Kohlenstoffdioxid und Kohlensäure.

Kohlensäure ist etwas Besonderes, denn sie ist unter Zimmerbedingungen nur wenig beständig. Doch unter Druck oder/und bei tieferen Temperaturen entsteht sie aus Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasser [Kohlensäuregleichgewicht]
  • Reaktion [Prinzip] Je nach Druck und Temperatur entsteht aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Kohlensäure, die aber wenig beständig ist und leicht wieder in die Ausgangsstoffe zerfällt [umkehrbare chemische Reaktion; Einstellung eines chemischen Gleichgewichts zwischen Hin- und Rückreaktion].
  • Reaktion [Modell] Kohlensäuregleichgewicht schematisch [zum Vergrößern Bild anklicken]
  • Reaktionsgleichung in LEWIS-Schreibweise Kohlensäuregleichgewicht in Elektronenschreibweise [zum Vergrößern Bild anklicken]
  • Reaktionsgleichung normal Kohlensäuregleichgewicht (mit Aggregatzuständen)
    CO2 (g) + H2O (l) H2CO3 (l) ; ΔH = -20,37 kJ/mol [25°C]
  • chemisches Gleichgewicht [Bildung und Zerfall von Kohlensäure] umkehrbare chemische Reaktion; chemisches Gleichgewicht zwischen Hinreaktion und Rückreaktion [mehr]
  • Prinzip von LeChatelier Beeinflussung der Lage des chemischen Gleichgewichts durch die Änderung der Reaktionsbedingungen [Druck, Temperatur, Konzentration], allgemeine Regeln in Kurzform am Ende dieser Seite und ausführlich auf unserer Seite zum chemischen Gleichgewicht
  • Bildung der Kohlensäure [Hinreaktion]: Begünstigung durch Temperaturerniedrigung [da exotherm] und Druckerhöhung [da Volumenabnahme; siehe 1 mol Gas bei den Ausgangsstoffen und kein Mol Gase bei den Produkten]
  • Zerfall der Kohlensäure [Rückreaktion]: Begünstigung durch Temperaturerhöhung [da endotherm] und Druckerniedrigung [da Volumenzunahme; siehe 0 mol Gase bei den Ausgangsstoffen und 1 mol Gas bei den Reaktionsprodukten der Rückreaktion]
  • Mineralwasserflasche geschlossen [gerade befüllt worden] es bildet sich aus Kohlenstoffdioxid und Wasser unter hohem Druck teilweise Kohlensäure, die wiederum mit Wasser reagiert [dissoziiert]
  • Mineralwasserflasche geöffnet [Zimmertemperatur] Kohlensäure zerfällt [niedriger Druck] zu großem Teil und das entstehende Gas Kohlenstoffdioxid entweicht perlend aus der Flüssigkeit
  • Mineralwasser abgestanden, erwärmt weitere Gasblasen mit Kohlenstoffdioxid steigen auf, da Zerfall der Kohlensäure endotherm ist und so durch Temperaturzufuhr begünstigt wird
Reaktion von Kohlensäure mit Wasser [Dissoziation, Protolyse]
  • Reaktionsgleichung ausführlich → Jeweils ein Kohlensäuremolekül reagiert mit zwei Wassermolekülen zu zwei Oxoniumionen H3O+ sowie einem Carbonation CO32- [exotherm]:
    H2CO3 + 2 H2O 2 H3O++ CO32- ; ΔH = -n kJ/mol
  • Erläuterung der Reaktion → Dabei gibt das H2CO3-Molekül seine zwei Protonen [H+] an je ein Wassermolekül stufenweise ab [Protolyse]:
    Protonenabgabe (gesamt): H2CO3 2 H+ + CO32-
    Protonenaufnahme (gesamt): 2 H+ + H2O 2 H3O+
  • stufenweise Protonenabgabe → Protonenabgabe [H+-Ionen] in 2 Stufen [ohne Berücksichtigung von Wassermolekülen]:
    Bildung von Hydrogencarbonationen (Stufe 1): H2CO3 H+ + HCO3-
    Bildung der Carbonationen (Stufe 2): HCO3- H+ + CO32-
    Protonenabgabe (gesamt): H2CO3 2 H+ + CO32-
    beide H+-Ionen werden dann von je 1 Wassermolekül gebunden; es entstehen so 2 Oxoniumionen [Protonenaufnahme; siehe nachfolgenden Punkt "stufenweise Protolyse"]
