Kohlenstoffdioxid - Universität Tübingen

Eberhard – Karls – Universität Tübingen
Institut für Anorganische Chemie
13.02.2008
Chemische Experimentierübungen für Lehramtskandidaten WS 07/08
Dozenten: Dr. rer. nat. Cäcilia Maichle – Mössmer und Prof. Dr. Hans – Jürgen Meyer
Betreuer: Björn Teufel
Referentin: Miriam Scheurer
Vorkommen von Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid kann in der Natur sowohl frei als auch gebunden vorliegen. Im
freien Zustand ist es ein Bestandteil der Luft und des Meerwassers, im gebundenen
Zustand findet es sich v. a. in Form von Calcium- und Magnesiumcarbonat.
Massenanteile von Kohlenstoffdioxid
Erdatmosphäre
Die Erdatmosphäre enthält 2,45 · 10 12 t Kohlenstoffdioxid in Form von Gas, was
einem Volumenanteil von 0,035 % entspricht.
Meere
Die Meere enthalten 1,30 · 10 14 t gelöstes bzw. in Carbonaten und Hydrogencarbonaten
gebundenes Kohlenstoffdioxid.
Erdkruste
Die Erdkruste enthält 2,40 · 10 17 t Kohlenstoffdioxid in Form von Carbonaten und
Hydrogencarbonaten.
Die oben genannten Kohlenstoffdioxidreservoirs sind durch einen ständigen
Austausch verbunden, so dass zwischen ihnen ein natürliches, dynamisches
Gleichgewicht herrscht. Es wird jedoch durch die Verbrennung von fossilen
Brennstoffen und durch die großflächige Abholzung bzw. Rodung von Waldgebieten
massiv gestört. Als Konsequenz ist eine Erwärmung der Erdoberfläche und als Folge
eine weltweite Klimaänderung zu erwarten.
1

Bedeutung von Kohlenstoffdioxid für Menschen
Kohlenstoffdioxid wird im Organismus für die Carboxylierung von organischen
Substraten benötigt. Es ist ein Bestandteil des wichtigsten Puffersystems im Blut, des
Kohlenstoffdioxid/Bicarbonat – Puffers, wodurch geringe Änderungen des pH –
Wertes kompensiert und somit Acidosen bzw. Alkalosen vermieden werden. Des
Weiteren stimuliert das Vorhandensein von Kohlenstoffdioxid im Blut die Atmung und
wird deshalb bei der künstlichen Beatmung dem Sauerstoff oder der normalen Luft
zugesetzt.
Bedeutung von Kohlenstoffdioxid für Pflanzen
Kohlenstoffdioxid wird von grünen Pflanzen für die Photosynthese benötigt, die ihnen
eine Umwandlung des über die Spaltöffnungen aufgenommenen Kohlenstoffdioxids
in Kohlenhydrate ermöglicht.
Gleichung für die Photosynthese:
Lichtenergie
6 CO2
+ 12 H2O
⎯⎯⎯⎯→C6H12O
6 + 6 H2O
+
Aufbau von Kohlenstoffdioxid
6 O
Kohlenstoffdioxid ist ein lineares Molekül. Seine wichtigste Grenzformel ist
→
O = C =
O
.
Das Kohlenstoffatom des Kohlenstoffdioxids ist sp – hybridisiert. Die zwei
verbleibenden p – Orbitale bilden π – Bindungen, deren Delokalisation durch die
Grenzstrukturen
→
IO ≡ C − OI
↔ IO
− C ≡
berücksichtigt werden.
OI
2
2

Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid ist ein farbloses, unbrennbares, die Atmung und die Verbrennung
nicht unterhaltendes Gas mit einem etwas säuerlichen Geruch und Geschmack. Es
hat eine 1,5mal höhere Dichte als Luft und sammelt sich in geschlossenen Räumen,
z.B. in Gärkellern, am Boden.
Kohlenstoffdioxid ist unter Standardbedingungen gasförmig, kann jedoch leicht
verflüssigt werden. Kühlt man flüssiges Kohlenstoffdioxid in einem geschlossenen
Gefäß, entsteht festes Kohlenstoffdioxid (Trockeneis). Dieses sublimiert bei einem
Druck von 1013,25 hPa und bei einer Temperatur von – 78 °C, d.h. es geht vom
festen Aggregatzustand ohne zu schmelzen in den gasförmigen über.
Abbildung 1: Zustandsdiagramm von Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid ist wasserlöslich. Seine Löslichkeit nimmt allerdings mit steigender
Temperatur ab und mit sinkendem Druck zu.
Chemikalien und Geräte:
CO2, 2 Bechergläser, Feuerzeug, Kerze.
1. Versuch: Umgießen von CO2
3

Durchführung:
Eine brennende Kerze wird in ein Becherglas gestellt. Anschließend wird CO2 (aus
der Gasflasche) in ein anderes Becherglas gefüllt und langsam in das Becherglas mit
der brennenden Kerze gegossen.
Beobachtung:
Die brennende Kerze erlischt.
Abbildung 2: Versuchsaufbau „Umgießen von CO2“
Erklärung:
Die Kerzenflamme geht auf der Stelle aus, da CO2 die Verbrennung nicht unterhält.
Das Gas ist schwerer als Luft, sinkt sofort auf den Boden des Becherglases und
erstickt die Kerze.
2. Versuch: Kerzentreppe
Chemikalien und Geräte:
CO2, Aquarium, Feuerzeug, 3 – 4 unterschiedlich große Kerzen.
Durchführung:
3 – 4 unterschiedlich große brennende Kerzen werden in ein Aquarium gestellt. Die
größte Kerze sollte dabei mit ihrem Docht den Rand des Aquariums überragen.
Anschließend wird CO2 (aus der Gasflasche) in das Aquarium eingeleitet.
Abbildung 3: Versuchsaufbau „Kerzentreppe“
4

Mischt man Kohlensäureschnee im Verhältnis 1:2 mit Magnesiumpulver und
entzündet dieses Gemisch, verbrennt es unter einer starken Lichterscheinung zu
Kohlenstoff und Magnesiumoxid.
→
CO 2
+
2 Mg
→
C +
2 MgO
+
810,
69
kJ
Lässt man Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff (1) bzw. mit Kohlenstoff (2) reagieren,
stellt sich das Wassergasgleichgewicht bzw. das Boudouard – Gleichgewicht ein.
H CO kJ 19 , 41 + +
→ ( ) g O H + (1)
2
⇒ Wassergasgleichgewicht
2
CO 2
172, 58 kJ CO2
C + +
→ 2 CO
(2)
⇒ Boudouard − Gleichgewicht
Das Boudouard – Gleichgewicht ist das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffdioxid,
Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoff. Es wird aufgrund des endothermen
Reaktionsverlaufs durch hohe Temperaturen auf die Produktseite verschoben. Eine
Erhöhung des Drucks bewirkt im Gegensatz dazu eine Verschiebung des
Gleichgewichts auf die Seite der Edukte, da hierdurch die Anzahl der gasförmigen
Moleküle abnimmt.
Abbildung 4: Temperaturabhängigkeit der
Gleichgewichtslage der Reaktion CO2 + C 2 CO bei einem Druck von p = 1bar
6

