Experimente:
Versuch: Kohlenstoffdioxid entsteht bei Verbrennungsvorgängen und Atmung
Versuch: Versuche um Kohlenstoffdioxid und Wasser
Versuch: Änderung der elektrischen Leitfähigkeit beim Einleiten von CO₂ in Wasser
Versuch: Protolyse von Hydrogencarbonat und Carbonat
Versuch: Erwärmen von calciumhydrogencarbonat-haltigem Mineralwasser
Versuch: Modellexperiment zur Karst- und Tropfsteinbildung

Kohlenstoffdioxid entsteht bei Verbrennungsvorgängen und Atmung (-> Versuch). Pro Tag bildet ein Mensch etwa einen Kilogramm CO₂! Das Gas muss aus dem Körper abtransportiert werden. Das geschieht zunächst durch Gleichgewichtsreaktionen unter Beteiligung von Wasser. Das Gleichgewichtssystem CO₂ / H₂O ist deshalb von größter Bedeutung für unser Leben.

Am System sind folgende physikalische sowie chemische Gleichgewichte beteiligt, die sich zudem unterschiedlich schnell einstellen.

Diese Gleichgewichte stellen sich alle in mehr oder weniger großem Umfang ein, wenn man CO₂ in Wasser einleitet. Dann bilden sich auch Ionen, was an der Zunahme an Leitfähigkeit gezeigt werden kann (-> Versuch). Aufgrund der Protonenfreisetzung gleitet der pH-Wert ins Saure ab (-> Versuch).

Diese Gleichgewichte kann man schrittweise verschieben. Da sie sich alle untereinander bedingen, haben wir es bei der Beeinflussung eines Gleichgewichts immer mit einer ganzen Antwort-Kaskade zu tun.

Temperaturänderung
Beim Abkühlen wird mehr CO₂ gelöst.

Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von CO2 in Wasser (1,013 bar)
20 °C 15 °C   0 °C	0,9 l CO2 / l Wasser 1    l 1,7 l

Dann ziehen auch die Folgegleichgewichte verstärkt nach, und zwar auf die Richtung ihrer rechten Seiten.
Erwärmt man zum Beispiel eine wässrige CO₂-Lösung, so treibt man damit CO₂ aus, folglich verschieben sich alle Gleichgewichte in Richtung auf die linke Seite in die große Richtung (1) und dieses sich auf die linke Seite. (Deshalb sollte man Sprudelflaschen nicht erwärmen. Unter dem Druck, der sich aufbaut, können die Flaschen explodieren.)

Druckänderung
Erhöht man den Druck über einer CO₂-Lösung, löst sich mehr CO₂.

Druckabhängigkeit der Löslichkeit von CO2 in Wasser (20 °C)
1,013 bar 25     bar	0,9  l CO2 / l Wasser 16,3 l

Dadurch ziehen auch die anderen Gleichgewichte nach. Nimmt man den Druck wieder weg, so tritt das CO₂ wieder aus, alle anderen Gleichgewichte ziehen nach links nach. Deshalb schäumt Champagner nach dem Öffnen seiner normalerweise unter einem Druck von 5 bar stehenden Flasche zunächst kräftig aus, um dann "gemütlich" weiterzuperlen.

Konzentrationsänderung
Auch an den Konzentrationen der Reaktionspartner im CO₂/ H₂O-Gleichgewichtssystem kann man drehen. Erhöht man die Konzentration der Protonen (Hydronium-Ionen), so verschiebt man das Gleichgewicht in Richtung auf freies CO₂. Beim Ansäuern einer CO₂-Lösung gast deshalb CO₂ aus. Leitet man CO₂ dagegen nicht in Wasser, sondern in Natronlauge ein, so verschiebt man das Gleichgewicht dergestalt, dass sich sehr viel mehr CO₂ löst, da die Hydroxid-Ionen die Protonen aus den Gleichgewichten entfernen und die Reaktionen in die Richtung auf Bildung von zunächst Hydrogencarbonat- und dann Carbonat-Ionen zwingen.

Merkwürdige Gleichgewichtskonstanten
Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure. Die erste Säurekonstante ist pK₁ = 3,88 (Gleichgewicht (3)). Das bedeutet, dass Kohlensäure eine mittelstarke Säure sein sollte. Den Wert erhält man aber nur, wenn man ausschließlich von der "echten" H₂CO₃ ausgeht. Jedoch liegen 99,8 % des gelösten CO₂ gar nicht als Säure, sondern nur als hydratisiertes Gas vor. Deshalb formuliert man eine "scheinbare" Dissoziationskonstante, die um den Faktor 1000 kleiner ist. Dieser pK₁-Wert beträgt 6,35.
Die zweite Säurekonstante, die das Dissoziationsgleichgewicht (4) beschreibt, beträgt pK₂ = 10,33.

