Kohlenstoff und seine Oxide

Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid – Oxide des Kohlenstoffs

Von einem bekannten Oxid des Kohlenstoffs hast du vielleicht schon gehört: Kohlenstoffdioxid. Es ist als ungiftiges Gas in geringen Mengen ein natürlicher Bestandteil der Luft. In der Schule oder aus anderen Quellen hast du bestimmt schon erfahren, dass Kohlenstoffdioxid unser Klima beeinflussen kann. Manchmal wird Kohlenstoffdioxid sogar als Klimakiller bezeichnet. Tatsächlich trägt eine wachsende Konzentration an Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre zu einem Treibhauseffekt bei, der die mittlere Temperatur auf der Erde steigen lässt. Es gibt aber noch ein weiteres Oxid des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid. Als ein sehr giftiges Gas kann es schon in geringen Mengen tödlich wirken und dann tatsächlich ein Killer sein. Wir klären zunächst, was Oxide im Allgemeinen sind, dann schauen wir uns die Chemie der Oxide des Kohlenstoffs an.

Kohlenstoff kommt auf der Erde in relativ reiner Form als Kohle vor. Sauerstoff stellt mit gut 20 Prozent einen Hauptbestandteil der Luft dar, man spricht deswegen auch von Luftsauerstoff. Je nachdem wie viel Sauerstoff vorhanden ist, kann Kohlenstoff zu zwei unterschiedlichen Oxiden verbrennen: Kohlenstoffdioxid $\left( \ce{CO2} \right)$, auch Kohlendioxid genannt, oder Kohlenstoffmonoxid $\left( \ce{CO} \right)$, vereinfacht Kohlenmonoxid.

Kohlenstoffdioxid

Sehen wir uns zuerst das bekanntere der beiden Oxide des Kohlenstoffs an: Kohlenstoffdioxid.

Kohlenstoffdioxid – Bildung des Oxids

Wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, dann bildet sich bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff die Verbindung Kohlenstoffdioxid. Als Wortgleichung geschrieben sieht die Reaktionsgleichung so aus:

$\ce{Kohlenstoff + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid}$

Setzen wir die chemischen Symbole ein, bilden also die Formelgleichung, dann lautet die Reaktionsgleichung wie folgt:

$\ce{C + O2 -> CO2}$

Man sieht, dass im Molekül Kohlenstoffdioxid $\left( \ce{CO2} \right)$ ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen verbunden ist. Die Strukturformel bzw. Valenzstrichformel für Kohlenstoffdioxid muss daher wie folgt lauten:

$\overline{\underline{\ce{O}}}=\ce{C}=\overline{\underline{\ce{O}}}$

Die Doppelbindungen im Molekül werden gebildet, um die Oktettregel zu erfüllen. Daraus ergibt sich eine lineare Struktur des $\ce{CO2}$-Moleküls.

Kohlenstoffdioxid – physikalische Eigenschaften

Im folgenden Steckbrief sind die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid zusammengefasst:

Mit der Dichte $\rho = \pu{1,98 g//cm3} $ ist Kohlenstoffdioxid deutlich dichter als Luft, also schwerer bei gleichem Volumen. Am Sublimationspunkt bei $\pu{-78,5 °C}$ geht Kohlenstoffdioxid vom festen direkt in den gasförmigen Zustand über. Vielleicht kennst du schon das sogenannte Trockeneis. Das ist mindestens $\pu{-78,5 °C}$ kaltes, festes Kohlenstoffdioxid, das in vielen Anwendungen als Kühlmittel dient. Das unten stehende Foto zeigt dir, wie Trockeneis aussieht. Wenn du genau hinschaust, siehst du, wie es vom festen Zustand in den gasförmigen übergeht – es sublimiert!

Da Kohlenstoffdioxid auch etwas in Wasser löslich ist, können die Ozeane Kohlenstoffdioxid aus der Luft aufnehmen. Dieser Vorgang ist wichtig für die Entwicklung des Klimas. Das betrifft auch die Fähigkeit von Kohlenstoffdioxid, die von der Erde reflektierte Wärmestrahlung der Sonne zu absorbieren und auf die Erde zurückzustreuen. Deshalb sorgt ein steigender Kohlenstoffdioxid‑Gehalt in der Atmosphäre für steigende Temperaturen auf der Erde, auch bekannt als Treibhauseffekt.

