Kohlenstoffdioxid: Eigenschaften, Verwendung und Vorkommen

Kohlenstoffdioxid besteht aus zwei über eine Doppelbindung kovalent an Kohlenstoff gebundenen Sauerstoffatome. Als Lewis-Formel bzw. Strukturformel wird Kohlenstoffdioxid folgendermaßen dargestellt: . Die Sauerstoffatome besitzen eine negative Partialladung mit der Oxidationszahl -II, das Kohlenstoffatom ist partiell positiv geladen mit der Oxidationszahl +IV. Durch den linearen Aufbau bildet Kohlenstoffdioxid kein Dipol aus, die Ladungen heben sich auf. In der folgenden Tabelle sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid zusammengefasst:

In der folgenden Abbildung ist Trockeneis dargestellt. Die Sublimation ist gut erkennbar. Der Dampf ist gasförmiges Kohlenstoffdioxid:

Quelle sofatutor.com

Da Kohlenstoffdioxid deutlich schwerer als Luft ist, sinkt es zu Boden und kann sich dort ansammeln. Bereits eine Konzentration von in der Atemluft kann für Menschen tödlich sein. Da es als farb- und geruchloses Gas für uns nicht wahrnehmbar ist, können Kohlenstoffdioxid-Messgeräte Leben retten.

Kohlenstoffdioxid ist ein reaktionsträges Gas. Es löst sich sehr gut in Wasser und bildet dort die Kohlensäure , eine schwache Säure. Der größte Teil verbleibt allerdings als gelöstes Kohlenstoffdioxidgas im Wasser. Das ist das typische Sprudelgas im Mineralwasser, Limonaden, Bier und Sekt:

Die Salze der Kohlensäure werden als Carbonate bezeichnet. Das häufigste kohlenstoffhaltige Mineral in der Erdkruste ist Calciumcarbonat (), auch bekannt als Kalkstein.

Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Verbindungen entsteht Kohlenstoffdioxid:

Das ist beispielsweise bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdgas und Erdöl der Fall. Das entstandene entweicht in die Atmosphäre. Dort wirkt Kohlenstoffdioxid als sogenanntes Treibhausgas. Der Infrarotanteil des von der Erdoberfläche reflektierten Lichtes wird von Kohlenstoffdioxid an der Abstrahlung in den Weltraum gehindert und zur Erde zurück reflektiert. Das hat eine Erwärmung der Erdoberfläche zur Folge.

Ein natürlicher Prozess bei dem Kohlenstoffdioxid entsteht, ist die Zellatmung, die zur Energiegewinnung in Lebewesen dient. Hier wird Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt bei der Verstoffwechselung von Glucose gebildet:

Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid wird von Pflanzen aufgenommen und in der Photosynthese zu energiereicher Glucose verarbeitet. Die Reaktion verläuft also in entgegengesetzter Richtung zur Zellatmung, sodass sich ein natürliches Gleichgewicht einstellen kann:

Technisch kann Kohlenstoffdioxid im Labor durch Freisetzung aus Carbonaten mit Säuren gewonnen werden:

Die Nachweisreaktion von Kohlenstoffdioxid erfolgt mit einer Lösung von Calciumhydroxid (; Kalkwasser). Bei Anwesenheit von Kohlenstoffdioxid, entsteht nach folgender Reaktionsgleichung Calciumcarbonat, das als Trübung bzw. weißer Niederschlag sichtbar wird:

Kohlenstoffdioxid ist mit einem Anteil von ca. natürlicherweise in der Atmosphäre vorhanden. Eine sehr große Menge Kohlenstoffdioxid liegt gelöst in Gewässern vor, teils gebunden als Carbonate.

Aufgrund seiner Eigenschaften wird Kohlenstoffdioxid in verschiedenen Bereichen eingesetzt:

• zur Brandbekämpfung in Feuerlöschern
• als Lebensmittelzusatzstoff, um Getränke einen frischeren Geschmack zu verleihen, und zur Erhöhung der Haltbarkeit von Obst
• in Form von Trockeneis als Kühlmittel
• als Dünger im Gewächshaus, um die Photosyntheserate der Pflanzen zu erhöhen
• als Reinigungsmittel