und Moose neben Stickstoff jährlich rund 14 Milliarden Tonnen Kohlendioxid binden. Sie binden so viel Kohlendioxid, wie pro Jahr durch Waldbrände und die Verbrennung von Biomasse weltweit freigesetzt wird. Mit Hilfe der kryptogamen Schichten den Klimawandel zu bekämpfen, ist jedoch nicht möglich, denn der flächige Bewuchs speichert das Treibhausgas Kohlendioxid nur über wenige Jahre hinweg.[96][97]

Eine Bedeutung hat auch die Speicherung und Freisetzung von Kohlenstoffdioxid in Böden. Wie stark die Freisetzung aus organischem Bodenkohlenstoff von den jeweiligen Umweltbedingungen und anderen Faktoren beeinflusst wird, ist derzeit weitgehend unbekannt. Die Freisetzung wird aber durch Erwärmung beschleunigt, was in neueren Studien gezeigt werden konnte, und könnte Auswirkungen auf das Klima haben.[98]

Nachweis und quantitative Bestimmung

Ein einfacher Nachweis von Kohlenstoffdioxid gelingt mit einer wässrigen Calciumhydroxidlösung, der so genannten Kalkwasserprobe. Dazu wird das zu untersuchende Gas in die Lösung eingeleitet. Enthält das Gas Kohlenstoffdioxid, reagiert dieses mit Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat (Kalk), das als weißlicher Feststoff ausfällt und die Lösung trübt.[99]

$ \mathrm {CO_{2}+Ca(OH)_{2}\longrightarrow H_{2}O+CaCO_{3}\downarrow } $

Mit Barytwasser, einer wässrigen Bariumhydroxidlösung, ist der Nachweis empfindlicher, da Bariumcarbonat schwerer löslich ist als Calciumcarbonat.

$ \mathrm {CO_{2}+Ba(OH)_{2}\longrightarrow H_{2}O+BaCO_{3}\downarrow } $

In wässriger Lösung wird Kohlenstoffdioxid durch Titration mit 0,1 N Natronlauge bis zum pH-Wert von 8,3, dem Farbumschlag des Indikators Phenolphthalein, bestimmt. Die Messung des Säurebindungsvermögens (SBV), des pH-Wertes und der elektrischen Leitfähigkeit oder der Ionenstärke ermöglicht die Berechnung des Kohlenstoffdioxidgehalts aus diesen Parametern nach dem Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure. Die Severinghaus-Elektrode, eine pH-Elektrode mit einer Pufferlösung aus Natriumhydrogencarbonat, bestimmt über die Messung der pH-Wert-Änderung die Kohlenstoffdioxid-Konzentration einer Lösung.[100]

$ \mathrm {CO_{2}+H_{2}O\ \rightleftharpoons \ H_{2}CO_{3}\rightleftharpoons \ HCO_{3}^{-}+H^{+}} $

Kohlenstoffdioxid kann mittels Infrarot- oder Ramanspektroskopie nachgewiesen werden, wobei die asymmetrischen Streckschwingungen sowie Kippschwingungen infrarotaktiv sind, während die symmetrische Streckschwingung bei einer Wellenzahl von 1480 cm−1 Raman-aktiv ist.[101] Das dazu verwendete Messgerät wird nichtdispersiver Infrarotsensor genannt.

Literatur

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Weblinks

Commons: Kohlenstoffdioxid – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary Wiktionary: Kohlenstoffdioxid – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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