Vier Darstellungen, die Chemiker für Kohlenstoffdioxid verwenden. In den farbigen Modellen ist Kohlenstoff hellgrau und Sauerstoff rot.
Credit: Randy Russell (©2006 NESTA)
Kohlendioxid ist ein farbloses und nicht brennbares Gas bei normaler Temperatur und normalem Druck. Obwohl es in der Erdatmosphäre viel seltener vorkommt als Stickstoff und Sauerstoff, ist Kohlendioxid ein wichtiger Bestandteil der Luft auf unserem Planeten. Ein Molekül Kohlendioxid (CO2) besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen.
Kohlendioxid ist ein wichtiges Treibhausgas, das dazu beiträgt, die Wärme in unserer Atmosphäre zu speichern. Ohne es wäre es auf unserem Planeten unwirtlich kalt. Der allmähliche Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre trägt jedoch zur globalen Erwärmung bei und droht das Klima unseres Planeten zu stören, da die globalen Durchschnittstemperaturen allmählich steigen.
Kohlendioxid ist der vierthäufigste Bestandteil der trockenen Luft. Es hat eine Konzentration von etwa 400 ppmv (parts per million by volume) in der Erdatmosphäre. Wissenschaftler schätzen, dass die CO2-Konzentration vor der industriellen Aktivität des Menschen bei etwa 270 ppmv lag. Der Kohlendioxidgehalt in unserer Atmosphäre ist also seit Beginn der menschlichen Industrialisierung um etwa 40 % angestiegen und wird voraussichtlich eine besorgniserregende Rolle beim Anstieg der globalen Temperatur spielen. Die atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentrationen schwankten in der vormenschlichen Geschichte unseres Planeten erheblich und hatten in der Vergangenheit tiefgreifende Auswirkungen auf die globalen Temperaturen.
Kohlendioxid spielt eine Schlüsselrolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, der eine Reihe von Prozessen umfasst, die Kohlenstoff in vielen Formen in unserer Umwelt zirkulieren lassen. Vulkanische Ausgasungen und Waldbrände sind zwei bedeutende natürliche Quellen von CO2 in der Erdatmosphäre. Bei der Atmung, dem Prozess, durch den Organismen Energie aus der Nahrung freisetzen, wird Kohlendioxid freigesetzt. Wenn Sie ausatmen, atmen Sie Kohlendioxid (neben anderen Gasen) aus. Verbrennung, ob in Form von Waldbränden, als Ergebnis von Brandrodung in der Landwirtschaft oder in Verbrennungsmotoren, erzeugt Kohlendioxid.
Die Photosynthese, der biochemische Prozess, durch den Pflanzen und einige Mikroben Nahrung erzeugen, verbraucht Kohlendioxid. Photosynthetische Organismen kombinieren CO2 und Wasser (H2O), um Kohlenhydrate (z. B. Zucker) zu produzieren und geben als Nebenprodukt Sauerstoff ab. Orte wie Wälder und Meeresgebiete, die photosynthetische Mikroben beherbergen, wirken daher als massive Kohlenstoff-„Senken“, die der Atmosphäre durch Photosynthese Kohlendioxid entziehen. Die frühe Erdatmosphäre hatte viel höhere CO2-Werte und fast keinen Sauerstoff; das Aufkommen photosynthetischer Organismen führte zu einem Anstieg des Sauerstoffs, der die Entwicklung sauerstoffatmender Lebewesen wie uns ermöglichte!
Bei der Verbrennung entsteht CO2, obwohl eine unvollständige Verbrennung aufgrund begrenzter Sauerstoffzufuhr oder eines Überschusses an Kohlenstoff auch Kohlenmonoxid (CO) erzeugen kann. Kohlenmonoxid, ein gefährlicher Schadstoff, oxidiert schließlich zu Kohlendioxid.
Kleine Kanister mit unter Druck stehendem CO2 werden zum Aufpumpen von Fahrradreifen und Schwimmwesten sowie zum Antrieb von Paintball-Pistolen verwendet. Das „Sprudeln“ in Limonaden wird von Kohlendioxid geliefert. Kohlendioxid wird auch von der Hefe während der Gärung freigesetzt, was dem Bier seinen Schaum verleiht und Champagner sprudelnd macht. Da es nicht brennbar ist, wird CO2 in einigen Feuerlöschern verwendet. Kohlendioxid bildet eine schwache Säure, die Kohlensäure (H2CO3), wenn es in Wasser gelöst wird.
Kohlendioxid ist das häufigste Gas in den Atmosphären von Mars und Venus. Festes, gefrorenes Kohlendioxid wird als „Trockeneis“ bezeichnet. Die polaren Eiskappen des Mars sind eine Mischung aus normalem Wassereis und Trockeneis. Flüssiges CO2 bildet sich erst bei Drücken, die höher sind als etwa das Fünffache des Atmosphärendrucks auf der Erde auf Meereshöhe, daher geht Trockeneis in vielen Situationen nicht in eine flüssige Form über. Stattdessen geht es in einem Prozess, der Sublimation genannt wird, direkt von einem festen in einen gasförmigen Zustand über.