Kohlenstoffdioxid - Universität Tübingen
Kohlenstoffdioxid - Universität Tübingen
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Eberhard – Karls – <strong>Universität</strong> <strong>Tübingen</strong><br />
Institut für Anorganische Chemie<br />
13.02.2008<br />
Chemische Experimentierübungen für Lehramtskandidaten WS 07/08<br />
Dozenten: Dr. rer. nat. Cäcilia Maichle – Mössmer und Prof. Dr. Hans – Jürgen Meyer<br />
Betreuer: Björn Teufel<br />
Referentin: Miriam Scheurer<br />
Vorkommen von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> kann in der Natur sowohl frei als auch gebunden vorliegen. Im<br />
freien Zustand ist es ein Bestandteil der Luft und des Meerwassers, im gebundenen<br />
Zustand findet es sich v. a. in Form von Calcium- und Magnesiumcarbonat.<br />
Massenanteile von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
Erdatmosphäre<br />
Die Erdatmosphäre enthält 2,45 · 10 12 t <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> in Form von Gas, was<br />
einem Volumenanteil von 0,035 % entspricht.<br />
Meere<br />
Die Meere enthalten 1,30 · 10 14 t gelöstes bzw. in Carbonaten und Hydrogencarbonaten<br />
gebundenes <strong>Kohlenstoffdioxid</strong>.<br />
Erdkruste<br />
Die Erdkruste enthält 2,40 · 10 17 t <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> in Form von Carbonaten und<br />
Hydrogencarbonaten.<br />
Die oben genannten <strong>Kohlenstoffdioxid</strong>reservoirs sind durch einen ständigen<br />
Austausch verbunden, so dass zwischen ihnen ein natürliches, dynamisches<br />
Gleichgewicht herrscht. Es wird jedoch durch die Verbrennung von fossilen<br />
Brennstoffen und durch die großflächige Abholzung bzw. Rodung von Waldgebieten<br />
massiv gestört. Als Konsequenz ist eine Erwärmung der Erdoberfläche und als Folge<br />
eine weltweite Klimaänderung zu erwarten.<br />
1
Bedeutung von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> für Menschen<br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> wird im Organismus für die Carboxylierung von organischen<br />
Substraten benötigt. Es ist ein Bestandteil des wichtigsten Puffersystems im Blut, des<br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong>/Bicarbonat – Puffers, wodurch geringe Änderungen des pH –<br />
Wertes kompensiert und somit Acidosen bzw. Alkalosen vermieden werden. Des<br />
Weiteren stimuliert das Vorhandensein von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> im Blut die Atmung und<br />
wird deshalb bei der künstlichen Beatmung dem Sauerstoff oder der normalen Luft<br />
zugesetzt.<br />
Bedeutung von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> für Pflanzen<br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> wird von grünen Pflanzen für die Photosynthese benötigt, die ihnen<br />
eine Umwandlung des über die Spaltöffnungen aufgenommenen <strong>Kohlenstoffdioxid</strong>s<br />
in Kohlenhydrate ermöglicht.<br />
Gleichung für die Photosynthese:<br />
Lichtenergie<br />
6 CO2<br />
+ 12 H2O<br />
⎯⎯⎯⎯→C6H12O<br />
6 + 6 H2O<br />
+<br />
Aufbau von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
6 O<br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> ist ein lineares Molekül. Seine wichtigste Grenzformel ist<br />
→<br />
O = C =<br />
O<br />
.<br />
Das Kohlenstoffatom des <strong>Kohlenstoffdioxid</strong>s ist sp – hybridisiert. Die zwei<br />
verbleibenden p – Orbitale bilden π – Bindungen, deren Delokalisation durch die<br />
Grenzstrukturen<br />
→<br />
IO ≡ C − OI<br />
↔ IO<br />
− C ≡<br />
berücksichtigt werden.<br />
OI<br />
2<br />
2
