Du sitzt bei 30 °C an der Poolbar und genießt genüsslich dein erfrischendes, eisgekühltes Mineralwasser. Das ist jetzt genau das richtige, um dich bei diesen sommerlichen Temperaturen abzukühlen. Wie andere Menschen Wasser ohne Kohlensäure trinken können, verstehst Du nicht. Doch während Du Dein Wasser trinkst, fragst Du Dich, was Kohlensäure eigentlich ist.

Kohlensäure – Grundlagen

Kohlensäure hat die Summenformel H₂CO₃ und eine molare Masse von 62,03 $\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$. In Abbildung 1 kannst Du die Strukturformel sehen:

Kohlenstoffdioxid ist ein Gas mit einer sehr guten Wasserlöslichkeit. Deswegen liegt in einer wässrigen Lösung nur ein kleiner Teil von circa 0,1 % als Kohlensäure vor. Dabei ist der Prozentsatz abhängig von der Temperatur und vom Druck. Somit liegt das Gleichgewicht der nachfolgenden Reaktion überwiegend auf der linken Seite.

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

Ein weiterer Grund für die Lage des Gleichgewichts ist die Erlenmeyerregel, die auf Kohlensäure zutrifft. Nach der Erlenmeyerregel sind Verbindungen, bei denen am gleichen Kohlenstoffatom zwei Hydroxygruppen gebunden sind, nicht stabil. Sie tendieren dazu, Wasser abzuspalten.

Kohlensäurehaltiges Wasser entsteht, indem in Kohlenstoffdioxid in die Wasserflasche gedrückt wird. Durch den hohen Druck löst sich das CO₂ im Wasser und es entsteht Kohlensäure. Die Flasche wird verschlossen, sodass die Kohlensäure beziehungsweise das CO₂ in der Flasche verbleibt. Wenn Du die Flasche schließlich öffnest, verringert sich der Druck wieder. Die gebildete Kohlensäure reagiert zurück zu Wasser und CO₂, welches als Gas austritt. Das Entweichen des Gases kannst Du am Sprudeln erkennen.

Dissoziation von Kohlensäure

Kohlensäure zählt zu den zweiprotonigen Säuren und kann somit zwei Protonen abgeben. Es existieren zwei Dissoziationsstufen, für die jeweils ein separater pK_S-Wert berechnet werden kann.

Die erste Dissoziationsstufe kannst Du in der folgenden Reaktionsgleichung sehen. Sie besitzt einen pK_S-Wert von 6,5. Kohlensäure gibt ein Proton ab. Das Proton wird von Wasser, wie in unserem Fall, oder einer Base aufgenommen. Durch die Aufnahmen des Protons durch Wasser entsteht ein Oxoniumion und Hydrogencarbonat.

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

Die zweite Dissoziationsstufe hat einen pK_S-Wert von 10,5. Hydrogencarbonat gibt ein Proton ab und es bildet sich Carbonat. Ein weiteres Wassermolekül nimmt das Proton auf und wird zu einem Oxoniumion.

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

Kohlensäure – Geschichtlicher Hintergrund

William Brownrigg war ein Chemiker und Arzt aus Groß-Britannien. Er gilt als Entdecker der Kohlensäure. Im Jahr 1741 erkannte er, dass das in Mineralwässer vorkommende Gas auch als Rauch bei der Verbrennung von Kohle entsteht.

Dem englischen Theologen, Chemiker und Physiker Joseph Priestley gelang im Jahr 1772 die erste Herstellung eines Sodawassers. Bei einem Experiment leitete er Schwefelsäure in eine kalkhaltige Lösung. Das dabei entstandene Kohlenstoffdioxid leitete der Engländer in einen Becher mit Wasser, wo sich dieses löste. Natriumhydrogencarbonat, welches auch häufig in Sodawasser vorkommt, ruft den leichten säuerlichen Geschmack hervor.

Der deutsche Uhrmacher und Juwelier Johann Jacob Schweppe machte sich diese Entdeckung zunutze und entwickelte das Geneva-System. Mit dieser Erfindung war ein Versetzen von Wasser mit Kohlensäure möglich. Wasser, welches Kohlensäure enthält, sollte das Problem von verunreinigtem Wasser auf Schiffsreisen lösen.

1790 gründete Schweppe mit Henri Paul und Henri-Albert Gosse eine Firma, die das sogenannte Sodawasser produzierte. Neben Sodawasser vermarktete das Unternehmen Schweppes ein Getränk namens Indian Tonic Water. Dieses Getränk war eine Mischung aus dem Arzneimittel Chinin, das gegen die Tropenkrankheit Malaria wirkt, Limettensaft und Wasser. Zusätzlich enthielt die Mischung Kohlensäure. Die Firme gibt es übrigens auch heute noch.

Kohlensäure – Vorkommen

Neben der Verwendung in Mineralwasser spielt Kohlensäure eine Rolle bei der Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten. Das Naturphänomen ist auch unter dem Namen Tropfstein bekannt. Hierfür löst sich Kohlenstoffdioxid im Regenwasser, wodurch sich Kohlensäure bildet. Der Kontakt mit kalkhaltigem Gestein führt zu Calciumhydrogencarbonat im Wasser. In der Reaktionsgleichung siehst Du die Reaktion von Calciumcarbonat, auch Kalk genannt, Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Calciumhydrogencarbonat.

