Kohlenstoff und seine Oxide

Oxide des Kohlenstoffs

Von einem 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 verursacht eine wachsende Konzentration an Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre einen Treibhauseffekt, der die mittlere Temperatur auf der Erde steigen lässt.
Es gibt 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 sind, und dann schauen wir uns die Chemie der Oxide des Kohlenstoffs an.

Was ist ein Oxid?
Oxide sind Verbindungen von chemischen Elementen mit dem Element Sauerstoff, das mit dem Symbol $\ce{O}$ dargestellt wird. Wenn Kohlenstoff, das mit dem Symbol $\ce{C}$ dargestellt wird, mit Sauerstoff reagiert, dann bilden sich die Oxide des Kohlenstoffs.
Kohlenstoff kommt auf der Erde als Kohle vor. Sauerstoff ist mit gut 20 Prozent Bestandteil der Luft, man spricht deswegen auch von Luftsauerstoff. Je nachdem wie viel Sauerstoff vorhanden ist, kann Kohlenstoff zu zwei unterschiedlichen Oxiden verbrennen: Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffdioxid

Bildung von Kohlenstoffdioxid
Wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, dann bildet sich bei der Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff Kohlenstoffdioxid. Als Wortgleichung geschrieben sieht die Reaktionsgleichung so aus:
$\ce{Kohlenstoff + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid}$

Setzen wir die chemischen Symbole ein, dann lautet die Reaktionsgleichung wie folgt: $\ce{C + O2 -> CO2}$

Man sieht, dass im Molekül Kohlenstoffdioxid ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen verbunden ist. Die Strukturformel für Kohlenstoffdioxid ist daher wie folgt:
$\overline{\underline{\ce{O}}}=\ce{C}=\overline{\underline{\ce{O}}}$

Kohlenstoffdioxid – physikalische Eigenschaften

Mit der Dichte von $\rho = \pu{1,98 g//cm3} $ ist Kohlenstoffdioxid deutlich schwerer als Luft. Am Sublimationspunkt $\pu{-78,5 °C}$ geht Kohlenstoffdioxid vom festen direkt in den gasförmigen Zustand über. Vielleicht kennst du schon das sogenannte Trockeneis. Das ist $\pu{-78,5 °C}$ kaltes, festes Kohlenstoffdioxid, das 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 zu absorbieren. Deshalb sorgt ein steigender Kohlenstoffdioxid‑Gehalt in der Atmosphäre für steigende Temperaturen auf der Erde, auch bekannt als Treibhauseffekt.

Kohlenstoffdioxid – chemische Eigenschaften

• Brennbarkeit: Kohlenstoffdioxid ist nicht brennbar, es wird zum Feuerlöschen verwendet. Man nutzt diese Eigenschaft auch als Kohlenstoffdioxid‑Nachweis bei der Glimmspanprobe. Hierbei wird ein angezündeter Glimmspan durch Kohlenstoffdioxid gelöscht.

• Lösen in Wasser: Kohlenstoffdioxid bildet mit Wasser die instabile Kohlensäure $\ce{H2CO3}$ nach:
  $\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3} $
  Die Hin- und Rückpfeile deuten an, dass die Kohlensäure leicht wieder in Wasser und Kohlenstoffdioxid zerfällt.

• Reaktion mit Hydroxiden: Kohlenstoffdioxid bildet mit Kalkwasser – das ist in Wasser gelöstes Calciumhydroxid – das schwer lösliche, weiße Calciumcarbonat $\ce{CaCO3}$ nach:
  $\ce{CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + H2O}$
  Der senkrechte Pfeil deutet an, dass Calciumcarbonat als weißer Niederschlag ausfällt. In vergleichbarer Weise reagiert Kohlenstoffdioxid mit Barytwasser – das ist in Wasser gelöstes Bariumhydroxid $\ce{Ba(OH)2}$. $\ce{CO2 + Ba(OH)2 -> BaCO3 v + H2O}$
  Beide Reaktionen dienen auch als Nachweise von 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 $\ce{C6H{12}O6}$ – her:
$\ce{6 CO2 + 6 H2O ->[Chlorophyll] C6H{12}O6 + 6 H2O}$
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 gewinnt man als Nebenprodukt aus zahlreichen industriellen Verbrennungsprozessen. Kleine Mengen an Kohlenstoffdioxid gewinnt man im Labor aus der Reaktion von Carbonaten wie Calciumcarbonat $\ce{CaCO3}$ mit Salzsäure $\ce{HCl}$ nach:
$\ce{CaCO3 + 2 HCl -> CaCl2 + H2O + CO2}$

Verwendung von Kohlenstoffdioxid

• Kohlenstoffdioxid ist nicht brennbar. Diese Eigenschaft wird in Form von Kohlenstoffdioxid‑Feuerlöschern genutzt.
• In Form von Trockeneis dient Kohlenstoffdioxid als Kühlmittel.
• Kohlenstoffdioxid wird zur Extraktion von Koffein bei der Herstellung von koffeinfreiem Kaffee eingesetzt. In vergleichbarer Weise werden Aromastoffe aus Majoran und Hopfen extrahiert.
• 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 $\ce{LCO2}$ (für: Liquid Kohlenstoffdioxid) ab. In dieser Form wird es als spezielles Reinigungsmittel genutzt.

Kohlenstoffmonoxid

Achtung: Kohlenstoffmonoxid ist ein sehr giftiges Gas, es blockiert als Blutgift die Aufnahme von Sauerstoff.

Bildung von Kohlenstoffmonoxid
Wenn nur wenig Sauerstoff vorhanden ist, dann bildet sich bei der Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff Kohlenstoffmonoxid. Man spricht daher auch von der unvollständigen Verbrennung des Kohlenstoffs. Als Wortgleichung geschrieben sieht die Reaktionsgleichung wie folgt aus:
$\ce{Kohlenstoff + Sauerstoff -> Kohlenstoffmonoxid}$

Setzen wir die chemischen Symbole ein, dann lautet die Reaktionsgleichung wie folgt:
$\ce{2 C + O2 -> 2 CO}$

Man sieht, dass im Molekül Kohlenstoffmonoxid ein Kohlenstoffatom mit nur einem Sauerstoffatom verbunden ist. Die Formel für Kohlenstoffmonoxid ist daher $\ce{|C#O|}$.

Kohlenstoffmonoxid – physikalische Eigenschaften

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

• Brennbarkeit: Kohlenstoffmonoxid ist brennbar und reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid nach:
  $\ce{2 CO + O2 -> 2 CO2}$

• Reduktion von Metalloxiden: Kohlenstoffmonoxid kann zum Beispiel das Eisenerz Eisen(III)‑oxid $\ce{Fe2O3}$ zu reinem Eisen reduzieren:
  $\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}$

Verwendung von Kohlenstoffmonoxid

• Früher, bis zur 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts, fand man Kohlenstoffmonoxid als Bestandteil des Stadtgases. Wegen der Giftigkeit ist dies heute nicht mehr der Fall.
• In der organischen Synthese dient Kohlenstoffmonoxid zur Herstellung vieler organischer Verbindungen. So reagiert Kohlenstoffmonoxid zum Beispiel mit Wasserstoff $\ce{H2}$ in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators zu Methanol $\ce{CH3OH}$ nach:
  $\ce{CO + 2 H2 ->[Katalysator] CH3OH}$

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Einführung zu den Oxiden des Kohlenstoffs und stellt dir die Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid vor.

Übungen und Arbeitsblätter

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über die Oxide des Kohlenstoffs aus dem Video zu testen.