Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonooxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Im gasförmigen Zustand wird es häufig als Kohlendioxid bezeichnet, was aber nicht korrekt ist, da die Verbindung ein Oxid des Elementes Kohlenstoff und nicht der (lediglich kohlenstoffhaltigen) Kohle ist. Seine chemische Formel ist CO2.
Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von 0,04% (378 ppm) ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist (bei Mangel entsteht Kohlenmonoxid). Auch im Organismus von Lebewesen entsteht Kohlenstoffdioxid als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO2 durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Fotosynthese aus anorganischem CO2 Glukose.
| Strukturformel | |
|---|---|
| Datei:Kohlenstoffdioxid.jpg | |
| Allgemeines | |
| Name | Kohlenstoffdioxid |
| Andere Namen | Kohlendioxid, Kohlenstoff(IV)-oxid |
| Summenformel | CO2 |
| CAS-Nummer | 124-38-9 |
| Kurzbeschreibung | farbloses, geruchloses Gas |
| Eigenschaften | |
| Molmasse | 44,0099 g/mol |
| Aggregatzustand | gasförmig |
| Dichte | 1,98 kg/m³ |
| Schmelzpunkt (Tripelpunkt) | -56,6 °C (bei 5,81 bar) |
| Sublimationspunkt | -78,5 °C |
| Dampfdruck | 57,3 bar (20 °C) |
| Löslichkeit in Wasser (reines CO2, 1 bar) | 1,6 g/l (20°C)
3,2g/l bei 0°C |
| Löslichkeit in Wasser (aus Luft, 1 bar) | 0,5 mg/l (20°C)
1,0 mg/l (0°C) |
| kritische Temperatur | 31 °C |
| kritischer Druck | 74,0 bar |
| Wärmekapazität cp | 0,83 kJ/(kg K) |
| Wärmeleitfähigkeit | 0,01457 W/(m·K) |
| Schallgeschwindigkeit | 258 m/s |
| Sicherheitshinweise | |
| R- und S-Sätze |
R: - |
| MAK | 5000 ppm |
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |
Physikalische Eigenschaften
Das Kohlenstoffdioxid-Molekül ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen polar sind heben sich deren elektrische Dipolmomente durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist. Dennoch ist Kohlenstoffdioxid aufgrund der inneren Dipolmomente gut in Wasser löslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung.
Chemische Eigenschaften
In Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid bildet Kohlensäure H2CO3, wobei aber mehr als 99% des Kohlenstoffdioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche liegt vor in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat ("Bicarbonat", HCO3–) und Carbonat (CO32–), die in einem vom pH-Wert abhängigen Mengenverhältnis zueinander stehen. Fängt man die bei der Dissoziation gebildeten Oxonium-Ionen (H+, eigentlich H3O+) durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH–) ab, so verschiebt sich das Mengenverhältnis zu Gunsten von Carbonat.
Verwendung
Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Trockeneis schmilzt nicht, sondern sublimiert bei −78 °C, allerdings kann man es unterhalb der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten. Bei der Sublimation entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO2-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz findet.
Viele Getränke enthalten Kohlenstoffdioxid, um beim Trinken einen besseren Erfrischungseffekt zu erzielen. Bei manchen Getränken entsteht es durch Gärung (Bier, Sekt), bei anderen wird es künstlich zugesetzt (Limonade, Sodawasser) oder es wird kohlenstoffdioxidhaltiges, natürliches Mineralwasser verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt es die Bezeichnung E 290. Bei der Herstellung wird Kohlenstoffdioxid unter hohem Druck in das Getränk gepumpt, wobei es zu etwa 0,2% mit Wasser zu Kohlensäure reagiert; der größte Teil ist als Gas im Wasser gelöst. Bei einem Druckabfall durch Öffnen des Gefäßes kommt es zu einer Nukleation, so dass das nun überschüssig gelöste Gas bläschenförmig austritt und aufsteigt. Die Bläschenbildung des Gases und der säuerliche Geschmack der Kohlensäure auf der Zunge beim Trinken stimulieren die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat.
Kohlenstoffdioxid kommt auch in Feuerlöschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdrängt (siehe auch Brandbekämpfung, Löschmittel).
Kohlenstoffdioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Grund ist der durch den photosynthetischen Verbrauch entstehende CO2-Mangel bei ungenügendem Nachschub an Frischluft, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung, weil Pflanzen CO2 als Grundsubstanz benötigen. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas eingebracht (Kopplung von Düngung und Heizung). Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark der Mangel an CO2 ist und wie stark das Lichtangebot für die Pflanzen ist. Kohlenstoffdioxid wird auch in der Aquaristik als Dünger für Wasserpflanzen eingesetzt(CO2-Diffusor). Auch durch Zufuhr von organischer Substanz kann der CO2-Gehalt im Wasser erhöht werden (Veratmung, aber auf Kosten des Sauerstoff-Gehalts).
