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Kohlensäure

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Chemie

In diesem Beitrag geht es um das Thema Kohlensäure. Du lernst, dass es sich bei der Kohlensäure um mehr als nur den Sprudel in deinem Mineralwasser handelt. Neben den chemischen Grundlagen wie dem Dissoziationsgeichgewicht, erfährst du auch mehr über die Salze der Kohlensäure und wo du Kohlensäure im Alltag und deinem Körper finden kannst.

Das Thema Kohlensäure zählt zu den schwachen Säuren und bildet ein Unterthema des Fachs Chemie.

Was genau ist eigentlich Kohlensäure?

Von der Kohlensäure (H2CO3) hast Du bestimmt schon einmal gehört. Diese findest Du auch in deinem täglichen Leben wieder, beispielsweise im Mineralwasser. Dabei handelt es sich um eine schwache zweiprotonige Säure, die das Reaktionsprodukt aus dem Gas Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) ist.

Geschichte der Kohlensäure

Der englische Theologe, Chemiker und Physiker Joseph Priestley gilt als der Entdecker der Kohlensäure. Die erste Herstellung eines Sodawassers gelang ihm in einem Experiment 1772. Er leitete Schwefelsäure in eine kalkhaltige Lösung. Das dabei entstandene Kohlendioxid leitete er in einen Becher mit Wasser wo sich dieses löste.

Das enthaltene Natriumhydrogencarbonat sorgt für den leichten säuerlichen Geschmack des Sodawassers. Der deutsche Uhrmacher Johann Jacob Schweppe machte sich diese Eigenschaft zu nutze. 1783 mischte er das Arzneimittel Chinin, das gegen die Tropenkrankheit Malaria wirkt, mit Limettensaft und Wasser und versetzte die Mischung zusätzlich mit Kohlensäure. Der Durchbruch des Sodawassers gelang erst im Jahre 1851, als "Schweppes" als Getränkehersteller eine Weltausstellung in London beliefert.

Grundlagen

Die Kohlensäure wird durch eine Reaktion von Wasser und dem Gas CO2 gebildet. Kohlenstoffdioxid ist ein Gas, welches sich im Wasser gut lösen lässt und reagiert zu einem geringen Teil zu Kohlensäure. Durch Einwirkung von Druck wird die Reaktion der Reaktionspartner begünstigt.

Kohlensäure spielt nicht nur im Säure-Base-Haushalt von Wasser, sondern auch des Blutes und weiteren Körperflüssigkeiten eine wichtige Rolle.

Die schwache Säure: Kohlensäure

Damit du verstehst, wie Kohlensäure reagiert lernst du nun alle Grundlagen von der Herstellung bis hin zum Dissoziationsgleichgewicht der zweiprotonigen Säure.

Herstellung der Kohlensäure

Grundsätzlich entsteht Wasser durch das Binden von Kohlenstoffdioxid im Wasser. Sie kann auch auf natürliche Weise entstehen, nämlich in Vulkanregionen. Genauer gesagt in den Gesteinsschichten von Vulkanregionen. Durch das Abkühlen von heißem Magma und dem Erstarren unterhalb der Erdoberfläche entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid (CO2). Das freigesetzte Gas steigt nun durch die verschiedenen Gesteinsschichten auf in Richtung Erdoberfläche. Erreicht es wasserführende Schichten, so wird das Gas vom Wasser aufgenommen und bindet es als Kohlensäure.

Dissoziationsgleichgewicht

Was das Dissoziationsgleichgewicht von schwachen Säuren ist hast du bereits in einer anderen Zusammenfassung lernen können. Für die Kohlensäure gibt es ebenfalls ein solches Gleichgewicht, auch wenn nur ca. 0,2 % des CO2 mit Wasser zu Kohlensäure reagieren. Grundsätzlich steht das CO2 in wässrigen Lösungen im Gleichgewicht mit der Kohlensäure. Da es sich bei der Kohlensäure H2CO3 um eine zweiprotonige schwache Säure handelt, kannst du die Abgabe der Protonen in zwei Stufen darstellen:

1. Stufe:

2. Stufe:

Daraus ergibt sich zum einen ein pKs-Wert von 6,5 für die freie Kohlensäure, bei der das Hydrocarbonat-Ion als Reaktionsprodukt entsteht. Anhand der Säurekonstante erkennst du, dass es sich um eine schwache Säure handelt. Der pKs-Wert der zweiten Reaktionsgleichung liegt bei 10,5 und das Carbonat-Ion bildet das Produkt der Reaktion.

