alternativtext=Moleküle|mini|Kohlensäure
Kohlensäure (H2CO3) ist eine anorganische Säure und das Reaktionsprodukt ihres Säureanhydrids KohlendioxidKohlenstoffdioxid ist der sachlich richtige Begriff für CO2, da es sich um eine Verbindung von Kohlenstoff und Sauerstoff handelt. https://www.elektro4000.de/magazin/alles-wissenswerte-ueber-co2-verstaendlich-erklaert/#Kohlendioxid (CO2) mit Wasser. Sie wird in Erfrischungsgetränken verwendet. Kohlensäure spielt eine wichtige Rolle im Säure-Basen-Haushalt sowohl des Wassers als auch des Blutes und anderer Körperflüssigkeiten.
Das Gas CO2 ist im Vergleich zu O2 und N2 relativ gut löslich in Wasser und reagiert zu einem geringen Anteil (etwa 0,1 %, je nach Temperatur und Druck) zu Kohlensäure:
In der Wasserchemie wird üblicherweise das gelöste CO2 sowie die eigentliche Säure H2CO3 zur freien Kohlensäure zusammengefasst, die Summe von Carbonat und Hydrogencarbonat als gebundene Kohlensäure bezeichnet.
Umgangssprachlich wird oft das Gas CO2 als „Kohlensäure“ (veraltet) bezeichnet, allerdings liegen die oben genannten Anteile eben nicht gasförmig vor.
Die Salze der zweiprotonigen Säure sind die Carbonate und Hydrogencarbonate. Ihre Ester werden ebenfalls Carbonate oder Kohlensäureester genannt. Technische Bedeutung haben die Polyester, die als Polycarbonate bezeichnet werden.
Geschichte Die Natur der Kohlensäure als gelöstes Kohlendioxid erkannte 1741 William Brownrigg. Für die Erfindung des Sodawassers ist allerdings Joseph Priestley bekannt (in seiner Zeit als Priester in Leeds ab 1767, wo ihm genug Kohlendioxid aus einer nahen Brauerei zur Verfügung stand).
Vorkommen in der Natur Im Regenwasser gelöstes Kohlendioxid bildet Kohlensäure, die Kalkgestein unter Bildung von Calciumhydrogencarbonat zu lösen vermag:
CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2
Tropft solches Wasser in einen unterirdischen Hohlraum, so scheidet sich aus dem hängenden Tropfen durch Ausgasen von Kohlendioxid aus der Hydrogencarbonatlösung das schwerlösliche Calciumcarbonat als Stalaktit ab; fällt der Tropfen zu Boden, wird am Boden weiteres Calciumcarbonat abgeschieden und es entsteht ein Stalagmit:
Ca(HCO3)2 <=> CaCO3 + CO2 + H2O
Dissoziationsgleichgewicht Gelöstes Kohlenstoffdioxid steht in wässriger Lösung im Gleichgewicht mit Kohlensäure:
(1)
Die Erlenmeyer-Regel beschreibt die Instabilität von Molekülen mit zwei Hydroxygruppen am selben Kohlenstoff-Atom. Daher liegt das Gleichgewicht sehr weit auf der Seite des Anhydrids; der Anteil des Säuremoleküls liegt in wässriger Lösung bei nur rund 0,2 %. Der Rest wird in Wasser gelöst, ohne dass hierbei eine Säure gebildet wird. Der Anteil der Säure ist mäßig von der Temperatur abhängig. In Organismen wird die Reaktion durch das Enzym Carboanhydrase beschleunigt. Die vergleichsweise langsam erfolgende Hydration von CO2 wird durch das Enzym katalysiert, wodurch physiologisch ausreichende Geschwindigkeiten der Austauschprozesse erreicht werden. Ein Enzymmolekül katalysiert dabei die Umwandlung von etwa 36 Millionen CO2 in H2CO3-Moleküle pro Minute.
Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure. Sie gibt daher ihre Protonen in zwei Dissoziationsstufen an Wasser oder andere Basen ab:
(2)
Der pKs-Wert der ersten Säurekonstante kann lediglich berechnet werden. Er liegt mit temperaturabhängigen Abweichungen eigentlich bei ca. 3,6. Kohlensäure ist damit eine mittelstarke Säure vergleichbar mit Essigsäure (pKs 4,76) und Ameisensäure (pKs 3,77). Da aber der Anteil der Kohlensäure gemäß Gleichung (1) schlecht zu bestimmen ist, werden die Reaktionen (1) und (2) zu (3) zusammengefasst:
(3)
und ergeben den (fast immer genannten und experimentell bestimmbaren) Wert von ca. 6,5 für den pKs-Wert. Freie Kohlensäure ist damit eine schwache Säure. Reaktionsprodukt ist das Hydrogencarbonat-Ion HCO3−.
(4)
Der pKs-Wert für die zweite Säurekonstante liegt um 10,5. Reaktionsprodukt ist das Carbonat-Ion CO32−.