Kohlenstoffdioxid – chemische Eigenschaften

Betrachten wir nun einige chemische Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid:

• Brennbarkeit: Kohlenstoffdioxid ist nicht brennbar, es kann zum Feuerlöschen verwendet werden. Diese Eigenschaft wird auch beim Kohlenstoffdioxid‑Nachweis mit der Glimmspanprobe ausgenutzt. Hierbei wird ein entzündeter, glühender Glimmspan durch Kohlenstoffdioxid gelöscht.
• Löslichkeit in Wasser: Kohlenstoffdioxid ist in geringem Maße in Wasser löslich. Es bildet mit Wasser die instabile Kohlensäure $\left( \ce{H2CO3} \right)$: $\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}$ Die Hin- und Rückreaktionspfeile deuten an, dass die Kohlensäure leicht wieder zu Wasser und Kohlenstoffdioxid zerfällt.
• Reaktionen mit Hydroxiden: Kohlenstoffdioxid bildet mit Kalkwasser – das ist in Wasser gelöstes Calciumhydroxid $\left( \ce{Ca(OH)2} \right)$ – das schwer lösliche, weiße Salz Calciumcarbonat $\left( \ce{CaCO3}\right)$: $\ce{CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + H2O}$ Der senkrecht nach unten zeigende Pfeil deutet an, dass Calciumcarbonat als weißer Niederschlag ausfällt, also unlöslich ist. In vergleichbarer Weise reagiert Kohlenstoffdioxid mit Barytwasser – das ist in Wasser gelöstes Bariumhydroxid $\left( \ce{Ba(OH)2} \right)$ und bildet Bariumcarbonat $\left( \ce{BaCO3}\right)$, das ebenfalls ausfällt: $\ce{CO2 + Ba(OH)2 -> BaCO3 v + H2O}$ Diese beiden Fällungsreaktionen dienen auch als Nachweisreaktionen für Kohlenstoffdioxid.

Kohlenstoffdioxid in der Fotosynthese

Bei dem biologischen Prozess der Fotosynthese stellen Pflanzen aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Chlorophyll als Katalysator Traubenzucker – das ist Glucose mit der Formel $\ce{C6H12O6}$ – her:

$\ce{6 CO2 + 6 H2O ->[Chlorophyll] C6H12O6 + 6 O2}$

Die Fotosynthese der Pflanzen ist auch deswegen ein besonders wichtiger Prozess, weil Pflanzen damit das atmosphärische Kohlenstoffdioxid binden können.

Herstellung von Kohlenstoffdioxid

Große Mengen an Kohlenstoffdioxid entstehen als Nebenprodukt aus zahlreichen industriellen Verbrennungsprozessen. Kleine Mengen an Kohlenstoffdioxid gewinnt man im Labor aus der Reaktion von Carbonaten wie Calciumcarbonat $\left( \ce{CaCO3} \right)$ mit Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$, zum Beispiel so:

$\ce{CaCO3 + 2 HCl -> CaCl2 + H2O + CO2}$

Außerdem entsteht bei unserer Atmung Kohlenstoffdioxid – unsere Ausatemluft enthält $\ce{CO2}$. Menschen betreiben, wie alle Tiere, Zellatmung. Das ist der zur Fotosynthese umgekehrte Prozess, bei dem in unseren Zellen Sauerstoff und Glucose zu Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden.

Verwendung von Kohlenstoffdioxid

• Kohlenstoffdioxid ist nicht brennbar. Diese Eigenschaft wird bei Kohlenstoffdioxid‑Feuerlöschern genutzt, mit denen Brände erstickt werden können.
• In Form von Trockeneis dient Kohlenstoffdioxid als Kühlmittel.
• Kohlenstoffdioxid wird zur Extraktion von Koffein bei der Herstellung von koffeinfreiem Kaffee eingesetzt. In vergleichbarer Weise können Aromastoffe aus Majoran und Hopfen extrahiert werden.
• Wenn Obst in Lagerräumen mit Kohlenstoffdioxid benebelt wird, bleibt es länger haltbar.
• Bei der Aufzucht von Pflanzen werden diese manchmal mit Kohlenstoffdioxid begast, um besser zu wachsen.
• Unter hohem Druck kann Kohlenstoffdioxid flüssig vorliegen, man kürzt es dann als $\ce{LCO2}$ (Liquid $\ce{CO2}$) ab. In dieser Form wird es als spezielles Reinigungsmittel genutzt.

Kohlenstoffmonoxid

Kommen wir nun zum zweiten, etwas weniger bekannten Oxid des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid.

