CO2

Kohlenstoffdioxid, auch bekannt als CO2, ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es hat die chemische Formel CO2, wobei ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen verbunden ist. Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloser Gas, der in der Erdatmosphäre in sehr geringer Menge vorhanden ist.

Definition und Verwendung von Kohlenstoffdioxid:

Chemische Formel: CO2
Struktur: Kohlenstoffdioxid hat eine molekulare Struktur mit einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen.

Verwendung von Kohlenstoffdioxid:

Photosynthese: Kohlenstoffdioxid ist ein wichtiger Bestandteil der Photosynthese, dem Prozess, bei dem Pflanzen und einige Mikroorganismen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufnehmen und in organische Verbindungen wie Glukose umwandeln. Die Photosynthese ist ein grundlegender Prozess für die Nahrungserzeugung und den Sauerstoffgehalt in Pflanzen.
Atmung: Kohlenstoffdioxid ist ein Nebenprodukt des Metabolismus von Organismen, einschließlich des Menschen. Bei der Atmung geben Organismen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre ab.
Sauerstoffkreislauf: Kohlenstoffdioxid ist Teil des Sauerstoffkreislaufs, bei dem ein Austausch zwischen atmosphärischem Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in Ozeanen und Pflanzen stattfindet.
Lebensmittelkonservierung: Kohlenstoffdioxid wird manchmal als Konservierungsmittel in der Lebensmittelindustrie verwendet, um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern.
Bodenfruchtbarkeit: Kohlenstoffdioxid kann in Form von Kalk (Kohlenstoffkalk) oder anderen Düngemitteln verwendet werden, um die Fruchtbarkeit des Bodens zu erhöhen.
Backpulver: In der Lebensmittelindustrie wird Kohlenstoffdioxid als Grundbestandteil von Backpulvern verwendet, die den Teig aufgehen lassen und Kohlenstoffdioxid in Form von Gas freisetzen, was das Aufgehen des Teigs gewährleistet.
Getränkeherstellung: Kohlenstoffdioxid ist in sprudelnden Getränken wie Soda und Fruchtsäften vorhanden, wo es die Gasbläschen und den erfrischenden Geschmack gewährleistet.

Es ist wichtig zu beachten, dass Kohlenstoffdioxid auch ein Treibhausgas ist, was bedeutet, dass es dazu beiträgt, die Wärme in der Atmosphäre zu speichern und Klimaveränderungen beeinflusst. Daher wird über die Notwendigkeit diskutiert, seine Emissionen zu kontrollieren und Möglichkeiten zur Verringerung seines Einflusses auf das Klimasystem zu suchen.

Formel: CO₂

Siedetemperatur: -78,46 °C

Molare Masse: 44,01 g/mol

Dichte: 1,6 g/cm³ (fest); 1,98 kg/m³ (gasförmig)

Löslichkeit: 1,45 kg/m³

Summenformel: CO₂

Molekulare Masse: 44,0095 g/mol

Vorkommen in der Natur

Kohlenstoffdioxid ist ein gewöhnlicher Bestandteil der Erdatmosphäre, wobei seine Konzentration^[4] in der Luft sich je nach lokalen Bedingungen, der Höhenlage und der relativen Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre verändert. Aufgrund vor allem industrieller Emissionen wächst seine durchschnittliche Konzentration in der Luft stetig (siehe Abschnitt „Einfluss von Kohlenstoffdioxid auf globale Erwärmung“).

Sehr hohe Konzentrationen sind an Orten seiner Emission aus dem Boden in vulkanisch aktiven Gebieten und in einigen natürlichen Mineralwasserquellen lokal. Da es schwerer als Luft ist, kann es sich an solchen Orten anhäufen und eine gefährliche Falle für Tiere und Menschen darstellen. Jährlich tragen so vulkanische Aktivitäten etwa 130 bis 230 Tg in die Erdatmosphäre ein, was etwa 0,5% der CO₂ Produktion durch die Menschheit darstellt^[5].

Kohlenstoffdioxid wurde auch im interstellaren Raum gefunden. Es ist ein Hauptbestandteil der Atmosphären der Planeten Venus und Mars. Spektroskopisch wurde es auch in Kometen nachgewiesen.