Die Konzentrationen der drei (eigentlich vier) Kohlensäure-Spezies, also der freien Kohlensäure (H2CO3 und gelöstes CO2), des Hydrogencarbonats und des Carbonats sowie der Oxoniumionen stehen miteinander durch das Massenwirkungsgesetz in einem berechenbaren Zusammenhang. Die Konzentration der Oxoniumionen wird durch den pH-Wert ausgedrückt. Bei einem gegebenen pH-Wert ist somit das Mengenverhältnis der Spezies festgelegt. mini|hochkant=1.6|Hägg-Diagramm von Kohlensäure (logarithmische Skala) – H2CO3: schwarz; HCO3−: violett; CO32−: türkis; H+: gestrichelt; OH−: gepunktet
pH-Indikation Wasser Bei pH 4 liegen über 99 % als Kohlendioxid/Wasser-Mischung vor. (z. B. in Mineralwasser) Bei einem pH-Wert von 6,5, der also gleich ist dem pKs der ersten Säurekonstante, liegt daneben gleich viel Hydrogencarbonat vor; der Anteil des Carbonats ist noch weit unter 1 %. Bei ca. pH 7,5 in Leitungswasser bestimmt das enthaltene Hydrogencarbonat in Verbindung mit wenig gelöstem Kohlendioxid den Säurehaushalt. (menschliches Blut mit pH 7,4 enthält Kohlendioxid und Hydrogencarbonat im Verhältnis 1 : 24) Etwa bei pH 8,3 liegt der maximale Anteil an Hydrogencarbonat mit ca. 98 % vor; je knapp 1 % sind Kohlendioxid und Carbonat. Dies ist der typische pH-Wert von Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat in Wasser. Abgekochtes Trinkwasser zeigt diesen pH, da gelöstes Kohlendioxid ausgetrieben wurde. Bis fast zur Trockene eingekochtes Trinkwasser zeigt einen pH von bis zu 9, da sich hierbei ein geringer Hydrogencarbonat-Anteil in Carbonat umwandelt (siehe Kesselstein-Bildung). Bei einem pH gleich dem pKs der zweiten Säurekonstante von 10,5 liegen gleiche Mengen Hydrogencarbonat und Carbonat sowie ein verschwindend geringer Anteil an Kohlendioxid vor. Bei pH 12,5 hat das Carbonat einen Anteil um 99 %, Hydrogencarbonat liegt bei knapp 1 %. Dies ist der typische pH-Wert von Natrium- oder Kaliumcarbonat in Wasser. Diese Eckwerte spiegeln die Zusammenhänge im vielfach genutzten Bicarbonat-Puffer wider.
Verwendung Kohlensäure wird für unzählige Produktionsprozesse weltweit eingesetzt, wobei sie dem Endverbraucher wohl am ehesten aus Erfrischungsgetränken bekannt sein dürfte. Jacob Schweppe entwickelte im späten 18. Jahrhundert ein Verfahren, mittels dessen sich Wasser mit Kohlenstoffdioxid versetzen lässt. Im 19. Jahrhundert begann man, Mineralwasser Kohlenstoffdioxid beizumischen, um dieses haltbar zu machen.
Siehe dazu Verwendung von Kohlenstoffdioxid in der Lebensmitteltechnologie.
Kohlensäure als Reinstoff Durch Entwässern einer CO2-Lösung (Verdampfen oder Gefrieren des Wassers) lässt sich die mit Kohlendioxid im Gleichgewicht stehende Kohlensäure H2CO3 bzw. C=O(OH)2 ebenso wenig wie die Orthokohlensäure H4CO4 = C(OH)4 oder die Dikohlensäure H2C2O5 = (HO)OC—O—CO(OH) isolieren, da hierbei wegen der Überschreitung der Löslichkeit das Anhydrid CO2 entweicht. Die Peroxomono- und -dikohlensäure H2CO4 = CO(OH)(OOH) und (HO)OCCO(OH) lassen sich als solche nicht aus konzentrierten wässerigen Lösungen isolieren.
Im Labor gelang es, Kohlensäure (im engeren Sinn) als (vermutlich kristallinen) Reinstoff zu erzeugen, wobei sie in zwei unterschiedlichen Modifikationen existiert. Die α-Form der Kohlensäure wird bei der Synthese in Methanol erhalten. Die β-Form der Kohlensäure wird durch Bestrahlung von festen Mischungen aus Kohlendioxid und Wasser mit Protonen oder durch Protonierung von Carbonat mit Bromwasserstoff-Hexahydrat bei −73 °C gebildet. Dies hat derzeit jedoch (außer dem möglichen Auftreten als Bestandteil stratosphärischer Wolken der oberen Atmosphäre, in interstellaren Eispartikeln, auf Kometen, in extrasolarer Körper sowie auch auf der Marsoberfläche oder Marsatmosphäre) keine praktische Bedeutung.
Bei tiefen Temperaturen und unter absoluter Abwesenheit von Wasser oder Metallionen (beide katalysieren stark die Zersetzungsreaktion zu Kohlenstoffdioxid und Wasser) kann die Kohlensäure H2CO3 als Reinstoff dargestellt werden.