  • stufenweise Protolyse → Protonenübergang an Wassermoleküle in 2 Stufen:
    Bildung von Hydrogencarbonationen (Stufe 1): H2CO3 + H2O H3O++ HCO3-
    Bildung der Carbonationen (Stufe 2): HCO3- + H2O H3O++ CO32-
    Protolyse (gesamt): H2CO3 + 2 H2O 2 H3O++ CO32-
  • Stärke der Säure → mittelstarke Säure [gibt nicht ganz so leicht Protonen an Reaktionspartner ab wie z.B. Schwefelsäure]
  • mehrprotonige Säure → Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure [je Molekül können 2 Protonen abgegeben werden; siehe Protolyse in 2 Stufen]
  • Reaktionsgleichung vereinfacht [ohne Angabe des Wassers; Dissoziation]Jeweils ein Kohlensäuremolekül dissoziiert [in wässriger Lösung] in je 2 Wasserstoffionen und ein Carbonation:
    H2CO3 2 H+ + CO32-; ΔH = -n kJ/mol
    oder mit Angabe des Lösungsmittels Wasser auch
    H2CO3 (aq) 2 H+(aq) + CO32-(aq)
  • Bau von Kohlensäure → besteht aus Kohlensäuremolekülen [je nach Wasseranteil, Druck und Temperatur], Wassermolekülen sowie frei beweglichen Ionen, hier speziell Oxoniumionen [an Wassermoleküle gebundene Wasserstoffionen], Hydrogencarbonat- und Carbonationen
  • elektrische Leitfähigkeit → wässrige Lösung leitet den elektrischen Strom infolge frei beweglicher Ionen
  • englischer Name der Kohlensäure → Carbonic Acid
  • englischer Name von Kohlenstoffdioxid → Carbon Dioxide
Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid und Kohlensäure
  • Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid CO2 bei 20°C farbloses und geruchloses Gas; größere Dichte als Luft [man kann es förmlich gießen]; nicht brennbar, erstickende Wirkung; gut wasserlöslich [reagiert mit Wasser teilweise zu Kohlensäure, siehe hier]; Gefahr von Vergiftungen bzw. Erstickungen
  • Eigenschaften von Kohlensäure H2CO3 bei 20°C farblose, geruchlose, klare Flüssigkeit, aus der [je nach Druck und Temperatur sowie Wassergehalt] mehr oder weniger Kohlenstoffdioxid entweicht; als reine Substanz praktisch nur unter Laborbedingungen zu erzeugen [zerfällt bei Zimmerbedingungen schnell in Kohlenstoffdioxid und Wasser, mehr]
Salze der Kohlensäure: Carbonate und Hydrogencarbonate
  • Hinweis → Bei Zimmertemperatur ist Kohlensäure nur wenig beständig. Daher sind typischen Salzbildungsreaktionen erschwert. Theoretisch bzw. unter Druck funktionieren die Reaktionen schon.
  • Salze der Kohlensäure → wegen der zweistufigen Protolyse [mehr] kann Kohlensäure 2 Gruppen von Salzen bilden: Hydrogencarbonate und Carbonate
  • Reaktion mit unedlen Metallen (theoretisches Beispiel) Reaktion von Magnesium mit Kohlensäure zu Magnesiumcarbonat und Wasserstoff [Redoxreaktion]
    Mg + H2CO3MgCO3 + H2
  • Reaktion mit Hydroxidlösungen [Neutralisation] (theoretisches Beispiel) Reaktion von Calciumhydroxidlösung mit Kohlensäure zu Calciumcarbonat und Wasser [Protolyse]
    Ca(OH)2 + H2CO3CaCO3 + 2 H2O
  • bekannte Carbonate → sind u.a. Calciumcarbonat CaCO3 [Marmor, Kreide, Kalkstein, Calcit; auch als Kesselstein und im Beton], Kaliumcarbonat K2CO3 [Pottasche] und Natriumcarbonat Na2CO3 [Soda]
  • bekannte Hydrogencarbonate → sind z.B. Natriumhydrogencarbonat NaHCO3 [Natron] oder Calciumhydrogencarbonat Ca(HCO3)2 [im Trinkwasser als eine Ursache der Wasserhärte]
  • Kalkreislauf → Mehr zum technischen sowie zum natürlichen Kalkkreislauf findest Du hier.