Protolyse der Carbonate
Geht man umgekehrt von den Salzen aus, so findet Protolyse statt (-> Versuch). Das Hydrogencarbonat

bewirkt eine schwach saure bis neutrale Reaktion. Dagegen reagiert das Carbonat mit Wasser unter Bildung von Hydroxid-Ionen, bewirkt also eine alkalische Reaktion.

Die Gleichgewichtseinstellung der Kohlensäurebildung im Blut erfolgt enzymatisch
Wir hatten gesehen, dass sich das Gleichgewicht (2) sehr langsam einstellt. Das wäre für unseren Organismus schlecht. Nun gibt es glücklicherweise ein Enzym, das die Einstellung des Gleichgewichts beschleunigt. Dieses wichtige Enzym, das sich in großer Konzentration in den roten Blutkörperchen befindet, setzt pro Molekül in einer Minute 36 Millionen Moleküle CO₂ mit Wasser um. Damit ist es eines der aktivsten Enzyme überhaupt. Sein Name ist Carbonat-Dehydratase oder auch Carboanhydrase. Es trägt im aktiven Zentrum übrigens ein Zink-Ion.

Das CO₂ / Wasser-Puffersystem
Das CO₂/Wasser-System ist wie alle Säure/Base-Gleichgewichte ein hervorragender Puffer. Er hat nicht nur Bedeutung für die Wasserqualität, sondern ganz besonders bei der Regulation des Blut-pH-Werts. Das liegt nicht so sehr an seiner Konzentration (ausgedrückt durch die Pufferkapazität), sondern daran, dass am Ende der Kette gasförmiges CO₂ steht, das ausgeatmet wird. Im Gegenteil: Zuviel Carbonat bzw. Hydrogencarbonat im Blut würde den Blut-pH-Wert ins Alkalische bzw. Saure abgleiten lassen.
Protonen reagieren mit Hydrogencarbonat-Ionen zu Kohlensäure, die dann zerfällt.

Nun bilden sich entsprechend dem Gleichgewicht (3) aber auch Protonen bei der Bildung von neuen Hydrogencarbonat-Ionen. Führt das nicht insgesamt zu einer Versauerung des Körpers? Man muss bedenken, dass es auch Basen gibt, die neutralisiert werden müssen. Die wichtigste ist das Ammoniak, das in großen Mengen bei Desaminierungen von Aminosäuren usw. entsteht.

Die Ammonium-Ionen werden über die Niere ausgeschieden. Somit sind sie der Haupttransporteur der Säureprotonen.

Wie Tropfsteine entstehen
In Wasser ist CO₂ gelöst. Der Vorgang ist reversibel.

Ein Teil davon bildet Kohlensäure.

Die löst den Kalk auf.

So entstehen die großen Karsthöhlen.

Aber auch die Kalkauflösung ist eine reversible Reaktion. Ihre Richtung hängt von der Konzentration an gelöstem CO₂ ab. Ist viel da, löst sich Kalkstein auf. Ist wenig da, bildet er sich wieder. Das hängt auch von der Temperatur ab. Beim Erwärmen fällt der Kalk wieder aus - wie man in einem Versuch zeigen kann.
Wenn dieses Wasser, in dem Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen gelöst sind, einen dünnen Flüssigkeitsfilm bildet, gibt es in Umkehrung der obigen Reaktionen verstärkt CO₂ an die Außenluft ab.
Dann läuft die obige Reaktion der Auflösung von Kalkstein durch Kohlensäure umgekehrt ab. Es kristallisiert Kalk aus; eine feine Kalkschicht entsteht. Ein Tropfstein bildet sich. Man spricht von Stalagtiten.
Der Gasaustausch findet auch statt, wenn ein Wassertropfen auf den Boden fällt und zerstäubt. Dabei wird eine große Flüssigkeitsoberfläche gebildet. Der sich bildende Stalagmit wächst dem Stalagtiten entgegen.

(Zu all diesen Zusammenhängen haben wir ein Modellexperiment.)

Tropfsteinhöhle in Minas Gerais, Brasilien
(Foto: Susanne Hoffmann)

Wie Meeresorganismen unsere Atmosphäre vom CO₂ befreien halfen (und noch helfen)
Hierzu haben wir eine Webseite, die Sie anschauen sollten.

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