Überkritisches Kohlenstoffdioxid besitzt eine hohe Löslichkeit für unpolare Stoffe und kann giftige organische Lösungsmittel ersetzen. Es wird als Extraktionsmittel, zum Beispiel zur Extraktion von Naturstoffen wie Koffein, und als Lösemittel zum Reinigen und Entfetten, zum Beispiel von Wafern in der Halbleiterindustrie, verwendet. In neuerer Zeit findet es auch Verwendung als wasserfreies Reaktionsmedium in der Feinchemikalienherstellung, da isolierte Enzyme im überkritischen Kohlenstoffdioxid vielfach aktiv bleiben.
In zunehmendem Maße kommt Kohlenstoffdioxid als natürliches Kältemittel in Klimaanlagen zum Einsatz.
Kohlenstoffdioxid wird auch als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt – entweder in reiner Form oder häufiger als Zusatz zu Argon und/oder Helium. Da Kohlenstoffdioxid bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil ist, wird es nicht als Inertgas, sondern als Aktivgas bezeichnet.
CO2 wird auch in Abführmitteln (Zäpfchen) verwendet. Durch eine chemische Reaktion während der Auflösung des Zäpfchens wird CO2 freigesetzt und dehnt den Darm, was wiederum den Stuhlreflex auslöst.
CO2 in der Atmosphäre und Treibhauseffekt
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Seit Beginn der Industrialisierung (ca. 1880) stieg der CO2-Anteil in der Atmosphäre von ca. 280 ppm auf 370 ppm (2005) [1] und steigt z.Zt. weiter um durchschnittlich 1,5 ppm pro Jahr. Dieser Anstieg wird im Wesentlichen den vom Menschen verursachten CO2-Emissionen von jährlich ca. 23 Mrd. Tonnen (1990er Jahre) zugeschrieben, von denen etwa die Hälfte in der Atmosphäre verbleibt. Damit wurde die höchste Konzentration seit mindestens 420 000 Jahren, wahrscheinlich sogar seit 20 Mio. Jahren erreicht (Zahlen aus IPCC, S.38f; Stand 2001).
Allerdings lag er im Karbon vor ca. 300 Mio. Jahren wahrscheinlich bei mindestens 1400 ppm. Frühere geologische Epochen lassen sich allerdings in Bezug auf die Klimawirkung schwer vergleichen, da sich der Sauerstoffanteil noch nicht stabilisiert hatte ([2], [3] in [4]).
Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d.h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Zusammen mit Wasserdampf erhöht es die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. -15°C auf +15°C und ist somit entscheidend für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich (natürlicher Treibhauseffekt).
Von vielen Wissenschaftlern wird die Hypothese vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zum so genannten anthropogenen Treibhauseffekt führe, der einen Klimawandel (Globale Erwärmung) zur Folge habe. Einen wesentlichen Beitrag dazu leiste das CO2, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird.
Der Beitrag der CO2-Freisetzung durch den Menschen zum Treibhauseffekt bzw. ob ein solcher nachweisbar ist, und damit die negativen Folgen, werden von Klimakritikern bestritten, die daher auch Klimaschutzmaßnahmen als unnötig ablehnen.
Den weltweit höchsten Kohlenstoffdioxidausstoß pro Einwohner haben die USA, Kanada, Finnland, Tschechien und Belgien (Stand 2002), wobei in Zukunft auch die stark wachsende Industrie asiatischer Staaten eine wesentliche Rolle spielen wird.
Grundsätzlich besteht über die Notwendigkeit zur Reduktion des CO2-Ausstoßes inzwischen weitgehende Einigkeit. Zu diesem Zweck wurden bereits einige Maßnahmen installiert, die jedoch von vielen als nicht ausreichend angesehen werden und auch in ihrer Ausgestaltung teilweise heftig umstritten sind: international das Kyoto-Protokoll, allerdings ohne Beteiligung einiger wichtiger Industriestaaten wie der USA, sowie auf dessen Grundlage der Emissionsrechtehandel in der Europäischen Union. Auch manche Methoden der Emissionsvermeidung bzw. -bindung wie CO2-Sequestrierung und Aufforstung werden kontrovers diskutiert.
Physiologische Wirkungen und Gefahren
CO2-Konzentrationen (vol-%) in Luft und Auswirkungen auf den Menschen:
- 0,05%: Natürliche Konzentration in der Luft
- 0,15%: Hygienischer Innenraumluftrichtwert für frische Luft
- 0,3%: MIK-Wert, unterhalb dessen keine Gesundheitsbedenken bei dauerhafter Einwirkung bestehen
- 1,1% (9000mg/m³): MAK-Grenzwert für tägliche Exposition von 8 Stunden pro Tag
- 1,5%: Zunahme des Atemzeitvolumens um mehr als 40%.