Nachweisreaktionen zur Identifizierung
  • Reaktion mit Indikatoren → Salzsäure reagiert mit Universalindikator unter Rotfärbung [Ursache: frei bewegliche Oxoniumionen H3O+ bzw. vereinfacht Wasserstoffionen H+]; siehe Reaktion mit Wasser
  • Reaktion mit Bariumhydroxidlösung → weißer Niederschlag wegen der Carbonationen CO32- in der Lösung [Bildung von schwerlöslichem Bariumcarbonat]
    Ba2+ + CO32-BaCO3
  • Info → durch Nachweis der Wasserstoffionen sowie Carbonationen ist Kohlensäure eindeutig identifiziert
Verwendung und Bedeutung von Kohlenstoffdioxid und Kohlensäure
  • Bedeutung von Kohlenstoffdioxid → Kohlenstoffdioxid kommt in der Luft [0,037%], in Mineralquellen und Vulkanabgasen, gelöst in Meeren und anderen Gewässern sowie als Verbrennungsprodukt kohlenstoffhaltiger Stoffe [z.B. Holz, Kohle, Erdöl] vor; Kohlenstoffdioxid ist Ausgangsstoff der Fotosynthese [liefert das Element Kohlenstoff zum Aufbau organischer Stoffe, wie z.B. Glucose und Stärke, mittels Lichtenergie und Chlorophyll]; es ist auch Produkt von Zellatmung [wird ausgeatmet] und einigen Gärungen; beteiligt an Verwitterung; zu viel CO2 in der Atmosphäre vergrößert aber auch den Treibhauseffekt [globale Erwärmung] und ist so eine Ursache des Klimawandels [mehr], gelöst im Meer und in Seen führt es zur Versauerung [infolge Kohlensäure-Bildung] und letztlich zum Artensterben [greift z.B. Muschelschalen an]
  • Verwendungsmöglichkeiten für Kohlenstoffdioxid → gasförmig: als Getränkezusatz sowie zur Harnstoffherstellung, als Kältemittel und Schutzgas, als Backtriebmittel [durch alkoholische Gärung von Hefepilzen im Hefeteig oder thermische Zersetzung von Hydrogencarbonaten im Backpulver]; flüssig oder fest: als Feuerlöschmittel; fest: Trockeneis [wasserfreies Kühlmittel], Nebelmaschinen
  • Bedeutung von Kohlensäure → in Mineralquellen und Gewässern vorkommend; Bestandteil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufes
  • Einsatzmöglichkeiten für Kohlensäure → Herstellung von Methanol, Harnstoff, Kunststoffen [siehe z.B. Polyurethane] sowie von Kohlensäureestern [z.B. Polycarbonate, siehe Material für CDs]; Bestandteil viele Getränke; Ausgangs- oder Hilfsstoff für unzählige chemisch-technische Verfahren; siehe auch Verwendung von CO2
Herstellung von Kohlensäure in der Industrie
  • Schritt 1 → Herstellung/Gewinnung von Kohlenstoffdioxid CO2, beispielsweise durch Verbrennung von Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Stoffen [z.B. Kohle, Koks, Erdöl oder -gas]:
    z.B. also: C + O2 CO2
  • Schritt 2 → das Gas wird dann abgetrennt und gereinigt; als Zwischenprodukt können Carbonate und Hydrogencarbonate gebildet werden, die zur Erzeugung des CO2 dann z.B. erhitzt werden
  • Schritt 3 → Reaktion von CO2 mit Wasser zur Kohlensäure [unter Druck] [siehe oben]
    CO2 + H2O H2CO3
Einige Fachbegriffe dieser Seite
  • saure Lösung → wässrige Lösung, die Wasserstoffionen H+ enthält [diese bilden gemeinsam mit je einem Wassermolekül die Oxoniumionen H3O+]; pH-Wert ist kleiner als 7