Eigenschaften von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> ist ein farbloses, unbrennbares, die Atmung und die Verbrennung<br />
nicht unterhaltendes Gas mit einem etwas säuerlichen Geruch und Geschmack. Es<br />
hat eine 1,5mal höhere Dichte als Luft und sammelt sich in geschlossenen Räumen,<br />
z.B. in Gärkellern, am Boden.<br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> ist unter Standardbedingungen gasförmig, kann jedoch leicht<br />
verflüssigt werden. Kühlt man flüssiges <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> in einem geschlossenen<br />
Gefäß, entsteht festes <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> (Trockeneis). Dieses sublimiert bei einem<br />
Druck von 1013,25 hPa und bei einer Temperatur von – 78 °C, d.h. es geht vom<br />
festen Aggregatzustand ohne zu schmelzen in den gasförmigen über.<br />
Abbildung 1: Zustandsdiagramm von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> ist wasserlöslich. Seine Löslichkeit nimmt allerdings mit steigender<br />
Temperatur ab und mit sinkendem Druck zu.<br />
Chemikalien und Geräte:<br />
CO2, 2 Bechergläser, Feuerzeug, Kerze.<br />
1. Versuch: Umgießen von CO2<br />
3
Durchführung:<br />
Eine brennende Kerze wird in ein Becherglas gestellt. Anschließend wird CO2 (aus<br />
der Gasflasche) in ein anderes Becherglas gefüllt und langsam in das Becherglas mit<br />
der brennenden Kerze gegossen.<br />
Beobachtung:<br />
Die brennende Kerze erlischt.<br />
Abbildung 2: Versuchsaufbau „Umgießen von CO2“<br />
Erklärung:<br />
Die Kerzenflamme geht auf der Stelle aus, da CO2 die Verbrennung nicht unterhält.<br />
Das Gas ist schwerer als Luft, sinkt sofort auf den Boden des Becherglases und<br />
erstickt die Kerze.<br />
2. Versuch: Kerzentreppe<br />
Chemikalien und Geräte:<br />
CO2, Aquarium, Feuerzeug, 3 – 4 unterschiedlich große Kerzen.<br />
Durchführung:<br />
3 – 4 unterschiedlich große brennende Kerzen werden in ein Aquarium gestellt. Die<br />
größte Kerze sollte dabei mit ihrem Docht den Rand des Aquariums überragen.<br />
Anschließend wird CO2 (aus der Gasflasche) in das Aquarium eingeleitet.<br />
Abbildung 3: Versuchsaufbau „Kerzentreppe“<br />
4
Mischt man Kohlensäureschnee im Verhältnis 1:2 mit Magnesiumpulver und<br />
entzündet dieses Gemisch, verbrennt es unter einer starken Lichterscheinung zu<br />
Kohlenstoff und Magnesiumoxid.<br />
→<br />
CO 2<br />
+<br />
2 Mg<br />
→<br />
C +<br />
2 MgO<br />
+<br />
810,<br />
69<br />
kJ<br />
Lässt man <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> mit Wasserstoff (1) bzw. mit Kohlenstoff (2) reagieren,<br />
stellt sich das Wassergasgleichgewicht bzw. das Boudouard – Gleichgewicht ein.<br />
H CO kJ 19 , 41 + +<br />
→ ( ) g O H + (1)<br />
2<br />
⇒ Wassergasgleichgewicht<br />
2<br />
CO 2<br />
172, 58 kJ CO2<br />
C + +<br />
→ 2 CO<br />
(2)<br />
⇒ Boudouard − Gleichgewicht<br />
Das Boudouard – Gleichgewicht ist das Gleichgewicht zwischen <strong>Kohlenstoffdioxid</strong>,<br />
Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoff. Es wird aufgrund des endothermen<br />
Reaktionsverlaufs durch hohe Temperaturen auf die Produktseite verschoben. Eine<br />
Erhöhung des Drucks bewirkt im Gegensatz dazu eine Verschiebung des<br />
Gleichgewichts auf die Seite der Edukte, da hierdurch die Anzahl der gasförmigen<br />
Moleküle abnimmt.<br />
Abbildung 4: Temperaturabhängigkeit der<br />
Gleichgewichtslage der Reaktion CO2 + C 2 CO bei einem Druck von p = 1bar<br />
6
→<br />
2 Mg O2<br />
→ +<br />
2 MgO<br />
b) Das Magnesiumband brennt in dem mit CO2 (aus der Gasflasche) gefüllten<br />
Erlenmeyerkolben kürzer als in dem mit Luft gefüllten, da das CO2 die Luft und<br />
