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05.02.2005 um 16:08
Kohlenstoffdioxid
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Name
Kohlendioxid, Kohlenstoffdioxid
Summenformel
CO2
Dichte bei 0 °C und 1,01325 bar
1,98 kg/m3
Sublimationspunkt
−78,5 °C
kritische Temperatur
31,0 °C
kritischer Druck
74,0 bar
max. Arbeitsplatz-Konzentration
5000 ppm
Wärmeleitfähigkeit
0,01457 W/(m·K)
Kohlenstoffdioxid oder auch Kohlendioxid (beide Begriffe sind gebräuchlich) ist ein farbloses, geruchloses, schweres und nicht brennbares Gas. Die chemische Formel lautet CO2.
Der korrekte Name ist Kohlenstoffdioxid, da die Verbindung ein Oxid des Elements Kohlenstoff und nicht der (lediglich kohlenstoffhaltigen) Kohle ist. Das Molekül ist linear aufgebaut und besitzt kein elektrisches Dipolmoment, so dass es unpolar ist.
Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Auch im Organismus entsteht Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt der Zellatmung. Das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt verwenden Pflanzen bei der Photosynthese Kohlenstoffdioxid, um Glukose zu produzieren und ihre Biomasse aufzubauen.
In Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid bildet Kohlensäure H2CO3, wobei aber ca. 99% des Kohlenstoffdioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche liegt jedoch praktisch nicht als Molekül vor, sondern ist dissoziiert in H+, HCO3−und CO32−, die je nach Druck oder Temperatur und vor allem pH-Wert in wechselnden Verhältnissen miteinander im Gleichgewicht stehen. Fängt man die Hydronium-Ionen (H+, eigentlich aber H3O+) unter Zugabe von Hydroxidionen (OH−) ab, so löst sich Kohlenstoffdioxid in der Lauge vollständig unter Bildung von Carbonaten.
Verwendung
Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Trockeneis schmilzt nicht, sondern sublimiert bei −78 °C, allerdings kann man es unter der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten. Bei der Sublimation entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO2-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz findet.
Viele Getränke enthalten Kohlenstoffdioxid. 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.
Kohlenstoffdioxid kommt auch in Feuerlöschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdrängt (siehe auch Brandbekämpfung, Löschmittel).
Kohlenstoffdioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Der Grund ist der CO2-Mangel durch ungenügenden Luftaustausch, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas verwendet (Kopplung von Düngung und Heizung). Auch durch Zuführung von organischer Substanz wird der CO2-Gehalt erhöht. Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark das CO2 im Minimum steht, und wie hoch die Lichtintensität ist (Wirksamkeit steigt mit zunehmendem Lichtangebot).
Überkritisches Kohlenstoffdioxid kann in vielen Bereichen giftige organische Lösungsmittel ersetzen und wird auch in der Halbleiterindustrie zur Reinigung von Wafern verwendet. Auch zur Extraktion von Naturstoffen wie z. B. Koffein aus Pflanzen wird superkritisches Kohlenstoffdioxid verwendet.
In zunehmenden Maße kommt Kohlenstoffdioxid als natürliches Kältemittel in Klimaanlagen zum Einsatz.
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.
Treibhauseffekt und Globale Erwärmung
Durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern (Erdöl, Erdgas, Kohle) wird CO2 frei. Durch die erhöhte Verwendung solcher Energieträger in den Industrieländern kommt es zu einem Anstieg des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre (seit Beginn der Industrialisierung von 280 ml/m³ um etwa ein Drittel auf 384 ml/m³ im Jahr 2004) und damit zu einer zunehmenden Erwärmung der Erdatmosphäre (Treibhauseffekt, Globale Erwärmung). Eine 2004 veröffentlichte Untersuchung US-amerikanischer Klimaforscher ergab, dass der CO2-Anteil in den letzten zehn Jahren dieser Untersuchung immer schneller anwuchs und ein neues Rekordniveau erreichte. Als Ursache wird unter Anderem auf die stark anwachsende Industrie Asiens verwiesen, wobei die USA weiterhin den mit Abstand größten Sockel des CO2-Ausstoßes beitragen.
Neben der CO2-Reduktion werden auch Verfahren zur CO2-Sequestrierung diskutiert und untersucht.
Gefahren
Immer wieder kommt es zu Unfällen mit CO2. In Weinkellern, Futtersilos und Jauchegruben können sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO2 bilden. Bei der Vergärung von einem Liter Most (Apfelwein) 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 ("Kohlendioxid-See").
(Die Dichte von Gasen lässt sich mit der molaren Masse und der Regel von Avogadro abschätzen: Luft besteht im Wesentlichen aus Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), Kohlenstoffdioxid hingegen aus CO2 Molekülen, welche eine deutlich größere molare Masse haben. In einem gleichen Volumen sind auch bei unterschiedlichen Gasen ungefähr gleich viele Moleküle vorhanden, also muss die Dichte von Kohlenstoffdioxid größer sein als die von Luft.)
Die weit verbreitete Ansicht, CO2 sei an sich ungiftig und wirke nur durch Verdrängen des lebensnotwendigen Sauerstoffs, ist falsch! Daher ist auch die alte "Kerzenprobe" zum Erkennen von gefährlicher Sauerstoffknappheit zu ungenau. Dies liegt u. a. daran, dass Kerzen auch dann noch brennen, wenn der Sauerstoff zum Atmen bereits nicht mehr reicht.
Kommt CO2 in der atmosphörischen Luft noch zu ca. 0,03 Prozent vor, sind es in der menschlichen abgeatmeten Atemluft schon ca. 4,5 Volumenprozent. Im Blut aktiviert CO2 in physiologischer und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum, in deutlich höherer Konzentration führt es jedoch zur Verminderung oder sogar Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes (Atemdepression; diese Tatsache kann man sich bei gerade hyperventilierenden Personen zu Nutze machen, indem man sie in ein luftdichtes Behältnis hinein- und auch wieder daraus einatmen lässt, da so schnell atemdepressive Atemluftkonzentrationen an CO2 erreicht werden und der übersteigerte Atemantrieb der Hyperventilierenden wirkungsvoll gedämpft wird). Ab etwa 5 Prozent 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 über 20 Prozent sind tödlich.
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. Statt dessen ist eine Entlüftung (falls vorhanden) einzuschalten und der Notruf abzusetzen.
Die Rettung eines Verunglückten aus CO2-verdächtigen Situationen (Weinkeller, etc) ist nur für professionelle Einsatzkräfte (Feuerwehr) mit schwerem Atemschutz möglich.
Klimasünder
In den USA, Kanada, Finnland, Tschechien und Belgien war der Kohlenstoffdioxidausstoß pro Kopf im Jahr 2002 weltweit am höchsten.
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