${\mathrm{CaCO}}_3+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{Ca}{\left({\mathrm{HCO}}_3\right)}_2$

Stalaktiten entstehen schließlich, wenn dieses Wasser in eine unterirdische Höhle gelingt. Dort verdampft Wasser und Kohlenstoffdioxid. Somit kommt es zur Bildung von Calciumcarbonat, das schwer löslich ist. Bei Stalaktiten scheidet sich das Calciumcarbonat an der Decke ab und Stalagmiten wachsen am Boden.

$\mathrm{Ca}{\left({\mathrm{HCO}}_3\right)}_2\rightleftharpoons {\mathrm{CaCO}}_3+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Abbildung 2: Stalaktiten und Stalagmiten

Im Blut des menschlichen Körpers ist Kohlensäure ebenso von Bedeutung, denn sie dient in Kombination mit Hydrogencarbonat als Puffer. Dadurch werden die Abweichungen des pH-Werts im Blut abgefangen.

Wenn der pH-Wert des Blutes zu hoch ist, gibt Kohlensäure ein Proton ab und reagiert zum Hydrogencarbonat. Bei einem zu niedrigen pH-Wert werden von Hydrogencarbonat Protonen aus dem Blut aufgenommen und es entsteht Kohlensäure. Da die Säure jedoch kaum beständig ist, zerfällt sie direkt zu Wasser und Kohlenstoffdioxid, das durch eine verstärkte Atmung abgeatmet wird.

Kohlensäure – Herstellung

Eine Herstellung von Kohlensäure in reiner Form ist sehr schwierig. Mit den Verfahren zum Trennen, die Du im Schulunterricht kennengelernt hast, lässt sich Kohlensäure nicht isolieren. Denn diese Methoden führen zur Bildung von Wasser und Kohlenstoffdioxid, welches als Gas entweicht.

Chemiker*innen konnten unter aufwendigen Bedingungen Kohlensäure als Reinsubstanz herstellen. Die Synthese von reiner Kohlensäure ist nur bei sehr niedrigen Temperaturen möglich. Zudem muss auf eine wasserfreie Umgebung und eine komplette Abwesenheit von Metallsalzen geachtet werden.

Die Salze der Kohlensäure

Die Salze der schwachen Säure werden Carbonate und Hydrogencarbonate genannt. Wie Du schon weißt, entstehen Hydrogencarbonat und Carbonat, wenn Kohlensäure in beispielsweise Wasser ein beziehungsweise zwei Protonen abgibt. In diesem Abschnitt lernst Du einige Salze der Kohlensäure kennen.

Calciumcarbonat

Calciumcarbonat kennst Du vielleicht auch unter dem Namen Kalk oder Kalkstein. In der Natur kommt es in Kreide, Marmor oder Calcit, auch Doppelspat genannt, vor. Das Carbonat findet hauptsächlich in der Baustoffindustrie Verwendung. Neben Platten aus Marmor ist Calciumcarbonat bei der Produktion von Zement sowie Branntkalk, woraus Kalkmörtel angefertigt wird, zu finden.

Korallenriffe sind Kalkablagerungen und wachsen durch Hohltiere, die die gelösten Carbonate nutzen, um im Meerwasser Riffe zu erschaffen.

Natriumcarbonat

Natriumcarbonat ist ein Carbonat der Kohlensäure und wird auch als calcinierte Soda bezeichnet. Die Gewinnung erfolgt mittels des SOLVAY-Verfahren vorwiegend in Nordamerikanischen und Afrikanischen Seen. Soda spielt eine signifikante Rolle in der Herstellung von Seifen und Waschmitteln. Zudem ist Natriumcarbonat eine grundlegende Chemikalie in der Glasherstellung sowie der Papier- und Textilindustrie.

Natriumhydrogencarbonat

Natriumhydrogencarbonat entsteht bei der Reaktion von Natriumcarbonat und Kohlenstoffdioxid mit Wasser. Dabei solltest Du auf eine ausreichende Kühlung der Reaktion achten.

Natriumhydrogencarbonat findet hauptsächlich im Haushalt Anwendung. In Form von Natron wird es als Backtriebmittel verwendet. Durch die Wärme bildet sich Kohlenstoffdioxid beim Backvorgang. Dieses Gas bewirkt die luftige und lockere Konsistenz von deinem Kuchen oder deinem Brot. Die Reaktionsgleichung beschreibt die Reaktion, die während dem Backen abläuft. Natriumhydrogencarbonat reagiert zu Natriumcarbonat, Wasser und Kohlenstoffdioxid.

$2{\mathrm{NaHCO}}_3\to {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{CO}}_2$

Ammoniumhydrogencarbonat

Ein weiterer Vertreter der Hydrogencarbonate ist Ammoniumhydrogencarbonat. Es ist unter dem Namen Hirschhornsalz bekannt und wird hauptsächlich als Backtriebmittel verwendet. Ein klassisches Gebäck, was mit Hirschhornsalz gebacken wird, ist Lebkuchen. Ammoniumhydrogencarbonat zersetzt sich während dem Backen in Kohlendioxid, Ammoniak und Wasserdampf. Dieser Vorgang kann mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben werden:

${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{HCO}}_3\to {\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{CO}}_2$

Das entstandene Ammoniak entweicht größtenteils durch die Hitze des Backvorgangs.