Verwendung

Kohlenstoffdioxid ist ein industriell leicht zugängliches Gas. Es wird verwendet als:

chemische Rohstoffe für die Herstellung:
- anorganische Karbonate
- Methanol
- Polykarbonate
- Polyurethane
- Karbamate
- Isocyanate
- anderer organischer Verbindungen
Antriebsgas und Schutzatmosphäre für Lebensmittel Zwecke
Bestandteil sprudelnder Getränke
Füllung von Schneerohren Feuerlöschern
Kühlmedium (Trockeneis)
im medizinischen Bereich wird es (bis zu 5 %) dem Sauerstoff zugesetzt, um die Effizienz des Atmung zu erhöhen
in der Aquarienhaltung zur Unterstützung des Wachstums von Aquarienpflanzen

Einfluss von Kohlenstoffdioxid auf die globale Erwärmung

Grundsätzlich stellt CO₂ kein Schadstoff dar, da es nicht giftig ist. Ende des Jahres 1997 bei der Konferenz über die Atmosphäre in Japan (Kyoto), kamen die Verhandlungspartner zu der Annahme von Beschränkungen für die Produktion von CO₂. Diese Beschränkungen sind unter dem Namen Kyotoprotokoll bekannt. Der Anstieg von CO₂ in der Atmosphäre wird als Hauptursache für globale Erwärmung angesehen, was hauptsächlich durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen und den Waldverlust verursacht wird. Glücklicherweise ist der leistungsfähigste Ökosystem, der atmosphärische Kohlenstoffdioxid bindet – der ozeanische Phytoplankton – nicht allzu stark gestört.

Ein großes Volumen an Kohlenstoffdioxid ist auch in den Weltmeeren und Ozeanen gelöst, was seine Menge in der Atmosphäre reguliert. Der allmähliche Anstieg der globalen Temperatur beeinflusst jedoch negativ die Löslichkeit von CO₂ in Meerwasser und durch die positive Rückkopplung gelangt so mehr dieser Treibhausgas in die Luft. Glücklicherweise ist die Mehrheit des Kohlenstoffdioxids in Meerwasser chemisch gebunden in Form von Carbonat- und Hydrogencarbonat-Ionen, was wir seiner Reaktion mit Kalksteinmineralien verdanken:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ←→ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

Dieses Gleichgewicht verschiebt sich jedoch mit steigender Temperatur nach links.

Auch die Intensität der Phytoplankton Photosynthese hängt von der optimalen Temperatur ab und nimmt mit deren Anstieg über dem Optimum ab.

Kohlenstoffdioxid und Biomasse

Außerdem entsteht Kohlenstoffdioxid durch die Verbrennung Biomasse oder Biogas während Kompostierung. Ein Teil der organischen Masse bleibt auf dem Feld als Ernteabfälle und Wurzelsystem.

Während Kompostierung wird ein großer Teil der organischen Masse in stabilisierte organo-minerale Düngemittel mit einem hohen Anteil an Huminstoffen umgewandelt, so dass ein großer Teil des Kohlenstoffs langfristig in Humus fixiert bleibt, was die Bodeneigenschaften verbessert (Wasserspeicherung, Pufferkapazität usw.). Darüber hinaus führen die verbesserten Bodeneigenschaften zu höheren Erträgen und damit zu intensiverer Assimilation von CO₂ während Photosynthese.

Historische Zusammenhänge

Kohlenstoffdioxid war die erste chemische Verbindung, die als Gas beschrieben wurde, das sich von der Luft unterscheidet. Im 17. Jahrhundert entdeckte der flämische Chemiker Jan Baptist van Helmont , dass bei der Verbrennung von Holzkohle in einer abgeschlossenen Behälter das Gewicht des Asches geringer ist als das ursprüngliche Kohle. Er erklärte dies durch die Umwandlung eines Teils der Kohle in eine unsichtbare Substanz, die er Gas spiritus sylvestre nannte.

Im Mittel des 18. Jahrhunderts untersuchte der schottische Arzt Joseph Black die Eigenschaften dieses Gases genauer. Er stellte fest, dass durch Erhitzen von Kalkstein oder durch Reaktion mit Säuren ein Gas entsteht, das er „fixierter Luft“ („fixed air“) nannte, da es sich durch starke Basen (z. B. Calciumhydroxid) binden ließ. Er stellte auch fest, dass es schwerer als Luft ist und dass es im Gegensatz zur normalen Luft das Brennen nicht unterstützt und Tiere darin sterben. Die Bindung an Calciumhydroxid verwendete er, um nachzuweisen, dass es in dem ausgeatmeten Luft enthalten ist und dass es bei dem Prozess Gärung (Fermentation) freigesetzt wird.