Kohlenstoffdioxid

Biologische Rolle

Kohlendioxid ist ein Endprodukt in Organismen, die im Rahmen ihres Stoffwechsels Energie aus dem Abbau von Zuckern, Fetten und Aminosäuren mit Sauerstoff gewinnen. Dieser Prozess ist als Zellatmung bekannt. Dazu gehören alle Pflanzen, Tiere, viele Pilze und einige Bakterien. Bei höheren Tieren wandert das Kohlendioxid im Blut von den Körpergeweben zu den Lungen, wo es ausgeatmet wird. Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf, um es bei der Photosynthese zu verwenden.

Trockeneis

Trockeneis, oder festes Kohlendioxid, ist der feste Zustand des CO2-Gases unter -109,3 °F (-78,5°C). Trockeneis kommt auf der Erde nicht natürlich vor, sondern ist vom Menschen gemacht. Es ist farblos. Menschen verwenden Trockeneis, um Dinge kalt zu machen und um Getränke kohlensäurehaltig zu machen, Erdhörnchen zu töten und Warzen einzufrieren. Der Dampf von Trockeneis führt zum Ersticken und schließlich zum Tod. Bei der Verwendung von Trockeneis ist Vorsicht und professionelle Hilfe geboten.

Bei üblichem Druck schmilzt es nicht von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit, sondern wandelt sich direkt von einem Feststoff in ein Gas um. Dies wird Sublimation genannt. Bei jeder Temperatur, die höher ist als extrem kalte Temperaturen, wird es direkt von einem Festkörper in ein Gas übergehen. Trockeneis sublimiert bei normaler Lufttemperatur. Trockeneis, das normaler Luft ausgesetzt ist, gibt Kohlendioxidgas ab, das keine Farbe hat. Kohlendioxid kann bei einem Druck über 5,1 Atmosphären verflüssigt werden.

Kohlendioxidgas, das aus Trockeneis entsteht, ist so kalt, dass es, wenn es sich mit Luft vermischt, den Wasserdampf in der Luft zu Nebel abkühlt, der wie ein dicker weißer Rauch aussieht. Es wird oft im Theater verwendet, um das Aussehen von Nebel oder Rauch zu erzeugen.

Trockeneis, wenn es in Wasser gelegt wird

Isolierung und Produktion

Chemiker können Kohlendioxid aus Kühlluft gewinnen. Sie nennen dies Luftdestillation. Diese Methode ist ineffizient, weil eine große Menge Luft gekühlt werden muss, um eine kleine Menge CO2 zu gewinnen. Chemiker können auch mehrere verschiedene chemische Reaktionen nutzen, um Kohlendioxid abzutrennen. Kohlendioxid entsteht bei den Reaktionen zwischen den meisten Säuren und den meisten Metallkarbonaten. Beispielsweise entsteht bei der Reaktion zwischen Salzsäure und Kalziumkarbonat (Kalkstein oder Kreide) Kohlendioxid:

2 H C l + C a C O 3 ⟶ C a C l 2 + H 2 C O 3 {\darstellungsstil \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\langsam rechtsbündig CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}} }

Die Kohlensäure (H2CO3) zersetzt sich dann zu Wasser und _CO2. Solche Reaktionen verursachen Schaumbildung oder Blasenbildung oder beides. In der Industrie werden solche Reaktionen vielfach zur Neutralisierung von Abfallsäureströmen eingesetzt.

