Kohlenstoffdioxid

'Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid (CO²) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. CO² ist ein nicht brennbares, saures und farbloses Gas. Da es sich gut in Wasser löst, wird es umgangssprachlich manchmal fälschlicherweise auch „Kohlensäure“ genannt. Mit basischen Metalloxiden oder -hydroxiden kann es Carbonate und Hydrogencarbonate bilden.

CO₂ ist ein elementarer Bestandteil des globalen Kohlenstoffzyklus, ein natürlicher Bestandteil der Luft und ein wichtiges Treibhausgas in der Erdatmosphäre: Durch menschliche Aktivitäten, insbesondere durch die Verbrennung fossiler Energieträger, stieg der Anteil von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre von ca. 280 parts per million (ppm, Teile pro Million) zu Beginn der Industrialisierung auf 407,8 ppm im Jahr 2018 an. Im Mai 2019 wurde in der NOAA-Messstation Mauna Loa in Hawaii ein Monatsdurchschnitt von rund 415 ppm gemessen, Dieser Anstieg bewirkt eine Verstärkung des Treibhauseffekts und führt zur aktuellen globalen Erwärmung. Pro Tag werden ca. 100 Mio. Tonnen Kohlenstoffdioxid durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre freigesetzt.

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 Glucose.

CO₂ kann giftig wirken. Die Konzentrationen in der Luft oder Mengen durch die Aufnahme von beispielsweise Limonade reichen hierfür aber bei weitem nicht aus. CO₂ hat ein breites technisches Anwendungsspektrum: In der chemischen Industrie z. B. wird es zur Gewinnung von Harnstoff eingesetzt. In fester Form als Trockeneis wird es als Kühlmittel verwendet, überkritisches Kohlenstoffdioxid dient als Löse- und Extraktionsmittel.

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. 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. 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.

Joseph Priestley gelang 1771 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. Den Zusammenhang von Kohlendioxid und Kohlensäure hatte William Brownrigg schon früher erkannt. Im Jahr 1823 verflüssigten Humphry Davy und Michael Faraday Kohlenstoffdioxid durch Druckerhöhung. 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. 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.