Oxide des kohlenstoffs
2. Oxide des Kohlenstoffs
Bei der Verbrennung von Kohlenstoff oder Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten, reagiert dieser mit Sauerstoff. Es bilden sich die Oxide des Kohlenstoffs. Nach der Aktivierung dieser Reaktion läuft sie ohne weitere Energiezufuhr ab, das heißt die Reaktion verläuft exotherm. Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff entsteht Kohlenstoffdioxid:
Die Voraussetzungen für die vollständige Verbrennung sind Sauerstoff im Überschuß und nicht zu hohe Temperaturen. Bei hohen Temperaturen und begrenzter Sauerstoffzufuhr läuft die Verbrennung nicht vollständig ab.
Es entsteht zusätzlich Kohlenstoffmonoxid:
Sobald ausreichend Sauerstoff vorhanden ist reagiert dieses sofort weiter zu Kohlenstoffdioxid:
2.1 Kohlenstoffmonoxid
· Eigenschaften
Kohlenstoffmonoxid ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses Gas, das sich in Wasser nur wenig löst. Seine Dichte ist mit 1,16g/l (bei 20°C und Atmosphärendruck) etwas geringer, als die der Luft. Es verbrennt mit charakteristischer blauer Flamme und unter Wärmeentwicklung zu Kohlenstoffdioxid.
Abb. 7: Die charakteristisch blaue Flamme von Kohlenstoffmonoxid
Bei -191°C wird Kohlenstoffmonoxid flüssig, bei -206°C wird es fest.
Einige edle Metalle werden durch Kohlenstoffmonoxid schon bei Zimmertemperatur aus der wäßrigen Lösung ausgefällt. Die hierbei durch Metallabscheidung entstehende Dunkelfärbung der Lösung dient als Nachweis auf Kohlenstoffmonoxid.
Kohlenstoffmonoxid ist sehr giftig, denn es kann schon in geringen Mengen großen Schaden anrichten. Besonders bedenklich dabei ist, daß das Gas farblos und geruchlos ist, man es also nicht wahrnimmt. Die Ursache für die giftige Wirkung des Kohlenstoffmonoxids ist eine Störung beziehungsweise Unterbindung der Sauerstoffversorgung des Körpers. Kohlenstoffmonoxid wird von den Molekülen des Blutfarbstoffes Hämoglobin 300mal fester gebunden als die normalerweise so transportierten Sauerstoffmoleküle.
Die blockierten Hämoglobinmoleküle können dann keinen Sauerstoff mehr transportieren. Es gelangt immer weniger Sauerstoff in die Körperzellen, die dort statt findenden Verbrennungsvorgänge werden unterbrochen. Die Folgen sind Kopfschmerzen, Ohrensausen, Schwindelgefühl bis hin zu Bewußtlosigkeit. Todesgefahr besteht beim Einatmen von Luft mit einem Gehalt von 1,28% Kohlenstoffmonoxid bereits nach 1-2 Minuten, von 0,64% nach 10-15 Minuten und bei 0,16% nach etwa 2 Stunden. Der Tod durch sogenanntes "inneres Ersticken" tritt ein, wenn über 70% des Hämoglobins mit Kohlenstoffmonoxid besetzt sind. Blut, das mit Kohlenstoffmonoxid belastet ist, hat eine kirschrote Farbe.
Da sich das Kohlenstoffmonoxid im Blut nur schwer durch Sauerstoff ersetzen läßt, muß bei einer schweren Kohlenstoffmonoxidvergiftung das Blut des Betroffenen ausgetauscht werden.
Auftreten
Kohlenstoffmonoxid macht mit 9,3 Millionen Tonnen im Jahr (Stand 1982) den größten Anteil aller luftverunreinigenden Stoffe aus. Dies sind etwa 50% der Gesamtemissionen.
Hauptverursacher sind Verbrennungsmotoren von Autos, Kohlenstoffmonoxid ist einer der Hauptschadstoffe im Abgas. Besonders hoch ist die Abgabe von Kohlenstoffmonoxid im Leerlauf, daher reichert es sich besonders an Kreuzungen sowie in Garagen und Parkhäusern an. Pro Jahr gibt ein Auto durchschnittlich 600.