Kohlenstoffmonoxid – Bildung des Oxids

Wenn nur wenig Sauerstoff vorhanden ist, dann bildet sich bei der unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff die Verbindung Kohlenstoffmonoxid. Die Verbrennung ist unvollständig, weil Kohlenstoffmonoxid unter geeigneten Bedingungen weiter zu Kohlenstoffdioxid verbrennen kann. Als Wortgleichung geschrieben sieht die Reaktionsgleichung wie folgt aus:

$\ce{Kohlenstoff + Sauerstoff -> Kohlenstoffmonoxid}$

Setzen wir die chemischen Symbole ein, dann lautet die Formelgleichung bzw. die korrekt ausgeglichene Reaktionsgleichung wie folgt:

$\ce{2 C + O2 -> 2 CO}$

Man sieht, dass im Molekül Kohlenstoffmonoxid $\left( \ce{CO} \right)$ ein Kohlenstoffatom mit nur einem Sauerstoffatom verbunden ist. Die Valenzstrichformel für Kohlenstoffmonoxid muss daher wie folgt lauten:

$\ce{|C#O|}$

Im Molekül muss es eine Dreifachbindung geben, um die Oktettregel zu erfüllen. Das $\ce{CO}$-Moleküls hat damit – genau wie das $\ce{CO2}$-Moleküls – eine lineare Struktur.

Kohlenstoffmonoxid – physikalische Eigenschaften

Im folgenden Steckbrief haben wir wieder die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoffmonoxid zusammengefasst:

Die Giftigkeit von Kohlenstoffmonoxid ist auch deswegen sehr heimtückisch, weil das Gas eine mit Luft vergleichbare Dichte hat und dazu farblos und geruchlos ist!

Kohlenstoffmonoxid – chemische Eigenschaften

Kommen wir nun auch zu einigen chemische Eigenschaften von Kohlenstoffmonoxid:

• Brennbarkeit: Kohlenstoffmonoxid ist brennbar und reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid: $\ce{2 CO + O2 -> 2 CO2}$
• Reduktion von Metalloxiden: Kohlenstoffmonoxid ist ein gutes Reduktionsmittel. Es kann zum Beispiel das Eisenerz Eisen(III)‑oxid $\left( \ce{Fe2O3} \right)$ zu reinem Eisen reduzieren: $\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}$

Meist entsteht Kohlenstoffmonoxid als Zwischenprodukt bei einer unvollständigen Verbrennung, bevor es (bei einer vollständigen Verbrennung) zum Endprodukt Kohlenstoffdioxid reagiert. Obwohl die Entstehung von $\ce{CO2}$ aufgrund seiner Eigenschaft als Treibhausgas heutzutage ein großes Problem ist, würde $\ce{CO}$ aufgrund seiner Giftigkeit auch keine wünschenswerte Alternative darstellen.

Herstellung und Verwendung von Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffmonoxid wird nur in seltenen Fällen bewusst und absichtlich durch unvollständige Verbrennung hergestellt, denn es hat, abgesehen von seiner Rolle als Zwischenprodukt in vielen Oxidationsreaktionen, nur wenige direkte Anwendungen.

• In der organischen Synthese dient Kohlenstoffmonoxid zur Herstellung einiger organischer Verbindungen. So reagiert Kohlenstoffmonoxid zum Beispiel mit Wasserstoff $\left( \ce{H2} \right)$ in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators zu Methanol $\left( \ce{CH3OH} \right)$: $\ce{CO + 2 H2 ->[Katalysator] CH3OH}$ Kohlenstoffmonoxid stellt damit einen wichtigen Bestandteil von sogenanntem Synthesegas dar, dass zur Synthese verschiedener Stoffe verwendet wird.
• Früher, bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, war Kohlenstoffmonoxid als Bestandteil des Stadtgases zu finden. Wegen der Giftigkeit ist dies heute nicht mehr der Fall.

In den Verbrennungsmotoren älterer Autos wurde Kohlenstoffmonoxid durch unvollständige Verbrennung gebildet. Seit der Fahrzeugkatalysator im Jahr $1993$ verpflichtend für alle Autos in der EU eingeführt wurde, hat sich die Giftigkeit der Autoabgase deutlich verringert. Dies ändert allerdings nichts an dem nach wie vor bedenklichen $\ce{CO2}$-Ausstoß von Verbrennungsmotoren. Anders als $\ce{CO}$ ist $\ce{CO2}$ zwar nicht giftig, jedoch erwiesenermaßen klimaschädlich.

Ausblick – das lernst du nach Kohlenstoff und seine Oxide

Verfestige dein Wissen durch das Grundstudium von Kohlenstoff. Kohlenwasserstoffe und ihre Eigenschaften und Eigenschaften von Alkanen bieten weitere interessante Lektionen rund um das Thema Kohlenstoff. Dieses Element ist so faszinierend und relevant, es lohnt sich mehr darüber zu erfahren!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid – Oxide des Kohlenstoffs