Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid (im normalen Sprachgebrauch meist Kohlendioxid, oft aber auch fälschlich Kohlensäure genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid), Kohlenstoffsuboxid und dem instabilen Kohlenstofftrioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide.

Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (derzeit 381 ppm entspr. 0,0381 %) ein natürlicher Bestandteil der Luft. Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen 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 Photosynthese aus anorganischem CO₂ Glukose.

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Herstellung

Abfallprodukt der Energiewirtschaft

Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, darunter alle fossilen Energieträger. Bei einem gegebenen Energieträger ist die Menge des erzeugten CO₂ direkt von der Menge des Brennstoffs und damit der umgesetzten Energie abhängig. Moderne Anlagen und Betriebsverfahren können zwar die im Brennstoff enthaltene Energie besser nutzen als früher, aber die Entstehung des Gases nicht verhindern.

Diese Produktion beträgt etwa 36 Mrd. Tonnen im Jahr weltweit. Da noch kein wirksames und wirtschaftliches Verfahren zur Kohlenstoffdioxidabtrennung zur Verfügung steht, entweicht diese Menge in die Atmosphäre und trägt zur globalen Erwärmung bei (siehe unten).

Technisch

Technisch gewinnt man Kohlenstoffdioxid durch Verbrennen von Koks mit überschüssiger Luft oder als Nebenprodukt beim Kalkbrennen (~530 Mio t pro Jahr) und anschließende Reinigung (z. B. Binden an Kaliumcarbonat zu Hydrogencarbonat und anschließendes Freisetzen durch Erhitzen).

Auch natürliche Gasquellen (Mineralwasser) werden zur Gewinnung genutzt.

Im Labormaßstab

Im Labor wird Kohlenstoffdioxid durch Freisetzung aus Carbonaten durch Säuren erzeugt.

Nachweis

Ein einfacher Nachweis von Kohlenstoffdioxid gelingt mit einer wässrigen Calciumhydroxidlösung (Kalkwasser). Dazu wird das zu untersuchende Gas in die Lösung eingeleitet. Enthält das Gas CO₂, dann fällt Calciumcarbonat (Kalk) als weißlicher Feststoff aus und die Lösung trübt sich. (siehe Kalkwasserprobe)

Kohlenstoffdioxid reagiert mit Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat.

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.

Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Es 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 Raumtemperatur ist dazu ein Druck von ca. 60 bar nötig, der kritische Druck bei der kritischen Temperatur ist etwa 73,7 bar^[1]. In flüssiger Form wird Kohlenstoffdioxid in Druckflaschen gehandelt.

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 (CO₃^2–), 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

Bei der Sublimation von Trockeneis entsteht ein weißer Nebel aus dem kalten CO₂-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 CO₂ betrieben werden.

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 CO2-Löscher, 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). (Siehe auch: Kohlenstoffdioxid-Düngung)

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 (Herstellung von koffeinfreiem Kaffee durch Entkoffeinierung), und als Lösemittel zum Reinigen und Entfetten, zum Beispiel von Wafern in der Halbleiterindustrie und neuerdings auch von Textilien (Chemische Reinigung), verwendet. Aktuell wird auch intensiv daran geforscht, überkritisches Kohlenstoffdioxid als Reaktionsmedium für die Feinchemikalienherstellung (z. B.für die Herstellung von Aromastoffen) zu verwenden, da isolierte Enzyme hierin vielfach aktiv bleiben und keine Lösemittelrückstände (im Gegensatz zu organischen Lösemitteln) in den Produkten verbleiben.

Kohlenstoffdioxid kommt als Kältemittel unter der Bezeichnung R744 oder R-744 in Fahrzeug- und stationären Klimaanlagen, bei industrieller Kältetechnik, Supermarkt- und Transportkühlung sowie in Getränkeautomaten zum Einsatz. Es hat eine große volumetrische Kälteleistung (höhere Effizienz in einem gegebenen Volumen), eine hohe Umweltverträglichkeit (Treibhauspotential im Vergleich zu heute verwendeten Kältemitteln etwa 1/1000 pro kg; kein Ozonabbau-Potential; Gewinnung aus industriellem Abfallgas) und kann gleichzeitig in Wärmekreisläufen wie in Warmwasserpumpen und Fahrzeugheizungen genutzt werden.^[2]

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.