000 Liter Kohlenstoffmonoxid an die Umwelt ab. In regelmäßigen Überprüfungen (Abgasuntersuchung, AU) wird die Schadstoffabgabe von Autos untersucht, dabei dürfen 100 Liter Abgas nicht mehr als 4,5 Liter Kohlenstoffmonoxid enthalten. Der Einsatz von Autokatalysatoren kann die Anteile der Schadstoffe im Abgas um über 90% reduzieren. In den Katalysatoren wird Kohlenstoffmonoxid weiter zu Kohlenstoffdioxid verbrannt. Gleichzeitig reagiert schädliches Stickstoffmonoxid zu Stickstoff:
Beim Verbrennen von großen Mengen kohlenstoffhaltiger Verbindungen in Heizungen, Kohleöfen oder Hochöfen entstehen ebenfalls beträchtliche Mengen Kohlenstoffmonoxid.
Abb.
8: Verursacher der Luftverschmutzung durch Kohlenstoffmonoxid
in der Bundesrepublik Deutschland 1982
Früher waren Kohlenstoffmonoxidvergiftungen durch Kohleöfen, die in der Nacht durchbrannten, nicht selten. Die Asche der verbrannten Kohle verstopfte das Gitter, auf dem die Kohle lag. Zur vollständigen Verbrennung fehlte der Überschuß an Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid entstand.
In erheblichem Maße entsteht Kohlenstoffmonoxid auch beim Rauchen. Bei starken Rauchern stehen etwa 10% des Hämoglobins im Blut nicht für den Sauerstofftransport zur Verfügung.
2.
2 Kohlenstoffdioxid
· Eigenschaften
Kohlenstoffdioxid ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es besitzt mit
1,97 g/l (bei 20°C und Atmosphärendruck) eine anderthalb mal so große Dichte wie Luft. Daher läßt es sich wie eine Flüssigkeit gießen und sammelt sich am Boden eines Gefäßes oder Raumes.
Kohlenstoffdioxid ist selbst nicht brennbar. In einer Kohlenstoffdioxidatmosphäre ist außerdem weder Verbrennung noch Atmung möglich, daher kann es sowohl Flammen als auch Lebewesen ersticken. Schon ein Volumenanteil von 10% Kohlenstoffdioxid in der Luft führt zu Bewußtlosigkeit und schließlich zum Tod.
So ist beim Aufenthalt in Räumen, in denen Kohlenstoffdioxid in größeren Mengen entsteht, besondere Vorsicht geboten. Noch heute benutzt man eine brennende Kerze, deren Erlöschen Gefahr anzeigt, zur Warnung vor gefährlichen Konzentrationen an Kohlenstoffdioxid.
Bei -78,5°C geht gasförmiges Kohlenstoffdioxid direkt in den festen Zustand über, es sublimiert. Diesen festen Zustand bezeichnet man auch als Kohlenstoffdioxidschnee oder Trockeneis, da beim Erwärmen von festem Kohlenstoffdioxid keine Flüssigkeit entsteht.
Abb. 9: Trockeneis
Eine Verflüssigung von Kohlenstoffdioxid ist nur unter Druck möglich.
In dieser Form kommt es in grauen Stahlflaschen in den Handel.
In Wasser ist Kohlenstoffdioxid relativ gut löslich. Bei 20°C löst sich in einem Liter Wasser ungefähr ein Liter Gas.
Schüttelt man ein Gefäß, in dem sich Kohlenstoffdioxid und Kalkwasser befinden, so bildet sich in der Flüssigkeit ein weißer Feststoff, der eine Trübung verursacht und als Niederschlag ausfällt. Es handelt sich bei diesem Feststoff um schwerlösliches Calciumcarbonat:
Diese Trübung von Kalkwasser ist ein Nachweis für Kohlenstoffdioxid.
Der Nachweis läßt sich analog mit Barytwasser durchführen.
Es bildet sich in diesem Fall ein weißer Niederschlag von Bariumcarbonat:
Verwendung
Da Kohlenstoffdioxid selbst nicht brennbar ist und darüber hinaus eine Flammen erstickende Wirkung besitzt, wird es häufig als Feuerlöschmittel verwendet. In der Regel werden Brände mit Wasser gelöscht, es kommt aber immer wieder zu Bränden, bei denen dies nicht gelingt. So werden Brände von flüssigen beziehungsweise leicht flüssig werdenden Stoffen, wie zum Beispiel Benzin, Öl, Lack, Wachs, Teer, Ether, Alkohole und Kunststoffe, mit Kohlenstoffdioxid gelöscht.