Die Salze der Kohlensäure

Die Salze der schwachen Säure sind die Carbonate bzw. Hydrogencarbonate. Hier erfährst du alles, was du über die Salze wissen solltest.

Carbonate

Das Carbonat-Ion ist eines der Säurerest-Ionen, das bei der Reaktion zu Kohlensäure gebildet wird. In Verbindung mit bestimmten Metall-Ionen bildet es verschiedene Salze oder salzähnliche Verbindungen, die sich im Wasser nicht lösen. Die bekanntesten Carbonate sind:

  • Calciumcarbonat
  • Natriumcarbonat

Calciumcarbonat

Calciumcarbonat bildet das bekannteste Carbonat und wir auch als Kalk oder Kalkstein bezeichnet. In der Natur kann es auf verschiedene Weise in Erscheinung treten:

  • Kalkstein
  • Kreide
  • Marmor
  • Calcit

Auch Korallenriffe sind Kalkablagerungen. Sie entstehen durch Hohltiere, die durch die gelösten Carbonate im Meerwasser Riffe aufbauen.

Natriumcarbonat

Auch das Natriumcarbonat Na2CO3 ist ein bedeutsames Carbonat der Kohlensäure. Es wird auch als calcinierte Soda bezeichnet. Dieses wird mittels des SOLVAY-Verfahren vor allem in Nordamerikanischen und Afrikanischen Seen gewonnen. Soda spielt eine signifikante Rolle in der Herstellung von Seifen und Waschmitteln. In der Glasherstellung, Papier- und Textilindustrie bildet Natriumcarbonat auch eine wichtige Grundchemikalie.

Hydrogencarbonate

Hydrogencarbonate entstehen durch die einfache Neutralisation der Kohlensäure durch eine Base. Durch Ionenbindung zwischen den Hydrogencarbonat-Ionen und den Kationen ist der Aggregatzustand fest. Erst bei eine Temperatur von mehr als 50°C zerfällt es in seine Einzelkomponenten.

Wichtige Hydrogencarbonate sind:

  • Natriumhydrogencarbonat
  • Ammoniumhydrogencarbonat
  • Calciumhydrogencarbonat

Anders als die Carbonate sind die Hydrogencarbonate der Erdalkalimetalle in Wasser gut löslich. Durch das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäuren stehen die Salze in einer abhängigen Beziehung zueinander.

Natriumhydrogencarbonat

Das Natriumhydrogencarbonat entsteht bei der Reaktion von Natriumcarbonat und Kohlenstoffdioxid mit Wasser. Diese Reaktion muss für die Bildung des Natriumhydrogencarbonats unter Kühlung ablaufen.

Vorallem in den USA findest du das Natriumhydrogencarbonat in Form des Minerals Nahcolith. In der Lebensmittelindustrie findet es Anwendung in Backpulver oder auch Brausepulver. Auch die Medizin macht sich das Salz der Kohlensäure zunutze, denn es kann gegen Sodbrennen eingesetzt werden.

Ammoniumhydrogencarbonat

Das Ammoniumhydrogencarbonat ist ein Zusatzstoff in der Lebensmittelindustrie. Meistens findest du es unter der Bezeichnung Hirschhornsalz wieder. Es wird hauptsachlich als Backtriebmittel, also zur Lockerung des Teigs eingesetzt. Damit es seine Wirkung im Teig gleichmäßig entfalten kann, wird es vor der Verwendung in einer Flüssigkeit aufgelöst. Beim Backen zersetzt sich das Ammoniumhydrogencarbonat in Kohlendioxid, Ammoniak und Wasserdampf.

Der Alltag mit Kohlensäure

Kohlensäure findest du auch in deinem Alltag. Beispielsweise findet sie Anwendung in Feuerlöschern, wird als Treibgas in Deo Dosen eingesetzt oder als Kälte- und Schutzmittel. Doch auch in Mineralwasser und unserem Blut spielt die Kohlensäure eine Rolle.

Wasser mit Kohlensäure als Naturprodukt

Sprudelwasser als Naturprodukt findest du vor allem in Regionen, in denen früher aktive Vulkane zu finden waren. Mit Hilfe der Kohlensäure kann das Wasser die verschiedenen Mineralien aus dem vulkanischen Gestein lösen.

