Chemie der Kohlenstoffoxide und Kohlensäure einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, warum ein Sprudelgetränk beim Öffnen zischt und Bläschen wirft? Das ist pure Chemie der Kohlenstoffoxide und der Kohlensäure! Du beobachtest dabei live, wie ein Gas aus einer Lösung entweicht.

In dieser Lektion lernen wir, wie Kohlenstoffoxide entstehen und warum eines davon unsere Getränke erfrischend macht, während das andere extrem gefährlich ist. Außerdem schauen wir uns an, warum Kohlensäure so instabil ist und wie Druck und Temperatur sie beeinflussen.

Vorwissen

• Chemisches Gleichgewicht: Reaktionen können in beide Richtungen ablaufen (Hin- und Rückreaktion).

  Beispiel: $\text{A} + \text{B} \rightleftharpoons \text{C} + \text{D}$ bedeutet, dass sich ein Gleichgewicht zwischen den Ausgangsstoffen und Produkten einstellt.

• Säuren: Stoffe, die Protonen ($\text{H}^+$) abgeben können.

  Beispiel: Eine Säure gibt ein Proton an Wasser ab, wodurch saure Oxoniumionen ($\text{H}_3\text{O}^+$) entstehen.

Aufgabentyp 1: Gleichgewichtsverschiebungen bei Kohlenstoffoxiden und Kohlensäure

Wenn Holz oder Kohle brennt, reagiert der Kohlenstoff darin mit dem Sauerstoff aus der Luft. Wie viel Sauerstoff vorhanden ist, entscheidet darüber, welches Gas entsteht.

Gibt es viel Sauerstoff, findet eine vollständige Verbrennung statt. Es entsteht Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$).

Gibt es jedoch zu wenig Sauerstoff (zum Beispiel in einem schlecht belüfteten Kamin), kommt es zur unvollständigen Verbrennung. Es entsteht Kohlenstoffmonooxid ($\text{CO}$).

Auch wenn Kohlenstoff bei sehr hohen Temperaturen direkt mit Kohlenstoffdioxid reagiert, wird dieses reduziert und es entsteht Kohlenstoffmonooxid:

$\text{C} + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} \to 2 \textcolor{#CE5331}{\text{CO}}$

Diese beiden Gase haben völlig unterschiedliche Eigenschaften:

• Kohlenstoffdioxid löst sich gut in Wasser. Es ist das Gas, das unsere Getränke sprudeln lässt.

• Kohlenstoffmonooxid löst sich kaum in Wasser und reagiert nicht damit. Es ist extrem giftig! Es bindet sich im Blut an das Hämoglobin und blockiert den Sauerstofftransport, was lebensgefährlich ist.

Wie Kohlensäure entsteht (und warum es so wenig ist)

Wenn wir Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) unter Druck in Wasser pressen, löst es sich. Aber nur ein winziger Teil davon reagiert wirklich mit dem Wasser zu Kohlensäure ($\text{H}_2\text{CO}_3$).

Genauer gesagt: Nur etwa 0,1 % der gelösten $\text{CO}_2$-Moleküle werden zu Kohlensäure. Das chemische Gleichgewicht liegt also extrem weit auf der linken Seite:

$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3$

Die wenige Kohlensäure, die entsteht, ist eine schwache Säure und gibt Protonen ($\text{H}^+$) an das Wasser ab. Das passiert in zwei Schritten (Protolyse):

Schritt 1: Die Kohlensäure gibt ein Proton ab. Es bilden sich Oxoniumionen und Hydrogencarbonationen.

$\text{H}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{HCO}_3^-$

Schritt 2: Das Hydrogencarbonat gibt ein weiteres Proton ab und reagiert zu Carbonationen.

$\text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{CO}_3^{2-}$

Auch diese beiden Gleichgewichte liegen stark auf der linken Seite. Das bedeutet, dass nur sehr wenige Oxoniumionen entstehen und unsere Sprudelgetränke daher nur schwach sauer sind.

