Kohlensäure, Carbonate und Hydrogencarbonate
Wie sich Kohlenstoffdioxid in Wasser verhält, warum Kohlensäure schwach und nicht isolierbar ist und wie Carbonat, Hydrogencarbonat und Ammoniumcarbonate gebaut sind und reagieren.
Das Wichtigste in Kürze
- Kohlenstoffdioxid ist das Anhydrid der Kohlensäure \(\ce{H2CO3}\), deren Salze die Hydrogencarbonate und Carbonate sind.
- \(\ce{CO2}\) liegt in Wasser überwiegend physikalisch gelöst vor, nur etwa 0,2 % bilden Kohlensäure; die Lösung ist schwach sauer (pH 4–5).
- Kohlensäure ist nicht isolierbar und schwach (\(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1} = 6{,}35\), \(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}2} = 10{,}33\)); bei pH 7,4 überwiegt Hydrogencarbonat.
- \(\ce{CO3^2-}\) ist trigonal-planar mit drei gleich langen C–O-Bindungen und isoelektronisch mit \(\ce{NO3-}\); \(\ce{HCO3-}\) ist isoelektronisch mit \(\ce{HNO3}\).
- Soda \(\ce{Na2CO3}\) reagiert basisch; der Ampholyt \(\ce{HCO3-}\) ergibt \(\mathrm{pH} = \tfrac{1}{2}(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1} + \mathrm{p}K_{\mathrm{S}2}) \approx 8{,}3\).
- Hirschhornsalz zerfällt beim Backen in \(\ce{NH3}\), \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\); Ammoniumcarbonat geht unter Wasserabspaltung in Carbamat und dann Harnstoff über.
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Worum es geht
Kohlenstoffdioxid, Kohlensäure, Hydrogencarbonat und Carbonat bilden ein zusammenhängendes Säure-Base-System. Es bestimmt, wie Sprudelwasser, Sodalösung oder Natron reagieren. Im Körper trägt Hydrogencarbonat den Hauptteil des Kohlendioxidtransports im Blut.
CO₂ in Wasser
Kohlenstoffdioxid ist das Anhydrid der Kohlensäure. Formal entsteht es aus \(\ce{H2CO3}\) durch Abspaltung von Wasser. Das Prinzip kennst du von den Säureanhydriden der Stickstoffoxide. Umgekehrt reagiert \(\ce{CO2}\) aus der Luft mit Wasser zu Kohlensäure. Kohlenstoff behält dabei die Oxidationszahl +4, denn es werden keine Elektronen übertragen.
\[\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}\]
Physikalisch gelöst statt Säure
Dieses Gleichgewicht liegt weit links. Gelöstes \(\ce{CO2}\) bleibt überwiegend physikalisch gelöst. Es liegt also als hydratisiertes Molekül vor, ohne neue Bindung zum Wasser. Nur etwa 0,2 % reagieren tatsächlich zu \(\ce{H2CO3}\). Die Umsetzung ist also nicht quantitativ. Was man im Sprudel „Kohlensäure“ nennt, ist fast vollständig gelöstes Gas.
Säurestärke und Isolierbarkeit
Die wenige gebildete Kohlensäure gibt ihre Protonen in zwei Stufen ab:
\[\ce{H2CO3 + H2O <=> HCO3- + H3O+}\]
\[\ce{HCO3- + H2O <=> CO3^2- + H3O+}\]
Bezogen auf das gesamte gelöste \(\ce{CO2}\) ergibt sich ein scheinbarer \(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1}\) von 6,35. Die zweite Stufe hat \(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}2} = 10{,}33\). Kohlensäure ist damit eine schwache Säure. Starke Säuren haben dagegen \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\)-Werte unter 0. Das Molekül \(\ce{H2CO3}\) selbst wäre mit \(\mathrm{p}K_\mathrm{S} \approx 3{,}6\) zwar stärker. Es liegt aber kaum vor, und das drückt die Wirkung des ganzen Systems.