Wasser mit Kohlensäure kannst du jedoch in zwei verschiedene Typen unterteilen. Zum einen natürliches Kohlensäurehaltiges Wasser. Hier enthält das Wasser die gleiche Menge Kohlensäure wie beim Abfüllen aus der Quelle. Zum anderen gibt es das natürliche Mineralwasser mit eigener Quellkohlensäure versetzt, es besitzt also mehr Kohlensäure als beim Abfüllen, diese stammt jedoch aus der gleichen Quelle.

Unter Druck bleibt die Verbindung zwischen dem Wasser und dem Gas bestehen. Beispielsweise in deiner verschlossenen Wasserflasche. Öffnest du nun deine Falsche fängt das Wasser an zu sprudeln, da der Druck entweichen kann und so auch die Kohlensäure, genauer das CO2, in Form von kleinen Bläschen.

Kohlensäure im Blut

Auch in unserem Blut spielt die Kohlensäure eine bedeutende Rolle, denn Sie dient in Kombination mit den Hydrogencarbonationen als sogenannter Puffer. Dadurch sollen die pH-Schwankungen im Blut aufgefangen werden.

Ist der pH-Wert des Blutes zu hoch, gibt die Kohlensäure ein Proton (H+) ab und reagiert zum Hydrogencarbonat-Ion. Wenn der pH-Wert jedoch zu niedrig ist, also das Blut zu sauer, werden von dem Hydrogencarbonat-Ionen Protonen aus dem Blut aufgenommen und reagiert zu Kohlensäure. Da diese jedoch kaum beständig ist zerfällt Sie direkt zu Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2).

Das CO2 wird durch eine verstärkte Atmung abgeatmet. Auch die Nieren haben Einfluss auf den Säure-Basen-Haushalt unseres Körpers, denn Sie können Protonen und Hydrogencarbonate gezielt ausscheiden oder zurückhalten.

Negative Effekte der Kohlensäure auf den Körper

Zwar handelt es sich bei der Kohlensäure um eine schwache Säure, dennoch kann sich diese negativ auf unseren Körper auswirken. Bei einem empfindlichen Magen sollte auf den Verzehr von Kohlensäurehaltigem Wasser verzichtet werden. Kohlensäure regt die körpereigene Produktion von Magensäure an. der Sprudeleffekt kann dadurch Sodbrennen begünstigen.

Kohlensäure - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Kohlensäure das Produkt aus der Reaktion von Wasser und Kohlendioxid. Die schwache Säure ist nur unter Druckeinwirkung beständig.
  • Die zweiprotonige Säure hat die Carbonat und Hydrogencarbonate als Ihre Salze
  • Wichtige (Hydrogen-) Carbonte sind:
    • Calciumcarbonat
    • Natriumcarbonat
    • Natriumhydrogencarbonat
    • Ammoniumhydrogencarbonat
    • Calciumhydrogencarbonat
  • Kohlensäure entsteht auf natürliche Weise in Vulkanregionen. Durch das Erstarren von Magma wird CO2 freigesetzt, das durch die Gesteinssichten aufsteigt und sich mit Wasser bindet.
  • Hat einen Einfluss auf den Säure-Base-Haushalt des Körpers.

Kohlensäure

Ob Kohlensäure schädlich für den Körper ist, ist nicht bewiesen. Die schwache Säure kann jedoch auswirkungen auf unseren Magen-Darm-Trakt und den Säure-Basen-Haushalt in unserem Körper haben. Beispielsweise kann die Kohlensäure die Produktion der Magensäure anregen, wodurch Sodbrennen begünstigt wird.

Kohlensäure kann den Säure-Basen-Haushalt unseres Körpers beeinflussen. Beispielsweise enthält unser Blut eine bestimmte menge an Kohlensäure. Ist das Blut zu sauer nimmt das Hydrogencarbinat-Ion ein Proton auf. Ist der pH-Wert zu hoch werden Protonen an das Blut abgegeben.

Kohlensäure ist das Reaktionsprodukt von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O). Besonders in Vulkanregionen kannst du natürlich entstandene Kohlensäure im Wasser finden. Dem Wasser kann jedoch auch extra kohlensäure versetzt werden. Dabei kann es entweder aus der Quelle stammen, aus der das Wasser abgefüllt wurde, oder CO2 wird in das Wasser geleitet.