Abb. 10: Aufbau eines Kohlenstoffdioxidlöschers
In den Feuerlöschern befindet sich flüssiges Kohlenstoffdioxid unter hohem Druck. Wenn sie betätigt werden, strömt das Kohlenstoffdioxid aus und gefriert durch den Druckabfall schlagartig.
Es bildet sich weißer Kohlenstoffdioxidschnee mit einer Temperatur von
-78°C, der die brennenden Teile stark abkühlt. Außerdem bildet sich gasförmiges Kohlenstoffdioxid, das sich aufgrund seiner großen Dichte wie ein Mantel über den Brandherd legt und somit die Luftzufuhr unterbricht. Der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff kann nicht an den Brandherd gelangen.
Da Kohlenstoffdioxid keine Rückstände hinterläßt und den elektrischen Strom nicht leitet, wird es häufig bei Bränden von elektrischen Schaltanlagen oder Computeranlagen sowie bei Bränden von wertvollen Maschinen eingesetzt.
Auch bei Pulver- und Schaumlöschern wird indirekt mit Kohlenstoffdioxid gelöscht: Das Löschpulver zersetzt sich in der Hitze, dabei wird Kohlenstoffdioxid frei, das die Flammen erstickt. Bei Schaumlöschern entsteht durch eine chemische Reaktion von Hydrogencarbonaten mit Wasser Kohlenstoffdioxid, das das Löschmittel aufschäumt.
Dieser Schaum kühlt den Brandherd und hält Sauerstoff fern.
Mit Hilfe von festem Kohlenstoffdioxid kann Disconebel erzeugt werden, wenn man es in ein Gefäß mit siedendem Wasser gibt. Das feste Kohlenstoffdioxid sublimiert und reißt Wasserdampf mit. Dieser kondensiert aufgrund der niedrigen Temperatur. Der dabei entstehende Nebel verteilt sich mit der an Kohlenstoffdioxid angereicherten Atmosphäre in Bodennähe.
Zu Blöcken gepreßter Kohlenstoffdioxidschnee wird zum Kühlen, unter anderem von Lebensmitteln und Getränken, verwendet.
Kohlenstoffdioxid wird unter Druck Getränken zugesetzt, um diesen einen erfrischenden Geschmack zu verleihen. So enthalten Mineralwässer gelöstes Kohlenstoffdioxid. Aber auch Limonaden und manchen alkoholischen Getränken wird es zugesetzt. In Gaststätten drückt Kohlenstoffdioxid das Bier vom Faß zum Zapfhahn und bildet mit dem Bier den Schaum.
· Entstehung von Kohlenstoffdioxid auf der Erde
Bei der Entstehung von Kohlenstoffdioxid auf der Erde unterscheidet man zwischen natürlichen Quellen und vom Menschen "künstlich" verursachten, sogenannten anthropogenen Quellen.
Natürliche Quellen:
Kohlenstoffdioxid ist ein Bestandteil der vulkanischen Gase.
Bei der Zellatmung der Tiere und Menschen werden die Kohlenhydrate durch Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser verbrannt. Die ausgeatmete Luft von Menschen besteht zu ca. 5% aus Kohlenstoffdioxid. Aber auch bei der alkoholischen Gärung sowie der Zersetzung und dem Faulen organischer Substanzen wird Kohlenstoffdioxid gebildet. Beim Arbeiten in Gärkellern, Grünfuttersilos, Faulgruben usw. ist daher größte Vorsicht geboten.
Anthropogene Quellen:
Bei der Verbrennung von Holz, Kohle und Erdöl beziehungsweise Erdölprodukten und Erdgas entsteht Kohlenstoffdioxid. Vom Menschen verursachte Quellen für Kohlenstoffdioxid sind somit der Kraftverkehr, die Heizungen der privaten Haushalte, Industrien, die mit Kohle, Öl oder Gas betrieben werden, aber auch Steppen- und Waldbrände sowie die Brandrodung von Urwäldern.
