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Co2 - Kohlenstoffdioxid

Co2 - Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid (meist Kohlendioxid genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid) zur Gruppe der Kohlenstoffoxide.

Kohlendioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (derzeit 381 ppm entspr. 0,0381%) ein natuerlicher Bestandteil der Luft und entsteht sowohl bei der vollstaendigen 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. Atmungs-Kohlendioxid stellt den groeßten Teil des Anteils in der Luft.

Herstellung

Technisch

Technisch gewinnt man Kohlendioxid durch Verbrennen von Koks mit ueberschuessiger Luft oder als Nebenprodukt beim Kalkbrennen und anschließende Reinigung (z. B. Binden an Kaliumcarbonat zu Hydrogencarbonat und anschließendes Freisetzen durch Erhitzen).

Auch natürliche Gasquellen (Sprudel) werden zur Gewinnung genutzt.

Im Labormaßstab

Freisetzung aus Carbonaten (z. B. Calciumcarbonat) durch Saeuren (z. B. Salzsaeure). Nur im Labor machen (aus Sicherheitsgruenden)

Physikalische Eigenschaften

Das Kohlendioxid-Molekuel ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen polar sind, heben sich deren elektrische Dipolmomente durch die Molekuelsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekuel selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist. Dennoch ist Kohlendioxid aufgrund der inneren Dipolmomente gut in Wasser loeslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung.

Kohlendioxid 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.

Chemische Eigenschaften

In Wasser geloestes Kohlendioxid bildet Kohlensaeure H2CO3, wobei aber mehr als 99% des Kohlendioxids nur physikalisch geloest sind. Die Kohlensaeure als solche liegt vor in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat ("Bicarbonat", HCO3–) und Carbonat (CO32–), die in einem vom pH-Wert abhaengigen Mengenverhaeltnis zueinander stehen. Faengt man die bei der Dissoziation gebildeten Oxonium-Ionen (H+, eigentlich H3O+) durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH–) ab, so verschiebt sich das Mengenverhaeltnis zu Gunsten von Carbonat.

Verwendung

Bei der Sublimation von Trockeneis entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO2-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der als Effekt in der Buehnentechnik Einsatz findet.

Viele Getraenke enthalten Kohlendioxid, um beim Trinken einen besseren Erfrischungseffekt zu erzielen. Bei manchen Getraenken entsteht es durch Gaerung (Bier, Sekt), bei anderen wird es kuenstlich zugesetzt (Limonade, Sodawasser) oder es wird kohlendioxidhaltiges, natuerliches Mineralwasser verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoff traegt es die Bezeichnung E 290. Bei der Herstellung wird Kohlendioxid unter hohem Druck in das Getraenk gepumpt, wobei es zu etwa 0,2% mit Wasser zu Kohlensaeure reagiert; der groeßte Teil ist als Gas im Wasser geloest. Bei einem Druckabfall durch oeffnen des Gefaeßes kommt es zu einer Nukleation, so dass das nun ueberschuessig geloeste Gas blaeschenfoermig austritt und aufsteigt. Die Blaeschenbildung des Gases und der saeuerliche Geschmack der Kohlensaeure auf der Zunge beim Trinken stimulieren die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat.

Kohlendioxid kommt auch in Feuerloeschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdraengt (siehe auch CO2-Loescher, Brandbekaempfung, Loeschmittel).

Kohlendioxid wird als Duenger in Gewaechshaeusern eingesetzt. Grund ist der durch den photosynthetischen Verbrauch entstehende CO2-Mangel bei ungenuegendem Nachschub an Frischluft, besonders im Winter bei geschlossener Lueftung, weil Pflanzen CO2 als Grundsubstanz benoetigen. Dabei wird das Kohlendioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas eingebracht (Kopplung von Duengung und Heizung). Die moegliche Ertragsteigerung ist abhaengig davon, wie stark der Mangel an CO2 ist und wie stark das Lichtangebot für die Pflanzen ist. Kohlendioxid wird auch in der Aquaristik als Duenger 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-Duengung)

ueberkritisches Kohlendioxid besitzt eine hohe Loeslichkeit für unpolare Stoffe und kann giftige organische Loesemittel ersetzen. Es wird als Extraktionsmittel, zum Beispiel zur Extraktion von Naturstoffen wie Koffein (Herstellung von koffeinfreiem Kaffee durch Entkoffeinierung), und als Loesemittel 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, ueberkritisches Kohlendioxid als Reaktionsmedium für die Feinchemikalienherstellung (z.B.für die Herstellung von Aromastoffen) zu verwenden, da isolierte Enzyme hierin vielfach aktiv bleiben und keine Loesemittelrueckstaende (im Gegensatz zu organischen Loesemitteln) in den Produkten verbleiben.

