Kohlendioxid: Struktur und Eigenschaften
Bau, Bindung und physikalische Eigenschaften von Kohlendioxid sowie seine Rolle als Spurengas und Treibhausgas der Atmosphäre.
Das Wichtigste in Kürze
- Kohlendioxid \(\ce{CO2}\) ist ein lineares, symmetrisches Molekül \(\ce{O=C=O}\) mit sp-hybridisiertem Kohlenstoff der Oxidationszahl +4 und ohne ungepaarte Elektronen.
- Die Bindungsdipole heben sich auf: Das fehlende Dipolmoment belegt den linearen Bau, Siedepunkt, Farbe oder Löslichkeit tun das nicht.
- \(\ce{CO2}\) ist isoelektronisch und isoster mit \(\ce{N2O}\), \(\ce{NO2+}\) und \(\ce{N3-}\), während \(\ce{SiO2}\) ein Netzwerk aus eckenverknüpften \(\ce{SiO4}\)-Tetraedern bildet.
- Mit \(M = 44\) g/mol gegenüber 29 g/mol für Luft ist \(\ce{CO2}\) schwerer als Luft, sammelt sich am Boden und dient als Löschmittel.
- Trockeneis sublimiert bei 1013 hPa bei −78,5 °C, weil der Tripelpunkt (−56,6 °C, 5,2 bar) über Normaldruck liegt.
- Luft enthält etwa 0,035 Vol.-% \(\ce{CO2}\), das durch IR-Absorption zum Treibhauseffekt beiträgt, sauren Regen verursachen vor allem Schwefel- und Stickstoffoxide.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Kohlendioxid entsteht bei jeder vollständigen Verbrennung organischer Stoffe. Man kennt es aus Sprudel, Feuerlöschern und als Trockeneis. Sein linearer Bau erklärt viele seiner Eigenschaften, vom fehlenden Dipolmoment bis zur IR-Absorption. In der Pharmazie begegnet es als Kühlmittel, Löschmittel und Extraktionsmittel.
Molekülstruktur
Im Kohlendioxid bindet das zentrale Kohlenstoffatom zwei Sauerstoffatome über je eine Doppelbindung: \(\ce{O=C=O}\). Jeder Sauerstoff trägt zusätzlich zwei freie Elektronenpaare. Alle Elektronen sind gepaart, \(\ce{CO2}\) hat also keine ungepaarten Elektronen. Diese einfache Lewis-Formel beschreibt den Grundzustand gut. Deshalb lässt er sich mit der VB-Methode (Valenzbindungstheorie) behandeln.
Linearer Bau und sp-Hybridisierung
Am Kohlenstoff gibt es zwei Bindungsrichtungen und kein freies Elektronenpaar. Zwei Elektronenbereiche liegen sich bei 180° gegenüber. \(\ce{CO2}\) ist daher linear und symmetrisch gebaut. Das C-Atom ist sp-hybridisiert. Seine beiden sp-Hybridorbitale zeigen entlang der Molekülachse und bilden die zwei σ-Bindungen.
Die zwei übrigen p-Orbitale am Kohlenstoff stehen senkrecht zur Achse und senkrecht zueinander. Jedes überlappt mit einem p-Orbital eines Sauerstoffatoms. So entstehen zwei π-Bindungen in zueinander senkrechten Ebenen.
Die Sauerstoffatome beschreibt man als \(\mathrm{sp^2}\)-hybridisiert, denn neben der σ-Bindung tragen sie zwei freie Elektronenpaare. Im Molekül sind also nicht alle Atome gleich hybridisiert. Für die Oxidationszahl zählt jeder Sauerstoff −2. Der Kohlenstoff hat damit +4, die höchste Stufe der Gruppe 14.
Fehlendes Dipolmoment als Strukturbeleg
Die C=O-Bindung ist polar, weil Sauerstoff deutlich elektronegativer ist als Kohlenstoff. Jede Bindung trägt also einen Bindungsdipol. Im linearen Molekül zeigen beide Dipole gleich stark in entgegengesetzte Richtungen. Sie heben sich auf, \(\ce{CO2}\) hat kein Dipolmoment. Im gewinkelten Wassermolekül addieren sich die Bindungsdipole dagegen zu einem Gesamtdipol.
Daraus folgt ein Strukturargument. Wäre \(\ce{CO2}\) gewinkelt, müsste es ein Dipolmoment besitzen. Das gemessene Dipolmoment null belegt also den linearen Bau.
Wird im Examen gerne gefragt: \(\ce{CO2}\) ist linear, das C-Atom sp-hybridisiert mit Oxidationszahl +4. Achte darauf, dass nur das fehlende Dipolmoment die lineare Struktur belegt. Siedepunkt, Schmelzpunkt, Farblosigkeit oder Wasserlöslichkeit sagen über die Geometrie nichts aus.