In zunehmendem Maße wird CO₂ in Verbindung mit einem automatisierbaren Strahlverfahren verwendet, um hochreine Oberflächen zu erzeugen. Mit seiner Kombination aus mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften kann beispielsweise CO₂-Schnee verschiedenste Arten von Oberflächen-Verunreinigungen rückstandsfrei lösen und abtragen.

In so genannten CO₂-Anlagen werden in jüngster Zeit auch Schweine vor der Schlachtung betäubt. Dazu werden sie in Gruppen in einem Paternosteraufzug in eine Grube hinab gelassen, die mindestens 90% CO₂ enthält und verlieren dabei das Bewusstsein.

CO₂ in der Atmosphäre und Treibhauseffekt

Hauptartikel: Treibhauseffekt

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. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid entsprechend seinem Mengenanteil das wirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von Methan und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. −18 °C auf +15 °C (natürlicher Treibhauseffekt). Kohlenstoffdioxid hat einen Anteil von ca. 9 bis 26 % an diesem Gesamteffekt und ist somit in hohem Maß für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich.

Der CO₂-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. Seit wenigstens 650.000 Jahren lag der Anteil jedoch immer unterhalb von 280 ppm.^[3] Die CO₂-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlenstoffdioxidkreislaufes war somit in dieser Zeit weitgehend ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO₂-Anteil in der Atmosphäre auf bislang 381 ppm (2006) und steigt z. Zt. weiter um durchschnittlich 1,5 bis 2 ppm pro Jahr.^[4]

Dieser Anstieg wird durch die anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten, CO₂-Emissionen von jährlich ca. 36,3 Gt bzw. ca. 9,9 Gt Kohlenstoff (8,4 GtC durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe sowie 1,5 ± 0,5 GtC durch Landnutzung)^[4] bewirkt. Dies macht zwar nur einen kleinen Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlenstoffdioxids von jährlich etwa 550 Gt CO₂ bzw. 150 Gt Kohlenstoff aus^[5], bewirkt jedoch einen Nettozufluss, da die Bilanz des natürlichen CO₂-Kreislauf Null ist. Die anthropogenen CO₂-Emissionen werden zum Teil von den natürlichen Kohlenstoffdioxidsenken aufgenommen, sodass sich nur etwa 45% des anthropogenen Kohlendioxid in der Atmosphäre akkumulieren.

Von der überwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler wird die Meinung vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zum anthropogenen Treibhauseffekt beiträgt, der zur globalen Erwärmung führt. Einen wesentlichen Beitrag zur Erwärmung leistet dasjenige CO₂, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird, während die Verbrennung von Biomasse und daraus gewonnenen Kraftstoffen in der Bilanz nur CO₂-Mengen freisetzt, die vorher photosynthetisch gebunden worden waren. Die Folgen der globalen Erwärmung sollen durch Klimaschutz gemindert werden.

  Allgemein ist in der Wissenschaft spätestens seit den 1990er Jahren anerkannt, dass es eine statistisch signifikante Klimaveränderung gibt und dass eine der Ursachen der Anstieg der Konzentration an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist. Dieser anfänglich noch mit größeren Unsicherheiten verbundene Verdacht hat sich im Laufe der Forschungen und nach heftiger Kontroverse um die globale Erwärmung immer mehr erhärtet und ist heute weitgehend wissenschaftlicher Konsens.^[6] Ohne Berücksichtigung der Treibhausgase sind die beobachteten Temperaturdaten nicht zu erklären.^[7]

Physiologische Wirkungen und Gefahren

CO₂-Konzentrationen (Vol-%) in Luft und Auswirkungen auf den Menschen:

