Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid (CO2) ist eine chemische Verbindung, die aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen besteht. CO2 ist ein nicht brennbares, saures und farbloses Gas. Da es sich gut in Wasser löst, wird es umgangssprachlich auch „Kohlensäure“ genannt, beispielsweise in Limonade. Mit basischen Metalloxiden oder -hydroxiden kann es Carbonate und Hydrogencarbonate bilden. CO2 ist ein elementarer Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, ein natürlicher und ein von Menschen verursachter Anteil der Luft und ein essentieller Bestandteil des pflanzlichen Lebenszyklus. Reines CO2-Gas kann für den Menschen schädlich wirken.
Unter ausreichender Sauerstoffzufuhr entsteht CO2 sowohl bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen als auch im Organismus von Lebewesen als Produkt der Zellatmung. Pflanzen, Algen sowie manche Bakterien und Archaeen wandeln CO2 durch Fixierung (Kohlenstoffdioxid-Assimilation) in Biomasse um. Bei der Photosynthese entsteht aus anorganischem CO2 und Wasser (H2O) Glucose.
CO2 hat ein breites technisches Anwendungsspektrum: In der chemischen Industrie z. B. wird es zur Gewinnung von Harnstoff (CH4N2O) eingesetzt. In fester Form, als Trockeneis, wird es als Kühlmittel verwendet. Überkritisches Kohlenstoffdioxid dient als Lösemittel und Extraktionsmittel.
CO2 ist eines der wichtigen Treibhausgase in der Erdatmosphäre. Durch menschliche Aktivitäten, insbesondere durch die Verbrennung fossiler Energieträger, ist der Anteil von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre von ca. 280 parts per million (ppm, Teile pro Million, hier aufs Volumen bezogen) zu Beginn der Industrialisierung auf 407,8 ppm im Jahr 2018 gestiegen. Im Mai 2019 wurde an der NOAA-Messstation Mauna Loa in Hawaii ein Monatsdurchschnitt von rund 415 ppm gemessen, Tendenz weiter steigend. Dieser Anstieg bewirkt eine Verstärkung des Treibhauseffekts und führt zur aktuellen globalen Erwärmung.Jochem Marotzke: „Vorhersagen sind schwierig …“ Möglichkeiten und Grenzen von Klimamodellen. In: Ders., Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 9–22, hier S. 22. Pro Tag werden ca. 100 Mio. Tonnen Kohlenstoffdioxid durch fossile Treibstoffe und Müllverbrennung in die Erdatmosphäre emittiert (Stand 2020).
Geschichte Kohlenstoffdioxid (CO2; früher auch „Kohlendioxyd“) war eines der ersten Gase, das die Bezeichnung „Gas“ bekam. Der flämische Chemiker Johan Baptista van Helmont (1580–1644) beobachtete, dass die Masse von Holzkohle bei der Verbrennung abnahm, da die Masse der verbleibenden Asche geringer war als die der eingesetzten Holzkohle. Seine Interpretation war, dass sich der Rest der Holzkohle in eine unsichtbare Substanz verwandelt hatte, die er Gas oder Spiritus sylvestre („Waldgeist“) nannte.William Emerson Brock, B. Kleidt, H. Voelker: Viewegs Geschichte der Chemie, Springer-Verlag 1997, ISBN 3-540-67033-5, S. 35. Wann dieses Gas erstmals Kohlenstoffdioxid genannt wurde, ist nicht bekannt.
Der schottische Arzt Joseph Black (1728–1799) studierte die Eigenschaften von CO2 gründlicher. Er fand im Jahr 1754 heraus, dass beim Versetzen von Calciumcarbonat-Lösungen mit Säuren ein Gas freigesetzt wird, das er fixed air („fixierte/festgesetzte Luft“) nannte.William Emerson Brock, B. Kleidt, H. Voelker: Viewegs Geschichte der Chemie, Springer-Verlag, ISBN 3-540-67033-5, S. 50. Er erkannte, dass dieses schwerer als Luft war und Verbrennungsvorgänge nicht unterstützte. Beim Einleiten dieses Gases in eine Lösung von Calciumhydroxid konnte er einen Niederschlag erzeugen. Mit diesem Phänomen zeigte er, dass Kohlenstoffdioxid im Atem von Säugetieren vorkommt und durch mikrobiologische Fermentation freigesetzt wird. Seine Arbeiten bewiesen, dass Gase an chemischen Reaktionen beteiligt sein können, und trugen zum Fall der Phlogistontheorie bei.William Emerson Brock, B. Kleidt, H. Voelker: Viewegs Geschichte der Chemie. Springer-Verlag, ISBN 3-540-67033-5, S. 72.