In zunehmendem Maße kommt Kohlendioxid als natuerliches Kaeltemittel in Klimaanlagen zum Einsatz.

Kohlendioxid wird auch als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt – entweder in reiner Form oder haeufiger als Zusatz zu Argon und/oder Helium. Da Kohlendioxid bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil ist, wird es nicht als Inertgas, sondern als Aktivgas bezeichnet.

CO2 wird auch in Abfuehrmitteln (Zaepfchen) verwendet. Durch eine chemische Reaktion wärend der Aufloesung des Zaepfchens wird CO2 freigesetzt und dehnt den Darm, was wiederum den Stuhlreflex ausloest.

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

CO2 in der Atmosphaere und Treibhauseffekt

Hauptartikel: Treibhauseffekt

Der CO2-Anteil in der Atmosphaere ist seit jeher betraechtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedenen biologischen, chemischen und physikalischen Ursachen entstammen. So lag er im Karbon vor ca. 300 Mio. Jahren wahrscheinlich bei mindestens 1400 ppm. Seit Beginn der Industrialisierung (ca. 1880) stieg der CO2-Anteil in der Atmosphaere von ca. 280 ppm auf 380 ppm (2005) [1] und steigt z.Zt. weiter um durchschnittlich 1,5-2 ppm pro Jahr. Damit wuerde die hoechste Konzentration seit mindestens 650.000 Jahren erreicht. Sehr fruehe und Jahrmillionen zurueckliegende geologische Epochen lassen sich in Bezug auf die Klimawirkung immer schwerer vergleichen, da sich der Sauerstoffanteil der Atmosphaere noch nicht stabilisiert hatte.[1]

Dieser Anstieg wird durch die vom Menschen verursachten (anthropogenen) CO2-Emissionen von jaehrlich ca. 32 Mrd. Tonnen bzw. ca. 8,5 Gt Kohlenstoff [2] bewirkt, von denen etwa die Haelfte in der Atmosphaere verbleiben. Dies macht zwar nur einen kleinen Anteil des ueberwiegend aus natuerlichen Quellen stammenden Kohlendioxids von jaehrlich etwa 550 Gt CO2 bzw. 150 Gt CO2 aus [3], doch der Nettofluss des natuerlichen CO2-Kreislaufes beträgt Null, da die natuerlichen CO2-Quellen genauso viel CO2 abgeben, wie sie auch wieder aufnehmen. Deshalb blieb die CO2-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren auch relativ konstant bei 280 ppmv. Die anthropogenen CO2-Emissionen stellen dagegen einen reinen Zusatz dar, der zum Teil von den natuerlichen Senken kompensiert wird. Der andere Teil gelangt in die Atmosphaere und lässt die CO2-Konzentration steigen.

Kohlendioxid absorbiert einen Teil der Waermestrahlung (Infrarotstrahlung), wärend kurzwelligere Strahlung, d.h. der groeßte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlendioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Zusammen mit Wasserdampf erhöht es die mittlere Temperatur auf der Erdoberfäche von ca. -18°C auf +15°C und ist somit entscheidend für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich (natuerlicher Treibhauseffekt).

Von der ueberwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler wird die Meinung vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphaere zum anthropogenen Treibhauseffekt führt, der einen Klimawandel (die globale Erwaermung) zur Folge hat. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet das CO2, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird. Die globale Erwaermung ist von zahlreichen Folgen begleitet, deren Vermeidung oder Abfederung durch wirksamen Klimaschutz gewaehrleistet werden soll.

