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Kohlensäure

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Kohlensäure

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 ist eine anorganische Säure. Sie entsteht, indem sich Kohlenstoffdioxid in Wasser löst.

Kohlensäure hat die Summenformel H2CO3 und eine molare Masse von 62,03 .

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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der Reaktion von Kohlenstoffdioxid und Wasser zu Kohlensäure StudySmarter

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.

Für die Erlenmeyerregel existieren zwei Gründe. Die erste Ursache ist, dass zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindungen eine geringere Bindungsenergie als eine Doppelbindung zwischen einem Kohlenstoffatom und einem Sauerstoffatom besitzen. Die zweite Ursache ist, dass sich eng beieinanderliegende Sauerstoffatome gegenseitig abstoßen.

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 pKS-Wert berechnet werden kann.

Der pKS-Wert wird als Säurekonstante bezeichnet und ist ein Maß, wie stark eine Säure ist. Wenn du mehr darüber erfahren willst, lies gerne die Erklärung dazu durch.

Die erste Dissoziationsstufe kannst Du in der folgenden Reaktionsgleichung sehen. Sie besitzt einen pKS-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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der ersten Dissoziationsstufe von Kohlensäure StudySmarter

Die zweite Dissoziationsstufe hat einen pKS-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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der zweiten Dissoziationsstufe von Kohlensäure StudySmarter

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.

Malaria ist eine Erkrankung, die durch Parasiten ausgelöst wird. Die Infektionskrankheit ist heutzutage primär in den Tropen und Subtropen verbreitet und wird durch Moskitos übertragen.

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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der Reaktion von Calciumcarbonat, Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Calciumhydrogencarbonat StudySmarter

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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der Reaktion von Calciumhydrogencarbonat zu Calciumcarbonat StudySmarter

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.

Ein Gemisch aus einer schwachen Säure und deren konjugierten Base oder einer schwachen Base und deren konjugierten Säure wird Puffer genannt. Der pH-Wert dieses Gemisches verändert sich bei einer Zugabe von Säure oder Base nur wenig.

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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der Reaktion von Natriumcarbonat zu Natriumhydrogencarbonat StudySmarter

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.

Kohlensäure Reaktionsgleichung der Reaktion von Natriumhydrogencabonat zu Natriumcarbonat, Wasser und Kohlenstoffdioxid StudySmarter

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:

Kohlensäure Reaktionsgleichung der Reaktion von Ammoniumhydrogencarbonat zu Ammoniak, Wasser und Kohlenstoffdioxid StudySmarter

Das entstandene Ammoniak entweicht größtenteils durch die Hitze des Backvorgangs.

Kohlensäure - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Kohlensäure ist eine anorganische Säure mit der Summenformel H2CO3.
  • Es ist eine zweiprotonige Säure, bei der jede Dissoziationsstufe einen separaten pKS-Wert besitzt.
  • Die Entdeckung von Kohlensäure geht auf Brownrigg zurück. Priestley entwickelte Sodawasser. Diese Entdeckung machte sich Schweppe zunutze und vermarktete Sodawasser sowie Indian Tonic Water.
  • Kohlensäure kommt in Mineralwasser vor, spielt eine Rolle bei der Entstehung von Stalaktiten und Stalagmiten und ist im menschlichen Blut von Bedeutung.
  • Die Salze der Kohlensäure werden Carbonate und Hydrogencarbonate genannt. Beispiele sind Calciumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat.

Nachweise

  1. roempp.thieme.de: Kohlensäure (27. 01.2022)
  2. spektrum.de: Kohlensäure (07.06.2022)
  3. wissenschaft.de: Sodawasser von Schweppe (07.06.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kohlensäure

Es gibt derzeit keine eindeutigen Studienergebnisse, dass Kohlensäure gesundheitsschädlich ist. Es gibt lediglich Hinweise, dass Personen mit einer empfindlichen Verdauung kohlensäurehaltiges Wasser meiden sollen.