Die Abgabe von Protonen bei der zweiprotonigen Säure erfolgt in zwei Stufen. Zunächst entsteht durch die Reaktion von Kohlensäure und Wasser ein Hydrogencarbonat-Ion. Dieses gibt in einer zweiten Reaktion mit Wasser ein weiteres Proton ab und das Carbonat-Ion entsteht.

Finales Kohlensäure Quiz

Frage

Wie entsteht Kohlensäure im

chemischen Sinne?

Antwort anzeigen

Antwort

Kohlensäure ist das Reaktionsprodukt aus dem Gas Kohlenstoffdioxid und Wasser. Jedoch reagiert nur ein geringer Teil zu Kohlensäure. Somit ist Kohlensäure eine schwache Säure.

Frage anzeigen

Frage

Wo und wie entsteht natürliche Kohlensäure?

Antwort anzeigen

Antwort

  • In Vulkanregionen
  • Durch das aufsteigen von Kohlenstoffdioxid
  • CO2 verbindet sich mit Wasser in den Gesteinsschichten
  • CO2 wird als Kohlensäure gespeichert
Frage anzeigen

Frage

Welche Hydrogencarbonate kennst Du?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Natriumhydrogencarbonat
  • Ammoniumhydrogencarbonat
  • Calciumhydrogencarbonat
Frage anzeigen

Frage

Welche Erscheinungsformen

hat Calciumcarbonat?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kalkstein
  • Kreide
  • Marmor
  • Calcit
Frage anzeigen

Frage

Welchen Einfluss hat Kohlensäure

auf das Blut?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Gibt Protonen an das Blut ab, ist der pH-Wert zu hoch. Hydrogencarbonat-Ionen entstehen.
  • Nimmt Protonen aus dem Blut auf, ist der pH-Wert zu niedrig. Kohlensäure entsteht.
  • Entstandene Kohlensäure zerfällt in Wasser und Kohlenstoffdioxid
Frage anzeigen

Frage

Was passiert mit der entstandenen

Kohlensäure im Blut?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kohlensäure zerfällt in Wasser und Kohlenstoffdioxid. Das CO2 wird durch vermehrte Atmung aus dem Körper geatmet.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Verwendung von Ammoniumhydrogencarbonat?

Antwort anzeigen

Antwort

Findet Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Dort wird es als Backtriebmittel eingesetzt. Um einen gleichmäßigen Effekt zu erzielen wird es vorher in Flüssigkeit gelöst. Dient der Lockerung von Teigwaren.

Frage anzeigen

Frage

Wer hat die Kohlensäure

entdeckt?

Antwort anzeigen

Antwort

Joseph Priestley

Frage anzeigen

Frage

Warum hat die Kohlensäure

zwei pKs-Werte?

Antwort anzeigen

Antwort

Da es sich um eine zweiprotonige Säure handelt werden die Protonen in zwei Schritten abgegeben. Dabei entstehen jeweils ein anderes Reaktionsprodukt, mit unterschiedlichen pKs-Werten.

Frage anzeigen

Frage

Wo findet Natriumcarbonat seine Anwendung?

Antwort anzeigen

Antwort

Natriumcarbonat wird als Grundchemikalie verwendet in:

  • Seifen und Waschmitteln
  • Glasherstellung
  • Papier- und Textilindustrie


Frage anzeigen

Frage

Was sind die Salze der Kohlensäure?

Antwort anzeigen

Antwort

Carbonate und Hydrogencarbonate

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Typen von Wasser mit Kohlensäure gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

  • natürliches Kohlensäurehaltiges Wasser
  • natürliches Mineralwasser mit eigener Quellkohlensäure versetzt
Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet "mit eigener Quellkohlensäure versetzt"?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Wasser, das aus der Quelle abgefüllt wurde, besitzt mehr Kohlensäure als beim Abfüllen. Diese zusätzliche Kohlensäure stammt jedoch aus der gleichen Quelle.

Frage anzeigen

Frage

Wie bleibt Kohlensäure beständig?

Antwort anzeigen

Antwort

​Damit entstandene Kohlensäure bestehen bleibt ist Druck notwendig. Beispielsweise in einer geschlossenen Wasserflasche.

Frage anzeigen

Frage

Wie viel Kohlenstoffdioxid reagieren tatsächlich mit Wasser zu Kohlensäure?

Antwort anzeigen

Antwort

0,2%

Frage anzeigen
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