Allgemein ist in der Wissenschaft bereits seit den 1990er Jahren anerkannt, dass es eine Klimaveraenderung gibt und dass die Ursache der Anstieg der Konzentration an Treibhausgasen in der Atmosphaere ist. Dieser anfaenglich noch mit groeßeren Unsicherheiten verbundene Verdacht hat sich im Laufe der Forschungen immer mehr erhaertet und ist heute wissenschaftlicher Konsens.[4] Ohne Beruecksichtigung der Treibhausgase sind die beobachteten Temperaturdaten nicht zu erklaeren.[5]

Der zwischenstaatliche Klimaausschuss IPCC stellt regelmaeßig den aktuellen Stand des Wissens über den Einfluss des Menschen auf das Klima in Sachstandsberichten dar. Anfang wird der Nachfolger zum Dritten Assessment Report von 2001 erwartet. 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 auch CO2-Reduzierungs-Maßnahmen etwa als Belastung für die Volkswirtschaften ablehnen.

Den weltweit hoechsten CO2-Ausstoß 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.

Grundsaetzlich besteht in der Politik 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 existiert das 2005 in Kraft getretene Kyoto-Protokoll, allerdings ohne Beteiligung einiger wichtiger Industriestaaten wie der USA, sowie auf dessen Grundlage der Emissionsrechtehandel in der Europaeischen 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:

• 0,038%: Natuerliche 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 taegliche 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 Bewusstlosigkeit
• 8%: Bewusstlosigkeit, Eintreten des Todes nach 30 - 60 Minuten

Immer wieder kommt es zu Unfaellen mit CO2. In Weinkellern, Futtersilos, Brunnen und Jauchegruben können sich durch Gaerprozesse betraechtliche Mengen an CO2 bilden. Bei der Vergaerung von einem Liter Most (Apfelwein) entstehen etwa bis zu 50 Liter Gaergas. Wenn nicht für ausreichende Entlueftung gesorgt ist, bilden sich gefaehrliche Konzentrationen, und zwar aufgrund der höheren Dichte von CO2 im Vergleich zu Luft vor allem in Bodennaehe ("Kohlendioxid-See").

Die direkte Schadwirkung auf Tier und Mensch kann im Einzelfall auf der Verdraengung des Sauerstoffes in der Luft beruhen. Die weit verbreitete Ansicht, CO2 sei an sich unschaedlich und wirke nur durch Verdraengen des lebensnotwendigen Sauerstoffs, ist jedoch falsch. Daher ist auch die alte "Kerzenprobe" zum Erkennen von gefaehrlicher Sauerstoffknappheit nicht sinnvoll. Durch die Verdraengung der Luft (Absinken des O2-Partialdrucks auf weniger als 130 mbar) durch das schwerere Kohlendioxid kann es aber zusaetzlich zu den schaedlichen Wirkungen des CO2 auch zum Ersticken durch Sauerstoffmangel kommen.

Im Blut geloestes CO2 aktiviert in physiologischer (natuerlicher) 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.

Zusaetzlich hat Kohlendioxid eine indirekte Wirkung auf den Sauerstoffhaushalt des Blutes. Befindet sich vermehrt Kohlendioxid in der Luft oder im Frischwasser, so wird im Blut über das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensaeure der pH-Wert vermindert - das Blut wird "sauerer". Von diesem Absinken des pH-Werts ist das Haemoglobin betroffen. Bei niedrigerem pH-Wert verringert sich seine O2-Bindungskapazitaet. Das heißt bei gleichem O2-Gehalt der Luft kann vom Haemoglobin 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-Bindungskapazitaet) und erleichtert damit die O2-Abgabe. In der Lunge sind die Verhältnisse umgekehrt und beguenstigen so das "Beladen" des Haemoglobins mit Sauerstoff.

Dieser indirekte Effekt über den pH-Wert des Blutes ist von der staerkeren Giftigkeit des Kohlenstoffmonoxid zu unterscheiden. Kohlenstoffmonoxid maskiert als Komplexbildner reversibel den Eisenkern des Haemoglobin und verhindert dadurch die Bindung von Sauerstoff in den roten Blutkoerperchen. Dies ist ein anderer (wirksamerer) molekularer Mechanismus als beim Kohlenstoffdioxid.

Immer wieder fallen ganze Familien einer Gaergasvergiftung zum Opfer, weil mehrere Personen bei der Rettung eines Familienmitglieds selbst Kohlendioxid 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 Belueftung (falls vorhanden) einzuschalten und ein Notruf abzusetzen.

Die Rettung eines Verunglueckten aus CO2-verdaechtigen Situationen (Weinkeller usw.) ist nur für professionelle Einsatzkraefte (Feuerwehr) mit umluftunabhaengigem Atemschutz möglich.

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