    H+ + H2O H3O+
  • Säure [nach ARRHENIUS] Stoffe, die Protonen [H+] abspalten und so in wässriger Lösung in frei bewegliche positiv geladenen Wasserstoffionen H+ und negativ geladenen Säurerestionen dissoziieren [Säurerestionen der Kohlensäure sind Hydrogencarbonationen sowie Carbonationen]
  • Dissoziation [dissoziieren] → Zerfall von Stoffen in frei bewegliche Ionen durch Einwirkung von Wassermolekülen
  • Säure [nach BRÖNSTED] Teilchen, die Protonen H+ abgeben können [Protonendonatoren]
  • Aggregatzustände in Reaktionsgleichungen → (g) gasförmig [gaseous], (l) flüssig [liquid], (s) fest [solid]; (aq) wässrige Lösung
  • Reaktionswärme [Reaktionsenthalpie] exotherm [Abgabe von Wärmeenergie] ΔH = -n kJ/mol; endotherm [Aufnahme von Wärmeenergie] ΔH = +n kJ/mol; manchmal auch mit Q = ... statt ΔH angegeben (Q für Wärmemenge); Schreibweise der Einheit kJ/mol auch als kJ · mol-1 möglich
    Bei umkehrbaren Reaktionen gilt die Angabe für die Hinreaktion [für die Rückreaktion dann das Gegenteil]!
  • ΔH → Änderung der Enthalpie bei einer Reaktion, also Energiebilanz bei einer chemischen Reaktion unter konstantem Druck [Differenz der Enthalpie der Produkte und Ausgangsstoffe, d.h. ihrer chemischen Energien]
  • Protolyse [nach BRÖNSTED] Reaktion mit Protonenübergang; mindestens ein Proton H+ wird von einem Teilchen abgegeben [Protonendonator; Säure], das von einem anderen Teilchen [Protonenakzeptor; Base] wieder aufgenommen wird
  • mehrprotonige Säure → Säuremoleküle, die mehr als ein Proton H+ abgeben können [z.B. zwei- oder dreiprotonige Säuren]
  • umkehrbare Reaktion → Einstellung eines chemischen Gleichgewichts zwischen Hin- und Rückreaktion; gekennzeichnet mit einem Doppelpfeil [mehr]
  • Prinzip von Le Chateliér und Braun → Prinzip vom kleinsten Zwang; wenn man auf das System einer umkehrbaren chemischen Reaktion einen Zwang [Änderung der Reaktionsbedingungen Druck, Temperatur und Konzentration] ausübt, so wird ein neues chemisches Gleichgewicht eingestellt, das dem Zwang ausweicht [mehr zum Thema auch hier]
    • endotherme Teilreaktion [ΔH = +n kJ/mol] wird durch Wärmezufuhr begünstigt
    • exotherme Teilreaktion [ΔH = -n kJ/mol] wird begünstigt durch Wärmeentzug [niedrige Temperatur]
    • Reaktion mit Volumenabnahme [Erkennbar an der Abnahme der Stoffmenge von Gasen in der Reaktionsgleichung] wird durch Druckerhöhung begünstigt; nur bei Reaktionen mit mindestens einem Gas

    • Reaktion mit Volumenzunahme [Erkennbar an der Zunahme der Stoffmenge von Gasen in der Reaktionsgleichung] wird durch Druckerniedrigung begünstigt; nur bei Reaktionen mit mindestens einem Gas
    • Erhöhung der Stoffmengenkonzentration eines Ausgangsstoffes begünstigt die Reaktion, bei der dieser Stoff verbraucht wird
    • Entzug eines Reaktionsproduktes aus dem Gleichgewicht begünstigt die Teilreaktion, bei der dieser Stoff entsteht
Quellenangaben
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