somit den brennbaren Sauerstoff aus dem Erlenmeyerkolben verdrängt hat<br />
und selbst die Verbrennung nicht unterhält. Weiterhin hat das starke<br />
Reduktionsmittel Magnesium das CO2 zu schwarzem Kohlenstoff reduziert,<br />
wobei als Nebenprodukt auch weißes Magnesiumoxid entsteht.<br />
→<br />
2 Mg + CO2<br />
→ C +<br />
2 MgO<br />
Säure – Base – Verhalten von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
Wässrige Lösungen von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> reagieren schwach sauer. Dies beruht<br />
darauf, dass sich <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> mit Wasser in geringem Maße zu Kohlensäure<br />
umsetzt. Kohlensäure, die als freie Säure nicht isoliert werden kann, ist theoretisch<br />
eine mittelstarke Säure, deren Dissoziationskonstante<br />
→<br />
K<br />
1<br />
c<br />
=<br />
H<br />
+ ⋅<br />
c<br />
H CO<br />
2<br />
c<br />
HCO<br />
3<br />
−<br />
3<br />
durch Einsetzen der Gleichgewichtsreaktion (3) 1,30 · 10 – 4 beträgt (pK1 = 3,88).<br />
Die Gesamtlösung wirkt jedoch als schwache Säure, da etwa 99,8 % des gelösten<br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong>s nicht als Kohlensäure, sondern als hydratisiertes <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
vorliegen. Aus diesem Grund gibt man die „scheinbare Dissoziationskonstante“ an,<br />
indem man als undissoziierten Säureanteil die Konzentration c H2CO3<br />
+ CO einsetzt. Die<br />
2<br />
Dissoziationskonstante K1 verringert sich um drei Zehnerpotenzen, wodurch sich der<br />
pK1 – Wert auf 6,35 erhöht.<br />
8
Reaktionsgleichungen für die beim Einleiten von <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> in Wasser<br />
auftretenden Gleichgewichte:<br />
+ H O<br />
( ) aq CO2 (1)<br />
CO2 2<br />
( aq)<br />
H O<br />
CO2 + 2<br />
H CO3<br />
, mit pK S 2,<br />
60<br />
H 2<br />
2 = (2)<br />
+<br />
−<br />
2 CO3<br />
+ H O<br />
H3 O + HCO3<br />
, mit pK S = 3,<br />
88<br />
−<br />
HCO3 + H2O<br />
+ 2 −<br />
H3 O + CO3<br />
, mit pK S = 10,<br />
33<br />
Fasst man die Gleichgewichtsreaktionen (2) und (3) zusammen, erhält man die<br />
Säurekonstante bezogen auf <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> (aq)<br />
( aq)<br />
+ 2 H O<br />
+<br />
−<br />
→ O + HCO , mit pK = 6,<br />
35<br />
CO2 2<br />
H3 3<br />
S<br />
4. Versuch: Säure – Base – Verhalten von CO2<br />
Chemikalien und Geräte:<br />
Bromthymolblau, CO2, destilliertes Wasser, Methylrot, 0,1 M NaOH, Phenolphtalein,<br />
3 Erlenmeyerkolben, Pipette, 3 Spatel.<br />
Durchführung:<br />
3 Erlenmeyerkolben werden zu ¾ mit destilliertem Wasser gefüllt. Dazu werden<br />
jeweils 1 ml 0,1 M NaOH und einige Körnchen von verschiedenen Indikatoren<br />
(Bromthymolblau, Methylrot und Phenolphtalein) gegeben. Im Anschluss daran wird<br />
CO2 (aus der Gasflasche) bis zum deutlichen Farbumschlag in die 3<br />
Erlenmeyerkolben eingeleitet<br />
Beobachtung:<br />
Bromthymolblau schlägt von blau nach gelb, Methylrot von gelb nach rot und<br />
Phenolphtalein von violett nach farblos um.<br />
(3)<br />
(4)<br />
9
Erklärung:<br />
Die Indikatorfarben von Bromthymolblau, Methylrot und Phenolphtalein schlagen<br />
durch das eingeleitete CO2 um, da es in wässrigen Lösungen schwach sauer reagiert<br />
und somit den pH – Wert der durch die Natronlauge leicht basischen Lösung senkt.<br />
→<br />
−<br />
2 −<br />
2 OH + CO2<br />
+ H2O<br />
→ CO3<br />
+ 2 H2O<br />
Nachweisreaktionen für <strong>Kohlenstoffdioxid</strong><br />
<strong>Kohlenstoffdioxid</strong> kann durch Einleiten in Barytwasser (Ba(OH)2 – Lösung) bzw.<br />
