CO2 – Grundwissen
Kohlenstoffdioxid (im normalen Sprachgebrauch auch Kohlendioxid, oft fälschlich Kohlensäure genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid), Kohlenstoffsuboxid und dem instabilen Kohlenstofftrioxid eines der Oxide des Kohlenstoffs. Die chemische Summenformel lautet CO2.
Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (im Jahr 2008 385 ppm, jährliche Zunahme ca. 2 ppm)[3] ein natürlicher Bestandteil der Luft. Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO2 durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO2 Glukose.
Physikalische Eigenschaften
Das Kohlenstoffdioxid-Molekül ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen polar sind, heben sich deren elektrische Dipolmomente durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist. Dennoch ist Kohlenstoffdioxid aufgrund der inneren Dipolmomente gut in Wasser löslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung.
Das Lösungsvermögen ist ca. 40-mal höher als beispielsweise das von Sauerstoff. Bei Raumtemperatur unter Normaldruck liegt die Sättigung bei 1700 mg/l, während sie bei O2 bereits bei 9 mg/l und bei N2 bei 20 mg/l erreicht wird.
Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Es schmilzt nicht, sondern sublimiert bei −78 °C. Allerdings kann man es unterhalb der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten. Bei Raumtemperatur ist dazu ein Druck von ca. 60 bar nötig, der kritische Druck bei der kritischen Temperatur ist etwa 73,7 bar[1]. In flüssiger Form wird Kohlenstoffdioxid in Druckgasflaschen gehandelt. Dabei gibt es zwei Typen: Steigrohrflaschen zur Flüssigentnahme und Flaschen ohne Steigrohr zur Entnahme gasförmigen Kohlenstoffdioxids.[4] Beide müssen zur Entnahme senkrecht stehen. Die Steigrohrflasche wird grundsätzlich ohne, die andere mit Druckminderventil betrieben.
Solange sich noch flüssiges Kohlenstoffdioxid in der Druckflasche befindet, ist der Innendruck lediglich von der Temperatur abhängig. Eine Messung des Füllstandes ist deshalb bei beiden Flaschentypen ausschließlich über Wägen möglich. Die Entnahmegeschwindigkeit ist dadurch begrenzt, dass durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung erst wieder flüssiges Kohlenstoffdioxid in der Flasche verdampfen muss, um den der Temperatur entsprechenden Druck wieder aufzubauen.
CO2 in der Atmosphäre und Treibhauseffekt
Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d. h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid entsprechend seinem Mengenanteil das zweitwirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von Methan und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. −18 °C auf +15 °C (natürlicher Treibhauseffekt). Kohlenstoffdioxid hat einen Anteil von ca. 9 bis 26 % an diesem Gesamteffekt und ist somit in einem nicht unerheblichen Maß für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich.
Der CO2-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. Seit wenigstens 650.000 Jahren lag der Anteil jedoch immer unterhalb von 280 ppm. Die CO2-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlenstoffdioxidkreislaufes war somit in dieser Zeit weitgehend ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO2-Anteil in der Atmosphäre auf bislang 385 ppm (2008). In den Jahren von 1960 bis 2005 stieg der CO2-Anteil im Mittel um 1,4 ppm pro Jahr. In den 10 Jahren von 1995 bis 2005 betrug die jährliche Anstiegsrate 1,9 ppm.[8] Einer Untersuchung des Global Carbon Projects aus dem Jahr 2008 zufolge ist in den Jahren 2000 bis 2007 der CO2-Ausstoß viermal schneller gestiegen als noch im Jahrzehnt davor. Damit wird das schlimmste Szenario des Weltklimarates übertroffen.
Zeitlicher Verlauf der CO2-Konzentration in der AtmosphäreDie anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten, CO2-Emissionen von jährlich ca. 36,3 Gt bzw. ca. 9,9 Gt Kohlenstoff (8,4 GtC durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe sowie 1,5 ± 0,5 GtC durch Landnutzung) sind nur ein kleiner Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlenstoffdioxids von jährlich etwa 550 Gt CO2 bzw. 150 Gt Kohlenstoff. Die anthropogenen CO2-Emissionen werden wegen der globalen Entwaldung nur etwa zu 45 % von den natürlichen Kohlenstoffdioxidsenken aufgenommen, sodass sich das Kohlendioxid in der Atmosphäre akkumuliert. Die Verbrennung von Biomasse und daraus gewonnenen Kraftstoffen setzt unter Vernachlässigung des landwirtschaftlichen Energieverbrauchs in der Bilanz nur CO2-Mengen frei, die vorher photosynthetisch gebunden worden waren.