Das aus natürlichen oder vom Menschen verursachten Quellen entstehende Kohlenstoffdioxid löst sich in Gewässern oder wird von grünen Pflanzen aufgenommen. Die Pflanzen bauen aus Kohlenstoffdioxid und Wasser energiereiche Stoffe auf und geben dabei Sauerstoff ab. Es ergibt sich ein Kreislauf des Kohlenstoffdioxids in der Natur.
Ein Rest von 0,034% Kohlenstoffdioxid verbleibt in der Luft.
Der natürliche Treibhauseffekt:
Kohlenstoffdioxid spielt für den Wärmehaushalt der Erde eine große Rolle. Sonnenstrahlen dringen in die Erdatmosphäre ein und heizen die Erdoberfläche auf. Die von der Oberfläche zurückgestrahlte Wärme wird vom Kohlenstoffdioxid in der Luft festgehalten, die Wärmeabgabe an den Weltraum verzögert sich und die Lufthülle erwärmt sich.
Diesen Prozeß kann man mit einem Treibhaus vergleichen. Sonnenstrahlen durchdringen das Glasdach. Beim Auftreffen der Strahlen werden diese in Wärmeenergie umgewandelt.
Die erwärmten Gegenstände senden Wärme aus, die das Glasdach kaum durchdringen können. Das Innere des Treibhauses wird aufgeheizt.
Dieser Vorgang ist mit der Wirkung von Kohlenstoffdioxid auf der Erde zu vergleichen, diese nennt man deshalb auch den natürlichen Treibhauseffekt.
Der Treibhauseffekt ist für uns lebensnotwendig. Ohne ihn läge die Durchschnittstemperatur auf der Erde statt um +15°C bei ca. -15°C.
Es wäre kein Leben für Menschen, Tiere und Pflanzen möglich.
Der zusätzliche Treibhauseffekt:
Der Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre steigt langsam an, da einerseits immer mehr Wälder abgeholzt und andererseits immer mehr Holz, Kohle und Erdöl verbrannt werden. Vor 150 Jahren lag der Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre noch bei 0,026%. Inzwischen beträgt er 0,034% und nimmt jährlich um ca. 0,001 Prozentpunkte zu.
Dies hat Auswirkungen auf den Wärmehaushalt der Erde.
Durch zusätzliches Kohlenstoffdioxid in der Luft erwärmt sich die Atmosphäre zunehmend. Man spricht von einem zusätzlichen Treibhauseffekt. An diesem zusätzlichen Treibhauseffekt ist Kohlenstoffdioxid zur Hälfte beteiligt.
In den letzten 150 Jahren ist die Durchschnittstemperatur weltweit um 0,6°C angestiegen. Forscher erwarten in den nächsten 100 Jahren einen Anstieg um ca. 3°C.
Die Durchschnittstemperatur wäre damit höher als je zuvor, seit Menschen auf der Erde leben.
Die Auswirkung der Erwärmung der Erdatmosphäre ist kaum voraussagbar. Experten rechnen mit drastischen Änderungen der heutigen Klimazonen, mit der Entstehung neuer Wüstengebiete und einer Verschiebung der landwirtschaftlich ertragreichen Zonen. Weiterhin werde die Temperatur der Meere ansteigen und mit dem daraus folgenden Abschmelzen der Polarkappen auch der Meeresspiegel. Küstennahe Gebiete werden überflutet. Die Berechnungen enthalten manche Unsicherheiten; ganz sichere Voraussagen sind nicht möglich.
Auf alle Fälle ist es jedoch erforderlich, den Ausstoß von Treibhausgasen, insbesondere von Kohlenstoffdioxid, weltweit so stark wie möglich einzuschränken. Energiesparen und das Nutzen von alternativen Energiequellen wie Wasserkraftwerke, Windkraftanlagen und Solarzellen können helfen, den zusätzlichen Treibhauseffekt zu verringern.
Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser
Öffnet man eine Flasche Sprudel, so entweicht Kohlenstoffdioxid. In der Umgangssprache wird es häufig ungenau als Kohlensäure bezeichnet. Zur Herstellung von Sprudel wird umgekehrt Kohlenstoffdioxid in natürliches Mineralwasser eingepreßt und gelöst. Die Löslichkeit des Gases ist vom Druck und von der Temperatur abhängig.
Je höher die Temperatur des Mineralwassers ist, desto weniger Kohlenstoffdioxid ist darin lösbar
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