Eine gesättigte \(\ce{CO2}\)-Lösung reagiert deshalb nur schwach sauer, mit einem pH-Wert um 4 bis 5. Freie Kohlensäure lässt sich nicht aus wässriger Lösung isolieren. Beim Einengen oder Erwärmen verschiebt sich das Gleichgewicht nach links, und \(\ce{CO2}\) entweicht. Fassbar sind nur ihre Salze, die Carbonate und Hydrogencarbonate.
Spezies bei physiologischem pH
Welche Spezies überwiegt, hängt vom pH ab. Bei \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_\mathrm{S}\) liegen Säure und konjugierte Base je zur Hälfte vor. Darunter überwiegt die protonierte, darüber die deprotonierte Form.
| pH-Bereich | überwiegende Spezies |
|---|---|
| unter 6,35 | gelöstes \(\ce{CO2}\) (mit wenig \(\ce{H2CO3}\)) |
| 6,35 bis 10,33 | Hydrogencarbonat \(\ce{HCO3-}\) |
| über 10,33 | Carbonat \(\ce{CO3^2-}\) |
Bei physiologischem pH 7,4 liegt das System also überwiegend als Hydrogencarbonat vor. Auf ein gelöstes \(\ce{CO2}\) kommen rund elf \(\ce{HCO3-}\). Carbonat macht nur etwa 0,1 % aus. Wie dieses Paar im Blut puffert, erklären die Puffersysteme.
Examensklassiker: \(\ce{CO2}\) liegt in Wasser überwiegend physikalisch gelöst vor, nur ein kleiner Anteil bildet Kohlensäure. Achte auf die Folgen: Die Lösung ist nur schwach sauer (pH 4–5), Kohlensäure ist nicht isolierbar, und bei pH 7,4 dominiert Hydrogencarbonat statt Carbonat.
Carbonat und Hydrogencarbonat
Im Carbonat-Ion \(\ce{CO3^2-}\) ist der Kohlenstoff sp²-hybridisiert und von drei Sauerstoffatomen umgeben. Das Ion ist trigonal-planar mit Bindungswinkeln von 120° und damit nicht tetraedrisch. Man kann drei gleichwertige Grenzformeln zeichnen, in denen die Doppelbindung wandert. Real sind die π-Elektronen über alle drei Bindungen verteilt.
Deshalb sind alle C–O-Bindungen gleich lang. Jede hat die Bindungsordnung 4/3, und jeder Sauerstoff trägt die Teilladung −2/3. Man kann sich das wie ein Dreieck vorstellen, auf dessen Ecken die Ladung gleichmäßig verschmiert ist.
Isoelektronische Teilchen
Genauso gebaut ist das Nitrat-Ion. \(\ce{CO3^2-}\) und \(\ce{NO3-}\) sind isoelektronisch. Beide haben 32 Elektronen, davon 24 Valenzelektronen. Stickstoff bringt ein Elektron mehr mit als Kohlenstoff, dafür trägt das Ion eine negative Ladung weniger. Nach derselben Logik ist \(\ce{HCO3-}\) isoelektronisch mit Salpetersäure \(\ce{HNO3}\). Struktur und Isoelektronie des Carbonats werden im Examen gerne gefragt: trigonal-planar, drei gleich lange Bindungen, isoelektronisch mit Nitrat.
Basische Reaktion von Soda
Als Anion einer schwachen Säure ist Carbonat eine Brønsted-Base. In Wasser nimmt es ein Proton auf:
\[\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-}\]
Eine Lösung von Soda \(\ce{Na2CO3}\) reagiert deshalb deutlich basisch. Eine Lösung mit 0,1 mol/L liegt etwa bei pH 11,7. Sie enthält neben Carbonat stets auch Hydrogencarbonat. Das gilt auch für den Sodaauszug der qualitativen Analyse. Weitere Trivialnamen findest du bei den Alkalisalzen.
Soda ist Natriumcarbonat \(\ce{Na2CO3}\). Natriumhydrogencarbonat \(\ce{NaHCO3}\) heißt Natron oder Speisenatron und ist ein anderer Stoff.
Hydrogencarbonat als Ampholyt
Das Teilchen zwischen beiden Protolysestufen verdient einen eigenen Blick.
Das Anion \(\ce{HCO3-}\) ist die zu Carbonat konjugierte Säure und die zu Kohlensäure konjugierte Base. Es kann ein Proton abgeben oder aufnehmen und ist damit ein Ampholyt.