Allgemein ist in der Wissenschaft spätestens seit den 1990er Jahren anerkannt, dass es einen statistisch signifikanten anthropogenen Einfluss auf das Klima gibt und dass eine der Ursachen der Anstieg der Konzentration an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist. Dieser anfänglich noch mit größeren Unsicherheiten verbundene Verdacht hat sich im Laufe der Forschungen und nach heftiger Kontroverse um die globale Erwärmung immer mehr erhärtet und ist heute weitgehend wissenschaftlicher Konsens. Ohne Berücksichtigung der Treibhausgase sind die beobachteten Temperaturdaten nach Meinung der überwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler nicht zu erklären. Die Folgen der globalen Erwärmung sollen durch Klimaschutz gemindert werden.
Ökologische Bedeutung
Kohlenstoffdioxid ist der Rohstoff bei jeglicher Bildung von Biomasse in der Primärproduktion der Ökosysteme. Von pflanzlichen Organismen oder von photosynthesefähigen Bakterien wird CO2 unter Nutzung der Lichtenergie mit Wasser zu Kohlehydraten verbunden, in der Regel zu Glucose. Diese dient in weiteren Verlauf sowohl als Energieträger als auch als Baustoff für alle anderen biochemischen Substanzen.
Der Abbau von Biomasse durch Atmung ist, in Umkehrung zum Prozess der Photosynthese, wieder mit der Bildung von CO2 verbunden.
Alle Organismen eines Ökosystems sind andauernd mit Atmung beschäftigt, während die Photosynthese an die Verfügbarkeit von Licht in den Tagstunden gebunden ist. Deshalb kommt es zu einem Tageszyklus der Bilanz zwischen beiden Vorgängen, so dass in der Regel am Tag das CO2 verbraucht und in der Nacht freigesetzt wird. Ebenso unterliegt diese Bilanz zwischen CO2-Zehrung und CO2-Produktion auch einem jahreszeitlichen Rhythmus wegen der unterschiedlichen Lichtintensitäten und Tageslängen zwischen Sommer und Winter.
In Gewässern schwankt die CO2-Konzentration ebenfalls entsprechend den genannten Tages- und Jahreszeit-Rhythmen. CO2 ist aber mit den anderen gelösten Kohlensäure-Spezies zu einem Gleichgewichtssystem verknüpft, welches den im Wasser herrschenden pH-Wert wesentlich bestimmt. Von diesem pH-Wert hängen dann ihrerseits wieder die Gleichgewichtslagen der Dissoziationen von Ammonium/Ammoniak, Nitrit/Salpetrige Säure und Sulfid/Schwefelwasserstoff und vieler anderer Säure-Basen-Paare ab, die sich ihrerseits in Toxizitäten für die Organismen im Gewässer bemerkbar machen.
Ist in einem Gewässer der Vorrat an CO2 durch Photosynthese erschöpft, was sich durch einen pH-Wert nahe 8,3 bemerkbar macht, dann sind manche Arten von Algen und Wasserpflanzen befähigt, aus dem gelösten Hydrogencarbonat das benötigte CO2 zu gewinnen, wobei sie OH-Ionen abgeben müssen. Dadurch kann in besonders nährstoffreichen Gewässern (z.B. Karpfenteiche) der pH-Wert gefährlich hohe Werte (bis 12) erreichen, mit entsprechenden gesundheitlichen Folgen z.B. für die Fische (z.B. Kiemennekrose der Karpfen).
Im Jahr 2008 publizierten US Forscher die Ergebnisse einer mehrjährigen Untersuchung, wonach ein ungewöhnlich warmes Jahr bei Gräsern aus der Prärie von Oklahoma zu einer verminderten CO2-Aufnahme führt. Nach der Rückkehr von durchschnittlichen Temperaturen dauert es dann noch ein weiteres Jahr, bis sich die CO2-Aufnahme wieder normalisiert.
Quelle: Wikipedia