Branntkalk (CaO), eine Chemikalie, die weit verbreitet ist, kann durch Erhitzen von Kalkstein auf etwa 850 °C hergestellt werden. Bei dieser Reaktion entsteht auch _CO2:

C a C O 3 ⟶ C a O + C O 2 {\Anzeigestil \mathrm {CaCO_{3}\langsam rechtsbündig CaO+CO_{2}} }

Kohlendioxid entsteht auch bei der Verbrennung aller kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, wie z.B. Methan (Erdgas), Erdöldestillate (Benzin, Diesel, Kerosin, Propan), Kohle oder Holz. In den meisten Fällen wird auch Wasser freigesetzt. Als Beispiel ist die chemische Reaktion zwischen Methan und Sauerstoff zu nennen:

C H 4 + 2 O 2 ⟶ C O 2 + 2 H 2 O {\Anzeigestil \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\O_{2}\langerrechterPfeil CO_{2}+2\ H_{2}O} }

Kohlendioxid wird in Stahlwerken hergestellt. Eisen wird in einem Hochofen mit Koks aus seinen Oxiden reduziert, wobei Roheisen und Kohlendioxid entstehen:

F e 2 O 3 + 3 C O ⟶ 2 F e + 3 C O 2 {\darstellungsstil \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\langrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}} }

Hefe verstoffwechselt Zucker zur Produktion von Kohlendioxid und Ethanol, auch als Alkohol bekannt, bei der Herstellung von Wein, Bier und anderen Spirituosen, aber auch bei der Produktion von Bioethanol:

C 6 H 12 O 6 ⟶ 2 C O 2 + 2 C 2 H 5 O H {\Anzeigestil \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\langsam rechtspfeil 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH} }

Alle aeroben Organismen produzieren CO
₂, wenn sie Kohlenhydrate, Fettsäuren und Proteine in den Mitochondrien der Zellen oxidieren. Die Vielzahl der beteiligten Reaktionen ist überaus komplex und nicht einfach zu beschreiben. (Dazu gehören die Zellatmung, die anaerobe Atmung und die Photosynthese). Die Photoautotrophen (d.h. Pflanzen, Cyanobakterien) verwenden eine andere Reaktion: Pflanzen absorbieren CO
₂ aus der Luft und reagieren es zusammen mit Wasser zu Kohlenhydraten:

n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 {\Anzeigestil \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\langrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}} }

Kohlendioxid ist in Wasser löslich, in dem es sich spontan zwischen _CO2 und H
_2CO
3 (Kohlensäure). Die relativen Konzentrationen von CO
₂, H
_2CO
3, und die deprotonierten Formen HCO-
₃ (Bikarbonat) und ^CO2-
₃(Karbonat) hängen vom Säuregrad (pH-Wert) ab. In neutralem oder schwach alkalischem Wasser (pH > 6,5) überwiegt die Bikarbonatform (>50%), die beim pH-Wert des Meerwassers am häufigsten (>95%) auftritt, während in sehr alkalischem Wasser (pH > 10,4) die vorherrschende (>50%) Form Karbonat ist. Die Bikarbonat- und Karbonatformen sind sehr löslich. So enthält luftgleichgewichtiges Meerwasser (mild alkalisch mit typischem pH = 8,2-8,5) etwa 120 mg Bicarbonat pro Liter.

Industrielle Produktion

Industrielles Kohlendioxid wird hauptsächlich aus sechs Prozessen hergestellt:

• Durch das Einfangen natürlicher Kohlendioxidquellen, wo es durch die Einwirkung von gesäuertem Wasser auf Kalkstein oder Dolomit entsteht.
• Als Nebenprodukt von Wasserstoffproduktionsanlagen, in denen Methan in _CO2 umgewandelt wird;
• Aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder Holz;
• Als Nebenprodukt der Gärung von Zucker beim Brauen von Bier, Whisky und anderen alkoholischen Getränken;
• Von der thermischen Zersetzung von Kalkstein, CaCO
  ₃, bei der Herstellung von Kalk (Calciumoxid, CaO);

Chemische Reaktion

Kohlendioxid kann durch eine einfache chemische Reaktion erzeugt werden:

C + O 2 ⟶ C O 2 {\Anzeigestil \mathrm {C+O_{2}\lang-rechtspfeil CO_{2}} }

kohlenstoff + sauerstoff → kohlendioxid