- 4%: Atemluft beim Ausatmen
- 5%: Auftreten von Kopfschmerzen, Schwindel und Bewustlosigkeit
- 8%: Bewusstlosigkeit, Eintreten des Todes nach 30-60 Minuten
Immer wieder kommt es zu Unfällen mit CO2. In Weinkellern, Futtersilos und Jauchegruben können sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO2 bilden. Bei der Vergärung von einem Liter Most (Apfelwein) entstehen etwa bis zu 50 Liter Gärgas. Wenn nicht für ausreichende Entlüftung gesorgt ist, bilden sich gefährliche Konzentrationen, und zwar aufgrund der höheren Dichte von CO2 im Vergleich zu Luft vor allem in Bodennähe ("Kohlendioxid-See").
Die direkte Schadwirkung auf Tier und Mensch kann im Einzelfall auf der Verdrängung des Sauerstoffes in der Luft beruhen. Die weit verbreitete Ansicht, CO2 sei an sich unschädlich und wirke nur durch Verdrängen des lebensnotwendigen Sauerstoffs, ist jedoch falsch. Daher ist auch die alte "Kerzenprobe" zum Erkennen von gefährlicher Sauerstoffknappheit nicht zielführend. Durch die Verdrängung der Luft (Absinken des O2-Partialdrucks auf weniger als 130 mbar) durch das schwerere Kohlenstoffdioxid kann es aber zusätzlich zu den schädlichen Wirkungen des CO2 auch zum Ersticken durch Sauerstoffmangel kommen.
Im Blut gelöstes CO2 aktiviert in physiologischer (natürlicher) und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum des Gehirns, in deutlich höherer Konzentration führt es jedoch zur Verminderung oder sogar Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes (Atemdepression, Atemstillstand). Diese Wirkungen treten viel rascher ein als eine Erstickung.
Ab etwa 5 Prozent CO2 in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf, bei höheren Konzentrationen beschleunigter Herzschlag (Tachykardie), Blutdruckanstieg, Atemnot und Bewusstlosigkeit (die so genannte CO2-Narkose). CO2-Konzentrationen von 8 Prozent und mehr führen innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod.
Zusätzlich hat Kohlenstoffdioxid eine indirekte Wirkung auf den Sauerstoffhaushalt des Blutes. Befindet sich vermehrt Kohlendioxid in der Luft oder im Fischwasser, so wird im Blut über das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure der pH-Wert vermindert - das Blut wird "sauerer". Von diesem Absinken des pH-Werts ist das Hämoglobin betroffen. Bei niedrigerem pH-Wert verringert sich seine O2-Bindungskapazität. Das heißt, bei gleichem O2-Gehalt der Luft kann vom Hämoglobin weniger Sauerstoff gebunden und transportiert werden. Dieser Sachverhalt wird durch den Bohr-Effekt und den Haldane-Effekt beschrieben. Im Gewebe, wo ja der Sauerstoff abgegeben werden soll, ist die Konzentration von CO2 höher (=niedriger pH-Wert, geringere O2-Bindungskapazität) und erleichtert damit die O2-Abgabe. In der Lunge sind die Verhältnisse umgekehrt und begünstigen so das "Beladen" des Hämoglobins mit Sauerstoff.
Dieser indirekte Effekt über den pH-Wert des Blutes ist von der stärkeren Giftigkeit des Kohlenstoffmonooxid zu unterscheiden. Kohlenstoffmonooxid maskiert als Komplexbildner reversibel den Eisenkern des Hämoglobin und verhindert dadurch die Bindung von Sauerstoff in den roten Blutkörperchen. Dies ist ein anderer (wirksamerer) molekularer Mechanismus als beim Kohlenstoffdioxid.
Immer wieder fallen ganze Familien einer Gärgasvergiftung zum Opfer, weil mehrere Personen bei der Rettung eines Familienmitglieds selbst Kohlenstoffdioxid einatmen und bewusstlos werden. Der Ersthelfer begibt sich mit einem Rettungsversuch nur selbst in Gefahr – niemand kann mit angehaltenem Atem einen Bewusstlosen aus einem Keller tragen. Stattdessen ist eine Entlüftung (falls vorhanden) einzuschalten und ein Notruf abzusetzen.
Die Rettung eines Verunglückten aus CO2-verdächtigen Situationen (Weinkeller usw.) ist nur für professionelle Einsatzkräfte (Feuerwehr) mit schwerem Atemschutz möglich.
In seltenen Fällen kommt es auch zu Naturkatastrophen mit Kohlenstoffdioxid; die bekannteste ereignete sich 1986 am Nyos-See in Kamerun.
Siehe auch
Literatur
- Eike Roth: Globale Umweltprobleme - Ursachen und Lösungsansätze. Friedmann, München 2004. (Treibhauseffekt, einschließlich seiner Verursachung und Diskussion des anthropogenen Einflusses.) ISBN 3-933431-31-X
![[3]](http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/klimaf3.jpg){kind=link}