durch Einleiten in Kalkwasser (Ca(OH)2 – Lösung) nachgewiesen werden, da hierbei<br />
die schwer löslichen Carbonate von Baryt- bzw. Kalkwasser ausfallen und die<br />
Lösungen trüben.<br />
5. Versuch: Nachweis von CO2 in der Atemluft<br />
Chemikalien und Geräte:<br />
Gesättigte Ca(OH)2 – Lösung, CO2, Gärröhrchen, Pipette, Schlauch.<br />
Durchführung:<br />
Ein Gärröhrchen wird mit einer gesättigten Ca(OH)2 – Lösung gefüllt. Anschließend<br />
wird über einen Schlauch so lange Luft in das Gärröhrchen geblasen, bis sich die<br />
gesättigte Ca(OH)2 – Lösung trübt. Der entstandene Niederschlag kann durch<br />
Einleiten von CO2, z.B. durch Einleiten von CO2 aus der Gasflasche, wieder<br />
aufgelöst werden.<br />
10
7. Versuch: Darstellung von CO2 aus Hydrogencarbonaten (Bicarbonaten)<br />
Chemikalien und Geräte:<br />
Gesättigte Ca(OH)2 – Lösung, Natriumhydrogencarbonat, Bunsenbrenner,<br />
Feuerzeug, Gärröhrchen, Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Schlauch, Spatel.<br />
Durchführung:<br />
Einige Spatelspitzen Natriumhydrogencarbonat werden in einem Reagenzglas mit<br />
einem Bunsenbrenner erhitzt. Das entstehende Gas wird in ein mit gesättigter<br />
Ca(OH)2 – Lösung gefülltes Gärröhrchen geleitet.<br />
Beobachtung:<br />
Das Kalkwasser trübt sich.<br />
Erklärung:<br />
Das Kalkwasser trübt sich, da das Natriumhydrogencarbonat durch die Wärme<br />
thermisch zersetzt wird, das dabei entstehende CO2 mit dem Kalkwasser reagiert<br />
und somit das Carbonat ausfällt.<br />
→<br />
2 NaHCO<br />
Ca<br />
→ Na<br />
CO<br />
+ H O + CO ,<br />
( OH)<br />
+ CO → CaCO + H O<br />
2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
3<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
Das als Soda bekannte Natriumcarbonat (Na2CO3) ist ein wichtiges Produkt der<br />
chemischen Großindustrie. Es spielt v. a. in der chemischen Industrie als Base und in<br />
der Glasindustrie, aber auch bei der Waschmittel- und Papierherstellung eine<br />
besondere Rolle.<br />
13
Leblanc – Verfahren<br />
Nicolas Leblanc entwickelte 1790 ein Verfahren zur Gewinnung von Natriumcarbonat<br />
(Soda). Dabei wird aus Natriumchlorid und Schwefelsäure Natriumsulfat hergestellt<br />
und dieses mit Kalk (CaCO3) und Kohle erhitzt.<br />
→<br />
Na SO + CaCO + 2 C → Na CO + CaS +<br />
2<br />
4<br />
3<br />
2<br />
3<br />
2 CO<br />
Bei diesem Verfahren wurden jedoch hohe Energiemengen verbraucht und es fiel<br />
Calciumsulfid (CaS) als Abfallprodukt an. Aus diesem Grund wurde das Verfahren<br />
durch ein 1861 von Ernest Solvay entwickeltes Verfahren abgelöst.<br />
Solvay – Verfahren (Ammoniak – Soda – Verfahren)<br />
Das Solvay – Verfahren geht von den billigen und in großen Mengen vorhandenen<br />
Rohstoffen Kalk (Calciumcarbonat) und Kochsalz (Natriumchlorid) aus. Die Reaktion<br />
zu Soda und Calciumchlorid läuft allerdings nicht freiwillig ab. Die Umkehrreaktion,<br />
deren Produkte Calciumcarbonat und Natriumchlorid sind, ist thermodynamisch<br />
bevorzugt.<br />
→<br />
CaCl2 + Na2CO3<br />
→ CaCO3<br />
+<br />
2 NaCl<br />
Im Solvay – Verfahren wird sie jedoch über folgenden Umweg realisiert.<br />
1) Der Kalk wird gebrannt<br />
→ CaCO 3 → CaO + CO2<br />
↑<br />
⇒ Das Calciumcarbonat zersetzt sich in der Hitze zu Calciumoxid<br />
(gebranntem Kalk) und <strong>Kohlenstoffdioxid</strong>.<br />
2) <strong>Kohlenstoffdioxid</strong> wird zusammen mit Ammoniak in eine konzentrierte<br />
Kochsalzlösung eingeleitet. Hierbei fällt Natron aus, das von der<br />
entstehenden Salmiaklösung getrennt wird.<br />
2<br />
14