Isoelektronische Teilchen
\(\ce{CO2}\) besitzt 22 Elektronen, davon 16 Valenzelektronen auf drei Atome verteilt. Dieselbe Elektronenzahl und denselben linearen Bau haben Distickstoffmonoxid \(\ce{N2O}\), das Nitronium-Ion \(\ce{NO2+}\) und das Azid-Ion \(\ce{N3-}\). Diese Teilchen sind isoelektronisch und isoster zu \(\ce{CO2}\). Ihre Chemie steht bei Lachgas, Salpetersäure und Nitronium-Ion und den Aziden.
Abgrenzung zu SiO₂
Siliciumdioxid hat dieselbe Formelart, aber einen völlig anderen Bau. Silicium bildet als Element der 3. Periode kaum stabile π-Bindungen zum Sauerstoff (siehe Doppelbindungsregel). Statt zweier Doppelbindungen knüpft es vier Einfachbindungen. So entstehen \(\ce{SiO4}\)-Tetraeder, die über gemeinsame Ecken ein dreidimensionales Netz bilden. \(\ce{CO2}\) ist ein kleines Molekül und bei Raumtemperatur gasförmig, \(\ce{SiO2}\) dagegen ein hochschmelzender Feststoff wie Quarz.
Physikalische Eigenschaften
\(\ce{CO2}\) ist bei Raumtemperatur ein farbloses, geruchloses und nicht brennbares Gas. Dass es nicht brennt, folgt direkt aus der Oxidationszahl. Mit +4 ist der Kohlenstoff bereits vollständig oxidiert.
Dichte im Vergleich zu Luft
Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleich viele Teilchen. Die Dichte eines Gases hängt deshalb nur von seiner molaren Masse ab:
\[\rho = \frac{M}{V_\mathrm{m}}\]
Dabei ist \(\rho\) die Dichte in g/L, \(M\) die molare Masse in g/mol und \(V_\mathrm{m}\) das molare Volumen. Es beträgt bei 25 °C und 1013 hPa rund 24,5 L/mol. Luft besteht zu 78 % aus \(\ce{N2}\), zu 21 % aus \(\ce{O2}\) und zu 1 % aus Argon. Ihre mittlere molare Masse liegt bei 29 g/mol. Diesen Vergleich über die molare Masse solltest du sicher können: Ein Gas mit \(M\) über 29 g/mol ist schwerer als Luft, eines darunter leichter.
- Molare Masse bestimmen: \(M(\ce{CO2}) = 12 + 2 \cdot 16 = 44\) g/mol.
- Mit Luft vergleichen: \(44 / 29 \approx 1{,}5\). \(\ce{CO2}\) ist also etwa anderthalbmal so dicht wie Luft.
- Dichte ausrechnen: \(\rho(\ce{CO2}) = 44 / 24{,}5 \approx 1{,}8\) g/L, für Luft ergibt sich \(29 / 24{,}5 \approx 1{,}18\) g/L.
| Gas | \(M\) in g/mol | im Vergleich zu Luft |
|---|---|---|
| Wasserstoff \(\ce{H2}\) | 2 | leichter |
| Methan \(\ce{CH4}\) | 16 | leichter |
| Ammoniak \(\ce{NH3}\) | 17 | leichter |
| Sauerstoff \(\ce{O2}\) | 32 | etwas schwerer |
| Kohlendioxid \(\ce{CO2}\) | 44 | deutlich schwerer |
Weil es schwerer ist, sammelt sich \(\ce{CO2}\) in geschlossenen Räumen am Boden. Es fließt wie eine unsichtbare Flüssigkeit in Gärkeller, Brunnenschächte und Silos.
\(\ce{CO2}\) ist unsichtbar und riecht nicht. In schlecht belüfteten Kellern kann es sich unbemerkt anreichern und verdrängt den Sauerstoff aus der Atemluft.
Löschmittel
Dichte und Unbrennbarkeit machen \(\ce{CO2}\) zum Löschmittel. Aus dem Feuerlöscher sinkt es über den Brandherd und verdrängt den Sauerstoff aus der Flamme. Es hinterlässt keine Rückstände und eignet sich deshalb für Elektrogeräte und Labore. Brennende Metalle wie Magnesium löscht es dagegen nicht, denn sie reduzieren \(\ce{CO2}\):
\[\ce{2 Mg + CO2 -> 2 MgO + C}\]
Trockeneis und Sublimation
Festes \(\ce{CO2}\) heißt Trockeneis. Das Phasendiagramm erklärt den Namen. Der Tripelpunkt liegt bei −56,6 °C und 5,2 bar, also über dem Normaldruck. Bei 1013 hPa geht festes \(\ce{CO2}\) deshalb bei −78,5 °C direkt in das Gas über. Unterhalb dieser Temperatur liegt es als Feststoff vor. Flüssiges \(\ce{CO2}\) gibt es nur unter Druck, etwa in Gasflaschen.