Kohlensäure stellt zusammen mit Hydrogencarbonat das Puffersystem des Blutes dar. Mithilfe dieses Puffers sollen Schwankungen des pH-Werts abgefangen werden.

In Gebieten, in denen früher aktive Vulkane existierten, kommt natürliche Kohlensäure in Wasser vor. Zudem spielt Kohlensäure in der Natur eine Rolle bei der Entstehung von Stalaktiten und Stalagmiten.

Kohlensäure dissoziiert in zwei Stufen. Zunächst gibt Kohlensäure ein Proton ab, welches durch beispielsweise Wasser aufgenommen werden kann. Es entsteht ein Oxoniumion und Hydrogencarbonat. Bei der zweiten Dissoziationsstufe gibt Hydrogencarbonat ein weiteres Proton an Wasser ab, sodass sich Carbonat und ein Oxoniumion bilden.

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 spielt Kohlensäure in der Natur eine Rolle?

Antwort anzeigen

Antwort

Kohlensäure spielt eine Rolle bei der Entstehung von Stalaktiten und Stalagmiten.

Frage anzeigen

Frage

Welche Hydrogencarbonate kennst Du?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Natriumhydrogencarbonat
  • Ammoniumhydrogencarbonat
Frage anzeigen

Frage

Wo kommt Calciumcarbonat vor?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kreide
  • Marmor
  • Calcit
Frage anzeigen

Frage

Im Blut des menschlichen Körpers dient Kohlensäure in Kombination mit ... als Puffer. Dadurch sollen die Abweichungen des ... des Blutes abgefangen werden. Wenn der pH-Wert des Blutes zu hoch ist, ... und reagiert zum Hydrogencarbonat. Bei einem zu niedrigen pH-Wert werden von ... Protonen aus dem Blut aufgenommen und es entsteht Kohlensäure, welche relativ schnell in Kohlenstoffdioxid und Wasser zerfällt.

Antwort anzeigen

Antwort

1) Hydrogencarbonat

2) pH-Werts 

3) gibt Kohlensäure ein Proton ab

4) Hydrogencarbonat

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

Wie wird Ammoniumhydrogencarbonat verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Ammoniumhydrogencarbonat wird als Backtriebmittel eingesetzt. Es ist bekannt als Hirschhornsalz und wird in Lebkuchen genutzt.

Frage anzeigen

Frage

Wer vermarktete Sodawasser?

Antwort anzeigen

Antwort

Johann Jacob Schweppe

Frage anzeigen

Frage

Warum hat Kohlensäure

zwei pKS-Werte?

Antwort anzeigen

Antwort

Da es sich um eine zweiprotonige Säure handelt, werden die Protonen in zwei Schritten abgegeben. Jede dieser Dissoziationsstufen hat einen separaten pKS-Wert.

Frage anzeigen

Frage

Ein Grund für die Lage des Gleichgewichts auf der Seite der Edukte ist die ..., die auf Kohlensäure zutrifft. Nach dieser Regel sind Verbindungen, bei denen am gleichen Kohlenstoffatom ... gebunden sind, nicht stabil. Sie tendieren dazu, ... abzuspalten

Antwort anzeigen

Antwort

1) Erlenmeyerregel 

2) zwei Hydroxygruppen 

3) Wasser

Frage anzeigen

Frage

Was sind die Salze der Kohlensäure?

Antwort anzeigen

Antwort

Carbonate und Hydrogencarbonate

Frage anzeigen

Frage

Ist eine Herstellung von reiner Kohlensäure möglich?

Antwort anzeigen

Antwort

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.

Frage anzeigen

Frage

Wer entdeckte Kohlensäure und wann?

Antwort anzeigen

Antwort

William Brownrigg entdeckte Kohlensäure im Jahr 1741.

Frage anzeigen

Frage

Wie viel Kohlenstoffdioxid reagieren tatsächlich mit Wasser zu Kohlensäure?

Antwort anzeigen

Antwort

0,1% abhängig von der Temperatur und vom Druck

Frage anzeigen
60%

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