Joseph Priestley gelang 1771H. Orth, I. Kis: Schmerzbekämpfung und Narkose. In: Franz Xaver Sailer, Friedrich Wilhelm Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen. Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 1–32, hier: S. 24. die erste Herstellung von Sodawasser (Wasser mit Kohlendioxid), indem er Schwefelsäure in eine kalkhaltige Lösung leitete und das entstandene Kohlenstoffdioxid in einem Becher mit Wasser löste.J. Priestley, W. Hey: Observations on Different Kinds of Air. By Joseph Priestley, L L. D. F. R. S. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 62 (1772), S. 147–264, doi:10.1098/rstl.1772.0021. Den Zusammenhang von Kohlendioxid und Kohlensäure hatte William Brownrigg schon früher erkannt. Im Jahr 1823 verflüssigten Humphry Davy und Michael Faraday Kohlenstoffdioxid durch Druckerhöhung.Humphry Davy: On the Applicatin of Liquids Formed by the Condensation of Gases as Mechanical Agents. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 113 (1823), S. 199–205, doi:10.1098/rstl.1823.0020. Henry Hill Hickman operierte ab 1820 Tiere, was nach Inhalation von Kohlendioxid zur Erreichung einer Narkose schmerzfrei gelang. Zudem beschrieb er die physiologischen Vorgänge während der Narkose.Ludwig Brandt, Karl-Heinz Krauskopf: „Eine Entdeckung in der Chirurgie“. 150 Jahre Anästhesie. In: Der Anaesthesist. Band 45, 1996, S. 970–975, hier: S. 973. Die erste Beschreibung von festem Kohlenstoffdioxid stammt von Adrien Thilorier, der 1834 einen unter Druck stehenden Behälter mit flüssigem Kohlenstoffdioxid öffnete und feststellte, dass die spontane Verdampfung unter Abkühlung stattfindet, die zu festem CO2 führt.Joost Mertens, Du côté d’un chimiste nommé Thilorier. Balthazar Claës modèle d’Adrien Thilorier, L'Année balzacienne, 1, 2003, Nr. 4.
Vorkommen
Kohlenstoffdioxid kommt in der Atmosphäre, der Hydrosphäre, der Lithosphäre und der Biosphäre vor. Der Kohlenstoffaustausch zwischen diesen Erdsphären erfolgt zum großen Teil durch Kohlenstoffdioxid. In der Atmosphäre befanden sich um 2015 circa 830 Gigatonnen (830 Milliarden Tonnen) Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid.Markus Reichstein: Universell und Überall. Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem. In: Jochem Marotzke, Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 123–136, insb. S. 125. Die Hydrosphäre enthält circa 38.000 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von physikalisch gelöstem Kohlenstoffdioxid sowie als gelöste Hydrogencarbonate und Carbonate. Die Lithosphäre enthält den bei weitem größten Anteil chemisch gebundenen Kohlenstoffdioxids. Carbonatgesteine wie Calcit und Dolomit enthalten etwa 60.000.000 Gigatonnen Kohlenstoff.Martin Kappas: Klimatologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-8274-1827-2, S. 159. Darüber hinaus sind in Permafrostgebieten wie den Tundren der arktischen und antarktischen Polargebiete, in borealen Nadelwäldern oder Hochgebirgen und in Mooren große Mengen Kohlenstoff gespeichert.Andrea Rehmsmeier: Auf dünnem Eis Deutschlandfunk – Wissenschaft im Brennpunkt vom 7. August 2016.ipa.arcticportal.org: International Permafrost Association (5. November 2016).Naturschutzbund Deutschland – Informationen über Moore als Kohlenstoffspeicher und ihre damit verbundene Bedeutung für den Klimaschutz
Vorkommen in der Atmosphäre und menschengemachter Klimawandel
Zum Einfluss des Menschen siehe auch speziell Anthropogener Anstieg der CO2-Konzentration und Keeling-Kurve. mini|thumbtime=41|Kohlenstoffdioxid als Klimafaktor mini|Entwicklung der CO2-Konzentration während der letzten 420.000 Jahre direkten und indirekten Messungen zufolge mini|Globale Kohlenstoffdioxid-Verteilung in der Troposphäre, aufgenommen durch das Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) Instrument der NASA im Juli 2008 mini|Video: Was sind CO2-Verursacher? Kohlenstoffdioxid ist ein natürlich auftretendes, klimawirksames Spurengas der Erdatmosphäre, dessen Konzentration jedoch insbesondere durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ansteigt. Eisbohrkerndaten ergaben, dass die atmosphärischen CO2-Werte in den vergangenen 420.000 Jahren bis zum Beginn der Industrialisierung Mitte des 18. Jahrhunderts zwischen 190 ppm während der Höhepunkte der Eiszeiten und 280 ppm während der Warmzeiten schwankten.Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber: Der Klimawandel. C. H. Beck, 7. Auflage 2012, S. 23.