Stabilität und das Prinzip von Le Chatelier

Kohlensäure ist ein sehr instabiler Stoff. Sie existiert nur, weil sie durch das gelöste $\text{CO}_2$ im Gleichgewicht gehalten wird.

Zwischen dem Gas in der Luft und dem gelösten Gas im Wasser gibt es ein Phasengleichgewicht:

$\text{CO}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons \text{CO}_2\text{ (aq)}$

Hier hilft uns das Prinzip von Le Chatelier (Prinzip des kleinsten Zwanges): Ein System im Gleichgewicht weicht einem Zwang (wie einer Druck- oder Temperaturänderung) aus.

• Druckminderung: Wenn du eine Sprudelflasche öffnest, sinkt der Druck schlagartig. Das gasförmige $\text{CO}_2$ entweicht in die Luft.

Das System versucht nun, das fehlende Gas auszugleichen. Das Phasengleichgewicht verschiebt sich nach links: Gelöstes $\text{CO}_2$ wird zu Gas. Dadurch fehlt plötzlich $\text{CO}_2$ im Wasser. Um diesen Verlust auszugleichen, zerfällt die Kohlensäure ($\text{H}_2\text{CO}_3$) wieder in Wasser und $\text{CO}_2$. Alle Gleichgewichte rutschen nach links!

• Temperaturerhöhung: Gase lösen sich in warmem Wasser viel schlechter als in kaltem. Wenn du die Lösung erhitzt, entweicht das $\text{CO}_2$ ebenfalls. Auch hier verschieben sich alle Gleichgewichte nach links, und die Kohlensäure zerfällt.

Experiment: Das Entweichen der Kohlensäure

Zweck: Wir beobachten, wie eine Temperaturerhöhung das Gleichgewicht verschiebt und Gas austreibt.

Materialien: 200 mL Sprudelwasser, Becherglas, Heizplatte.

⚠️ Sicherheitshinweis: Vorsicht an der heißen Heizplatte. Schutzbrille tragen, da heißes Wasser spritzen kann. Nur unter Aufsicht durchführen.

Durchführung:

1. Fülle 200 mL Sprudelwasser in das Becherglas.

2. Stelle das Becherglas auf die Heizplatte und erwärme es langsam (nicht kochen!).

Beobachtung: Sobald das Wasser wärmer wird, steigen sehr viele kleine Bläschen auf und entweichen an der Oberfläche.

Erklärung: Durch die Wärme sinkt die Löslichkeit des Gases. Das Phasengleichgewicht verschiebt sich nach links. Das gelöste $\text{CO}_2$ wird gasförmig und entweicht. Dadurch zerfällt die Kohlensäure im Wasser, um das fehlende $\text{CO}_2$ nachzuliefern.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Störung identifizieren: Finde heraus, was mit der Lösung passiert. Sinkt der Druck (z. B. Flasche wird geöffnet) oder steigt die Temperatur (z. B. Lösung wird erwärmt)?
2. Auswirkung auf das Gas bestimmen: Überlege, was mit dem gelösten Gas passiert. Bei Druckabfall oder Erwärmung entweicht das Gas aus der Lösung. Die Konzentration des gelösten Gases sinkt.
3. Verschiebung der chemischen Gleichgewichte ableiten: Wende das Prinzip von Le Chatelier an. Das System will den Verlust ausgleichen. Alle Gleichgewichte verschieben sich in die Richtung, in der das Gas neu gebildet wird (nach links). Die Säure zerfällt.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Bei ausreichend Sauerstoff entsteht wasserlösliches $\text{CO}_2$, bei Sauerstoffmangel entsteht extrem giftiges $\text{CO}$.
• Nur ca. 0,1 % des gelösten $\text{CO}_2$ reagieren mit Wasser zu Kohlensäure ($\text{H}_2\text{CO}_3$).
• Kohlensäure ist instabil. Sinkt der Druck oder steigt die Temperatur, entweicht $\text{CO}_2$ und die Kohlensäure zerfällt (Gleichgewichtsverschiebung nach links).