→
2 Mg O2
→ +
2 MgO
b) Das Magnesiumband brennt in dem mit CO2 (aus der Gasflasche) gefüllten
Erlenmeyerkolben kürzer als in dem mit Luft gefüllten, da das CO2 die Luft und
somit den brennbaren Sauerstoff aus dem Erlenmeyerkolben verdrängt hat
und selbst die Verbrennung nicht unterhält. Weiterhin hat das starke
Reduktionsmittel Magnesium das CO2 zu schwarzem Kohlenstoff reduziert,
wobei als Nebenprodukt auch weißes Magnesiumoxid entsteht.
→
2 Mg + CO2
→ C +
2 MgO
Säure – Base – Verhalten von Kohlenstoffdioxid
Wässrige Lösungen von Kohlenstoffdioxid reagieren schwach sauer. Dies beruht
darauf, dass sich Kohlenstoffdioxid mit Wasser in geringem Maße zu Kohlensäure
umsetzt. Kohlensäure, die als freie Säure nicht isoliert werden kann, ist theoretisch
eine mittelstarke Säure, deren Dissoziationskonstante
→
K
1
c
=
H
+ ⋅
c
H CO
2
c
HCO
3
−
3
durch Einsetzen der Gleichgewichtsreaktion (3) 1,30 · 10 – 4 beträgt (pK1 = 3,88).
Die Gesamtlösung wirkt jedoch als schwache Säure, da etwa 99,8 % des gelösten
Kohlenstoffdioxids nicht als Kohlensäure, sondern als hydratisiertes Kohlenstoffdioxid
vorliegen. Aus diesem Grund gibt man die „scheinbare Dissoziationskonstante“ an,
indem man als undissoziierten Säureanteil die Konzentration c H2CO3
+ CO einsetzt. Die
2
Dissoziationskonstante K1 verringert sich um drei Zehnerpotenzen, wodurch sich der
pK1 – Wert auf 6,35 erhöht.
8

Reaktionsgleichungen für die beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid in Wasser
auftretenden Gleichgewichte:
+ H O
( ) aq CO2 (1)
CO2 2
( aq)
H O
CO2 + 2
H CO3
, mit pK S 2,
60
H 2
2 = (2)
+
−
2 CO3
+ H O
H3 O + HCO3
, mit pK S = 3,
88
−
HCO3 + H2O
+ 2 −
H3 O + CO3
, mit pK S = 10,
33
Fasst man die Gleichgewichtsreaktionen (2) und (3) zusammen, erhält man die
Säurekonstante bezogen auf Kohlenstoffdioxid (aq)
( aq)
+ 2 H O
+
−
→ O + HCO , mit pK = 6,
35
CO2 2
H3 3
S
4. Versuch: Säure – Base – Verhalten von CO2
Chemikalien und Geräte:
Bromthymolblau, CO2, destilliertes Wasser, Methylrot, 0,1 M NaOH, Phenolphtalein,
3 Erlenmeyerkolben, Pipette, 3 Spatel.
Durchführung:
3 Erlenmeyerkolben werden zu ¾ mit destilliertem Wasser gefüllt. Dazu werden
jeweils 1 ml 0,1 M NaOH und einige Körnchen von verschiedenen Indikatoren
(Bromthymolblau, Methylrot und Phenolphtalein) gegeben. Im Anschluss daran wird
CO2 (aus der Gasflasche) bis zum deutlichen Farbumschlag in die 3
Erlenmeyerkolben eingeleitet
Beobachtung:
Bromthymolblau schlägt von blau nach gelb, Methylrot von gelb nach rot und
Phenolphtalein von violett nach farblos um.
(3)
(4)
9