Liegt der Druck am Tripelpunkt eines Stoffes über 1 bar, durchläuft er bei Normaldruck keine flüssige Phase. Er sublimiert.
Der kritische Punkt ist ein anderer Punkt des Diagramms: 31,0 °C und 73,8 bar. Oberhalb davon lassen sich Gas und Flüssigkeit nicht mehr unterscheiden. Dieses überkritische \(\ce{CO2}\) dient zur schonenden Extraktion von Pflanzeninhaltsstoffen und zum Entkoffeinieren von Kaffee.
CO₂ in der Atmosphäre
Trockene Luft enthält nur etwa 0,035 Vol.-% \(\ce{CO2}\). Das ist der übliche Lehrbuchwert und entspricht 350 ppm. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe liegt er heute bei gut 0,04 %. Die rund 21 % in der Luft gehören zum Sauerstoff, der Hauptbestandteil ist Stickstoff mit 78 %.
Wegen dieses geringen Anteils gewinnt man \(\ce{CO2}\) technisch nicht aus Luft. Es fällt als Nebenprodukt an, etwa beim Kalkbrennen, bei Gärungen und bei Verbrennungen.
Treibhauseffekt
Die Erdoberfläche gibt aufgenommene Sonnenenergie als Infrarotstrahlung wieder ab. \(\ce{CO2}\) absorbiert einen Teil dieser IR-Strahlung und strahlt sie in alle Richtungen wieder aus, zum Teil zurück zur Erde. Die untere Atmosphäre erwärmt sich. \(\ce{CO2}\) ist deshalb ein Treibhausgas.
Das fehlende Dipolmoment steht dazu nicht im Widerspruch. Für die IR-Absorption muss sich das Dipolmoment während einer Schwingung ändern, ein Dauerdipol ist nicht nötig. Bei der asymmetrischen Streckschwingung und der Biegeschwingung entsteht kurzzeitig ein Dipol. Nur die symmetrische Streckschwingung bleibt IR-inaktiv.
Abgrenzung zum sauren Regen
Ein kleiner Teil des \(\ce{CO2}\) löst sich im Regenwasser und bildet Kohlensäure. Auch sauberer Regen hat deshalb einen pH-Wert um 5,6. Sauren Regen verursachen dagegen vor allem starke Säuren. Sie entstehen aus Schwefeldioxid als Schwefelsäure und aus Stickstoffoxiden als Salpetersäure. Die schwache Kohlensäure trägt dazu nur wenig bei.
Quiz
Aussage 1
Ammoniak mit einer molaren Masse von 17 g/mol ist leichter als Luft.
Die mittlere molare Masse der Luft beträgt etwa 29 g/mol. Gase mit kleinerer molarer Masse haben eine geringere Dichte.
Aussage 2
Bei Normaldruck geht festes \(\ce{CO2}\) bei etwa −78,5 °C direkt in den Gaszustand über.
Der Tripelpunkt liegt bei 5,2 bar und damit über Normaldruck. Bei 1013 hPa gibt es keine flüssige Phase, Trockeneis sublimiert.
Aussage 3
Siliciumdioxid besteht wie Kohlendioxid aus einzelnen linearen Molekülen mit zwei Doppelbindungen.
Silicium bildet kaum stabile π-Bindungen zum Sauerstoff. \(\ce{SiO2}\) ist ein dreidimensionales Netz aus eckenverknüpften \(\ce{SiO4}\)-Tetraedern.
Aussage 4
Dass \(\ce{CO2}\) kein Dipolmoment besitzt, ist ein Beleg für seinen linearen Bau.
Die beiden polaren C=O-Bindungen heben sich nur in der linearen Anordnung vollständig auf. Ein gewinkeltes Molekül hätte ein Dipolmoment.
Aussage 5
Saurer Regen verdankt seinen niedrigen pH-Wert hauptsächlich der Kohlensäure aus gelöstem \(\ce{CO2}\).
Gelöstes \(\ce{CO2}\) senkt den pH-Wert von Regen nur auf etwa 5,6. Sauren Regen verursachen vor allem Schwefelsäure und Salpetersäure aus Schwefel- und Stickstoffoxiden.
Aussage 6
Das Kohlenstoffatom im \(\ce{CO2}\)-Molekül ist \(\mathrm{sp^2}\)-hybridisiert.
Der Kohlenstoff hat nur zwei Bindungsrichtungen und kein freies Elektronenpaar. Er ist sp-hybridisiert, als \(\mathrm{sp^2}\) beschreibt man die Sauerstoffatome.
Aussage 7
Das Azid-Ion \(\ce{N3-}\) ist isoelektronisch mit Kohlendioxid.
Beide Teilchen haben 22 Elektronen, davon 16 Valenzelektronen, und sind linear gebaut.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.