Mit der Industrialisierung kam es infolge menschlicher Aktivitäten zu einem starken Anstieg des Kohlenstoffdioxidanteils in der Atmosphäre, der weiterhin anhält. Zwischen 1750 und 1958 (dem Beginn systematischer Messungen durch Charles David Keeling) stieg der CO2-Wert zunächst moderat auf 315 ppm, um anschließend bis zum Jahr 2015 auf 401 ppm anzuwachsen.Hans Günter Brauch: Historical Times and Turning Points in a Turbulent Century: 1914, 1945, 1989 and 2014?, in: Ders., Ursula Oswald Spring, Juliet Bennett, Serena Eréndira Serrano Oswald (Hrsg.) Addressing Global Environmental Challenges from a Peace Ecology Perspective. Cham 2016, 11–68, S. 29–31. Die Konzentration hat am 9. Mai 2013 im lokalen Tagesmittel die Schwelle von 400 ppm (0,04 % Volumenanteil der gesamten Gashülle der Erde) überschritten, wie die Messung der Nationalen Behörde für Ozean- und Atmosphärenforschung (NOAA) der Vereinigten Staaten auf dem Mauna Loa (Hawaii) ergab. Der von der NOAA gemessene monatliche, weltweite Mittelwert hat erstmals im März 2015 die 400-ppm-Grenze überschritten. Für 2017 zeigen die Daten mit 405,5 ppm ein neues Rekordhoch, welches 46 Prozent über dem vorindustriellen Wert liegt. 2018 wurde mit 407,8 ppm wiederum ein neues Rekordhoch erreicht. Hauptquellen sind die Verbrennung fossiler Energieträger für die Energiegewinnung sowie im Industriesektor. In deutlich geringerem Maße trägt ebenfalls Freisetzung von in Böden und Wäldern gespeichertem Kohlenstoffdioxid durch Veränderungen in der Landnutzung, beispielsweise durch Rodung von Wäldern zum Anstieg bei. 2014 machten Energienutzung und industrieller Einsatz fossiler Energieträger sowie die Landnutzung 70 % respektive 5 % der gesamten menschengemachten Treibhausgasemissionen (gemessen in Kohlenstoffdioxidäquivalenten) aus.Ottmar Edenhofer, Michael Jakob: Klimapolitik. Ziele, Konflikte, Lösungen. München 2017, S. 20.
Die Gesamtmasse an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre beträgt circa 3000 Gigatonnen beziehungsweise etwa 800 Gt Kohlenstoff (das Verhältnis der molaren Massen von CO2 zu C ist gerundet 44:12). Die Konzentration variiert jahreszeitlich sowie lokal besonders in Bodennähe. In städtischen Regionen ist die Konzentration im Allgemeinen höher, in geschlossenen Räumen kann die Konzentration bis um das Zehnfache über dem Durchschnittswert liegen.
Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während der kurzwelligere Teil der Sonnenstrahlung nahezu ungehindert passieren kann. Ein absorbierender Körper emittiert auch entsprechend seiner Temperatur. Diese Eigenschaften machen Kohlenstoffdioxid zu einem sogenannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid entsprechend seinem Mengenanteil das zweitwirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von Methan und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche durch den natürlichen Treibhauseffekt von circa −18 °C auf +15 °C. Kohlenstoffdioxid hat einen relativ großen Anteil am Gesamteffekt und trägt somit zum lebensfreundlichen Klima der Erde bei.Karsten Schwanke, Nadja Podbregar, Dieter Lohmann, Harald Frater: Naturkatastrophen. Wirbelstürme, Beben, Vulkanausbrüche – entfesselte Gewalten und ihre Folgen. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-88684-6, S. 119.