Erklärung:
Die Indikatorfarben von Bromthymolblau, Methylrot und Phenolphtalein schlagen
durch das eingeleitete CO2 um, da es in wässrigen Lösungen schwach sauer reagiert
und somit den pH – Wert der durch die Natronlauge leicht basischen Lösung senkt.
→
−
2 −
2 OH + CO2
+ H2O
→ CO3
+ 2 H2O
Nachweisreaktionen für Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid kann durch Einleiten in Barytwasser (Ba(OH)2 – Lösung) bzw.
durch Einleiten in Kalkwasser (Ca(OH)2 – Lösung) nachgewiesen werden, da hierbei
die schwer löslichen Carbonate von Baryt- bzw. Kalkwasser ausfallen und die
Lösungen trüben.
5. Versuch: Nachweis von CO2 in der Atemluft
Chemikalien und Geräte:
Gesättigte Ca(OH)2 – Lösung, CO2, Gärröhrchen, Pipette, Schlauch.
Durchführung:
Ein Gärröhrchen wird mit einer gesättigten Ca(OH)2 – Lösung gefüllt. Anschließend
wird über einen Schlauch so lange Luft in das Gärröhrchen geblasen, bis sich die
gesättigte Ca(OH)2 – Lösung trübt. Der entstandene Niederschlag kann durch
Einleiten von CO2, z.B. durch Einleiten von CO2 aus der Gasflasche, wieder
aufgelöst werden.
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7. Versuch: Darstellung von CO2 aus Hydrogencarbonaten (Bicarbonaten)
Chemikalien und Geräte:
Gesättigte Ca(OH)2 – Lösung, Natriumhydrogencarbonat, Bunsenbrenner,
Feuerzeug, Gärröhrchen, Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Schlauch, Spatel.
Durchführung:
Einige Spatelspitzen Natriumhydrogencarbonat werden in einem Reagenzglas mit
einem Bunsenbrenner erhitzt. Das entstehende Gas wird in ein mit gesättigter
Ca(OH)2 – Lösung gefülltes Gärröhrchen geleitet.
Beobachtung:
Das Kalkwasser trübt sich.
Erklärung:
Das Kalkwasser trübt sich, da das Natriumhydrogencarbonat durch die Wärme
thermisch zersetzt wird, das dabei entstehende CO2 mit dem Kalkwasser reagiert
und somit das Carbonat ausfällt.
→
2 NaHCO
Ca
→ Na
CO
+ H O + CO ,
( OH)
+ CO → CaCO + H O
2
3
2
2
3
3
2
2
2
Das als Soda bekannte Natriumcarbonat (Na2CO3) ist ein wichtiges Produkt der
chemischen Großindustrie. Es spielt v. a. in der chemischen Industrie als Base und in
der Glasindustrie, aber auch bei der Waschmittel- und Papierherstellung eine
besondere Rolle.
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Leblanc – Verfahren
Nicolas Leblanc entwickelte 1790 ein Verfahren zur Gewinnung von Natriumcarbonat
(Soda). Dabei wird aus Natriumchlorid und Schwefelsäure Natriumsulfat hergestellt
und dieses mit Kalk (CaCO3) und Kohle erhitzt.
→
Na SO + CaCO + 2 C → Na CO + CaS +
2
4
3
2
3
2 CO
Bei diesem Verfahren wurden jedoch hohe Energiemengen verbraucht und es fiel
Calciumsulfid (CaS) als Abfallprodukt an. Aus diesem Grund wurde das Verfahren
durch ein 1861 von Ernest Solvay entwickeltes Verfahren abgelöst.
Solvay – Verfahren (Ammoniak – Soda – Verfahren)
Das Solvay – Verfahren geht von den billigen und in großen Mengen vorhandenen
Rohstoffen Kalk (Calciumcarbonat) und Kochsalz (Natriumchlorid) aus. Die Reaktion
zu Soda und Calciumchlorid läuft allerdings nicht freiwillig ab. Die Umkehrreaktion,
deren Produkte Calciumcarbonat und Natriumchlorid sind, ist thermodynamisch
bevorzugt.
→
CaCl2 + Na2CO3
→ CaCO3
+
2 NaCl
Im Solvay – Verfahren wird sie jedoch über folgenden Umweg realisiert.
1) Der Kalk wird gebrannt
→ CaCO 3 → CaO + CO2
↑
⇒ Das Calciumcarbonat zersetzt sich in der Hitze zu Calciumoxid
(gebranntem Kalk) und Kohlenstoffdioxid.
2) Kohlenstoffdioxid wird zusammen mit Ammoniak in eine konzentrierte
Kochsalzlösung eingeleitet. Hierbei fällt Natron aus, das von der
entstehenden Salmiaklösung getrennt wird.
2
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