In absoluter Reinheit hat die Verbindung bei Raumtemperatur eine Halbwertszeit von 180.000 Jahren. Die Zugabe eines einzigen Wassermoleküls zum Kohlensäuremolekül erhöht durch Autokatalyse die Reaktionsgeschwindigkeit um einen temperaturabhängigen Faktor von 107−109, d. h., die Halbwertszeit wird auf 10 Stunden bei 300 K erniedrigt. Die Zugabe eines weiteren Wassermoleküls beschleunigt die Reaktion um einen weiteren Faktor 100 bis 1000, was zu einer Halbwertszeit von 119 Sekunden bei 300 K führt. Das ist der Grund, aus dem die meisten Chemiker „Kohlensäure“ für instabil halten. Statt Kohlensäure meinen sie jedoch Kohlendioxid in Wasser gelöst (was zu einem Gleichgewicht von 1 % H2CO3 und 99 % schwach hydratisiertem CO2 sowie saurem Verhalten wegen des H2CO3/HCO3-Säure-Base-Paares führt). Kristalline und amorphe Kohlensäure sind damit in einer Eis-Matrix bei 225 K kinetisch bemerkenswert stabil darstellbar. Diese Stabilität im gasförmigen Zustand in Abwesenheit von Wasser lässt Schlüsse auf deren Bildung und Nachweisbarkeit im Weltall zu. Feste Kohlensäure bildet sich nicht nur durch Protonenbestrahlung von festen CO2/H2O-Gemischen, sondern auch von reinem, festen CO2. Sie besteht aus einem Netzwerk miteinander über H-Brücken verknüpfter H2CO3-Moleküle. Gasförmige Kohlensäure liegt in einer Mischung aus H2CO3-Monomeren und Dimeren vor, deren Mischungsverhältnis von der Temperatur abhängt.Bericht: uni-protokolle.de. – T. Loerting, C. Tautermann, R. T. Kroemer, I. Kohl, A. Hallbrucker, E. Mayer, K. R. Liedl: in Angewandte Chemie 2000, 112, 919–922. Zur überraschenden kinetischen Stabilität von Kohlensäure (H2CO3), .
Eine Hochdruck-Kristallstruktur der Kohlensäure wurde an der deuterierten Substanz mittels Neutronenbeugung bei einem Druck von 1.85 GPa in einer Hybridzelle (Russische Legierung neben Cu-Be) bestimmt. D2CO3 kristallisiert im monoklinen System mit der Raumgruppe P21/c und nur einem symmetrieunabhängigen Molekül mit anti-anti-Gestalt. Benachbarte Moleküle bilden Dimere aus, die über H-Brückenbindungen verknüpft sind. C-O-Einfach- und -Doppelbindungen fallen wegen eines hohen π-Bindungsanteils kürzer bzw. länger aus als üblich. Die bei Normaldruck präparierte Kohlensäure zeigt keinerlei Beugungsmuster, ist also vollständig amorph und bildet keine Kristallstruktur aus.
Derivate der Kohlensäure mini|hochkant=0.7|Harnstoff – ein Diamid der Kohlensäure Darüber hinaus sind organische Derivate der Kohlensäure bekannt, so verschiedene Kohlensäureester. Sie sind leicht zugänglich durch die Reaktion von Phosgen mit Alkoholen. Polyester der Kohlensäure sind die Polycarbonate. Eine andere Stoffgruppe sind die Amide der Kohlensäure. Ihre Stammverbindung ist der Harnstoff, ein Diamid der Kohlensäure; als Beispiel seien die Urethane (von Urea, Harnstoff) genannt. Es sind substituierte Ester des Monoamids der Kohlensäure, der Carbaminsäure; diese sind die Stammverbindungen überaus wichtiger Kunststoffe, der Polyurethane.
Aggressive Kohlensäure und Verwandte Eine weitere Gruppe von Trivialnamen, die nicht chemisch unterschiedliche Spezies, sondern Mengenanteile bezeichnen, stammt aus dem Bereich der Wasserchemie für kalkhaltige Wässer. Es sei darauf hingewiesen, dass die folgenden Begriffe jeweils Mengenanteile der sogenannten freien Kohlensäure betreffen, bei denen zwischen Kohlenstoffdioxid und der Kohlensäure im engeren Sinn nicht unterschieden wird.
Entsprechend dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht sind die Konzentrationen von Calcium und Kohlensäure voneinander abhängig. Man unterscheidet die Menge der zugehörigen Kohlensäure von der Menge der überschüssigen und der (kalk-)aggressiven Kohlensäure. Zugehörige Säure hält im Mengengleichgewicht der Kohlensäurespezies den pH-Wert gerade so niedrig, dass die hiervon abhängige Konzentration des Carbonates multipliziert mit der des Calciums gerade noch nicht das Löslichkeitsprodukt des Calciumcarbonats überschreitet. Darüber hinaus vorhandene freie Kohlensäure gilt als überschüssig.