• 0,038 %: Derzeitige Konzentration in der Luft
• 0,15 %: Hygienischer Innenraumluftrichtwert für frische Luft
• 0,3 %: MIK-Wert, unterhalb dessen keine Gesundheitsbedenken bei dauerhafter Einwirkung bestehen
• 0,5 % (9 g/m³): MAK-Grenzwert für tägliche Exposition von acht Stunden pro Tag
• 1,5 %: Zunahme des Atemzeitvolumens um mehr als 40 %.
• 4 %: Atemluft beim Ausatmen
• 5 %: Auftreten von Kopfschmerzen, Schwindel und Bewusstlosigkeit
• 8 %: Bewusstlosigkeit, Eintreten des Todes nach 30–60 Minuten

Immer wieder kommt es zu Unfällen mit CO₂. In Weinkellern, Futtersilos, Brunnen und Jauchegruben können sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO₂ bilden. Bei der Vergärung von einem Liter Most 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 (Kohlenstoffdioxid-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 sinnvoll. 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 Kohlenstoffdioxid in der Luft oder im Frischwasser, 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 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 weitaus stärkeren Giftigkeit des Kohlenstoffmonoxid zu unterscheiden. Kohlenstoffmonoxid maskiert als Komplexbildner den Eisenkern des Hämoglobins irreversibel 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 Belüftung (falls vorhanden) einzuschalten und ein Notruf abzusetzen.

Die Rettung eines Verunglückten aus CO₂-verdächtigen Situationen (Weinkeller usw.) ist nur durch professionelle Einsatzkräfte (Feuerwehr) mit umluftunabhängigem Atemschutz möglich.

In seltenen Fällen kommt es auch zu Naturkatastrophen mit Kohlenstoffdioxid; die bekannteste ereignete sich 1986 am Nyos-See in Kamerun.

Siehe auch

• Boudouard-Gleichgewicht
• CO₂-Neutralität
• CO₂-Partialdruck siehe Partialdruck
• CO₂-Sequestrierung
• Emissionsrechtehandel
• Globale Erwärmung und ihre Folgen
• Luft
• Pasteur-Effekt
• Treibstoffverbrauch (CO₂-Anteil)
• Liste der Kraftwerke (Emission)
• Versauerung der Meere

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
• Pörtner: Auswirkungen von CO₂-Eintrag und Temperaturerhöhung auf die marine Biosphäre (pdf 1,3 MB, 85 S.)
• Bauer, Kurt: Zur Bedeutung der Kohlensäure in Karpfenteichen. Österreichs Fischerei 44/1991 S.49–64

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f g h i} Eintrag zu Kohlenstoffdioxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 31.8.2007 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ The natural refrigerant R744 (CO₂)
3. ↑ Siegenthaler, Urs, Thomas F. Stocker, Eric Monnin, Dieter Lüthi, Jakob Schwander, Bernhard Stauffer, Dominique Raynaud, Jean-Marc Barnola, Hubertus Fischer, Valérie Masson-Delmotte und Jean Jouzel (2005): Stable Carbon Cycle–Climate Relationship During the Late Pleistocene, in: Science, Vol. 310, No. 5752, S. 1313–1317, 25. November, siehe Abstract online
4. ↑ ^{a b} Josep Canadella, Corinne Le Quéré, Michael Raupacha, Christopher Fielde, Erik Buitenhuisc, Philippe Ciaisf, Thomas Conwayg, Nathan Gillettc, R. Houghtonh und Gregg Marland (2007): Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, in: Proceedings of the National Academy of Sciences, online (PDF)
5. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change (2001): Climate Change 2001 – IPCC Third Assessment ReportCO₂-Kreislauf
6. ↑ Oreskes, Naomi (2004): The Scientific Consensus on Climate Change, in: Science Vol. 306 vom 4. Dezember (PDF)
7. ↑ Meehl, Gerald A., Warren M. Washington, Caspar M Ammann, Julie M. Arblaster, T. M. L. Wigleiy und Claudia Tebaldi (2004): Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate, in: Journal of Climate, Vol. 17, 1. Oktober, S. 3721–3727 (PDF)