Die Kohlensäure und ihre Salze

Chemie und Technik. Die Kohlensäure. Salze der Kohlensäure.

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54. Die Kohlensäure und ihre Salze

Die Kohlensäure

Das Gas CO2 ist im Vergleich zu O2 und N2 relativ gut in Wasser löslich und reagiert zu einem geringen Anteil (etwa 0,2 %, je nach Temperatur) zu Kohlensäure. Druck begünstigt die Reaktion, Hitze wirkt ihr entgegen:


$ \mathrm{ \ CO_2 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2CO_3} $


 
In Wasser mit Lackmuslösung leitet man Kohlendioxid, bis eine Farbreaktion zu beobachten ist. Anschließend wird erhitzt.

CO2 wird umgangssprachlich oft als Kohlensäure bezeichnet, was allerdings nicht ganz stimmt. Tatsächlich wird in der Wasserchemie gelöstes CO2 mit der eigentlichen Säure H2CO3 üblicherweise als „freie Kohlensäure“ zusammengefasst. Kohlensäure spielt eine wichtige Rolle im Säure-Basen-Haushalt sowohl des Wassers als auch des Blutes und anderer Körperflüssigkeiten.

Da die Kohlensäure eine zweiprotonige Säure ist, gibt sie Protonen in zwei Stufen ab.

1. Stufe: $ \mathrm{ \ H_2CO_3 \; \overset{H_2O}{\rightleftharpoons} \ \; \underbrace {HCO^{-}_{3 \ (aq)} + H^{+}_{(aq)} } _{Hydrogencarbonat-Ion}} $
2. Stufe: $ \mathrm{ \ HCO^{-}_3 \; \overset{H_2O}{\rightleftharpoons} \ \; \underbrace {CO^{2-}_{3 \ (aq)} + H^{+}_{(aq)} }_{Carbonat-Ion} } $

 
Kohlensäure, H2CO3, entsteht beim Einleiten von CO2 in Wasser
 
 
In ein trockenes Reagenzglas wird CO2 geleitet, mit dem Daumen verschlossen und unter Wasser, dem Natronlauge zugesetzt ist, wieder geöffnet.
 
Welche Ionen kommen in einer wässrigen Lösung von Kaliumcarbonat vor?
 
Formuliere die Reaktion, die beim Übergießen von Soda mit Salzsäure zu beobachten ist.
 
H2CO3 ist eine zweiprotonige Säure: Hydrogencarbonation = HCO3, Carbonation = CO32−

Beim Erhitzen zerfällt die Kohlensäure nach obiger Bildungsgleichung wieder in Wasser und Kohlenstoffdioxid, das als Gas entweicht (Versuch 1). Dadurch verschwindet die saure Reaktion einer Kohlensäurelösung beim Erhitzen.

Salze der Kohlensäure

Als zweiprotonige Säure bildet die Kohlensäure zwei Arten von Salzen, die Hydrogencarbonate und Carbonate. Hydrogencarbonate, früher auch als Bicarbonate oder saure Carbonate bezeichnet, entstehen durch einfache Neutralisation der Kohlensäure  mit einer Base. Oft wird auch das Anion dieser Salze, das Hydrogencarbonat-Ion (HCO3), verkürzt als Hydrogencarbonat bezeichnet. Wird durch weitere Basen-Zugabe auch die zweite Säurefunktion (Carboxygruppe) neutralisiert, so erhält man Carbonate.

Vereinfachte Form der Neutralisationsgleichung:


$ \mathrm { \ H_2CO_3 + NaOH \longrightarrow NaHCO_{3} + H_{2}O } $
Kohlensäure und Natronlauge       Natriumhydrogencarbonat

$ \mathrm { \ H_2CO_3 + 2 \ NaOH \longrightarrow Na_{2}CO_{3} + 2 \ H_{2}O } $
Kohlensäure und Natronlauge         Natriumcarbonat


$ \mathrm { \ 2 \ H_2CO_3 + Ca(OH)_{2} \longrightarrow Ca(HCO_{3})_{2} + 2 \ H_{2}O } $
Kohlensäure und Kalkwasser         Calciumhydrogencarbonat

$ \mathrm { \ H_2CO_3 + Ca(OH)_{2} \longrightarrow CaCO_{3} + 2 \ H_{2}O } $
Kohlensäure und Kalkwasser         Calciumcarbonat


Bullrich-Salz ist Natriumhydrogencarbonat
Bullrich-Salz ist Natriumhydrogencarbonat.

Da gelöste Bicarbonat-Ionen sowohl jeweils ein Proton abgeben (Protonendonator) als auch wieder aufnehmen (Protonenakzeptor) können, kommt ihnen eine wichtige physiologische Bedeutung bei der Regulation des Säure-Basen-Haushaltes von Säugetier-Organismen zu

Wichtige Hydrogencarbonate sind neben dem Natriumhydrogencarbonat (Natron, Bullrich-Salz – NaHCO3) das Ammoniumhydrogencarbonat (Hirschhornsalz, NH4HCO3) und das Calciumhydrogencarbonat („Carbonathärte“ des Wassers).

Einige Carbonate haben besondere Bedeutung, darauf deuten auch ihre alten (umgangssprachlichen) Bezeichnungen hin
Formel chemische Bezeichnung Bezeichnung Verwendung
Na2CO3 Natriumcarbonat Soda Seifenindustrie
K2CO3 Kaliumcarbonat Pottasche Glasindustrie
CaCO3 Calciumcarbonat Marmor, Kalk, Kreide Bauindustrie
FeCO3 Eisencarbonat Spateisenstein Eisenindustrie
Rhodochrosit, das Mangancarbonat
Mangancarbonat in Form von würfeligen Rhodochrosit-Kristallen.

Carbonate kommen überall in der Natur vor, meist in Form verschiedener Minerale. Bekannte Vertreter der Carbonate sind unter anderem das  Bariumcarbonat Witherit; die Calciumcarbonate AragonitCalcit und Vaterit; das  Eisencarbonat Siderit  (Eisenspat); die basischen Kupfercarbonate Azurit und Malachit; das Magnesiumcarbonat Magnesit; das Mangancarbonat Rhodochrosit (Manganspat); die Natriumcarbonate Gaylussit, Natrit, Pirssonit, Soda und Trona sowie das  Zinkcarbonat Smithsonit (Zinkspat). Weitere Vertreter der Carbonatfamilie sind Dolomit (Calciummagnesiumcarbonat) und die in der Natur nur als Stoffgemisch bekannte „Pottasche“ (Kaliumcarbonat). Die Gesamtmenge der in der Lithosphäre enthaltenen Carbonate beträgt etwa 2,9·1016 t.

Weiterhin enthält auch die Hydrosphäre der Meere, Seen und Flüsse große Mengen gelöster Carbonate und nahezu alle Lebewesen tragen sowohl gelöste Carbonate in sich oder benutzen unlösliche Carbonate als Gerüstsubstanz.