Als Säure liefert es Carbonat, als Base Kohlensäure:
\[\ce{HCO3- + H2O <=> CO3^2- + H3O+}\]
\[\ce{HCO3- + H2O <=> H2CO3 + OH-}\]
Für eine reine Ampholytlösung gilt näherungsweise, unabhängig von der Konzentration:
\[\mathrm{pH} = \tfrac{1}{2}\left(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1} + \mathrm{p}K_{\mathrm{S}2}\right)\]
\(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1}\) und \(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}2}\) sind die beiden Säureexponenten der Kohlensäure.
Mit 6,35 und 10,33 ergibt sich pH 8,34. Natronlösung ist also nur schwach basisch. Die Herleitung steht bei den Ampholyten.
Ammoniumcarbonate
Ammoniumsalze der Kohlensäure zerfallen schon bei milder Wärme. Hirschhornsalz besteht im Wesentlichen aus Ammoniumhydrogencarbonat. Es dient als Backtriebmittel, etwa für Lebkuchen. Beim Backen zerfällt es vollständig in gasförmige Produkte:
\[\ce{NH4HCO3 -> NH3 ^ + CO2 ^ + H2O}\]
Die Gase lockern den Teig, und es bleibt kein Rückstand. Aus flachem Gebäck entweicht der Ammoniak gut, deshalb verwendet man es vor allem dort.
Ammoniumcarbonat kann außerdem schrittweise Wasser abspalten. Zuerst entsteht Ammoniumcarbamat, das Salz der Carbamidsäure \(\ce{H2N-COOH}\). Eine zweite Wasserabspaltung liefert Harnstoff.
\[\ce{(NH4)2CO3 -> H2NCOONH4 + H2O}\]
\[\ce{H2NCOONH4 -> H2NCONH2 + H2O}\]
Über diesen Weg wird Harnstoff technisch aus \(\ce{NH3}\) und \(\ce{CO2}\) gewonnen. Mehr dazu steht bei den Kohlensäurederivaten.
Quiz
Aussage 1
Eine gesättigte wässrige \(\ce{CO2}\)-Lösung reagiert schwach sauer mit einem pH-Wert um 4 bis 5.
Weil nur wenig Kohlensäure entsteht und diese schwach ist, sinkt der pH nur auf etwa 4 bis 5.
Aussage 2
Hirschhornsalz lockert Teig, weil Ammoniumhydrogencarbonat beim Erhitzen in \(\ce{NH3}\), \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\) zerfällt.
Alle Zerfallsprodukte sind bei Backtemperatur gasförmig und hinterlassen keinen Rückstand.
Aussage 3
Natriumhydrogencarbonat ist unter dem Trivialnamen Soda bekannt.
Soda ist Natriumcarbonat \(\ce{Na2CO3}\); \(\ce{NaHCO3}\) heißt Natron oder Speisenatron.
Aussage 4
Im Blut bei pH 7,4 ist Carbonat die überwiegende Spezies des Kohlensäuresystems.
pH 7,4 liegt zwischen 6,35 und 10,33, also überwiegt Hydrogencarbonat; Carbonat macht nur etwa 0,1 % aus.
Aussage 5
Die drei C–O-Bindungen im Carbonat-Ion sind wegen der Delokalisierung der π-Elektronen gleich lang.
Die drei Grenzformeln sind gleichwertig; real hat jede Bindung die Bindungsordnung 4/3.
Aussage 6
Das Hydrogencarbonat-Ion \(\ce{HCO3-}\) und Salpetersäure \(\ce{HNO3}\) sind isoelektronisch.
Stickstoff hat ein Elektron mehr als Kohlenstoff, dafür fehlt die negative Ladung; beide Teilchen haben gleich viele Elektronen.
Aussage 7
Leitet man \(\ce{CO2}\) in Wasser ein, liegt es danach überwiegend als \(\ce{H2CO3}\) vor.
Das Gleichgewicht liegt weit links: \(\ce{CO2}\) bleibt überwiegend physikalisch gelöst, nur etwa 0,2 % reagieren zu Kohlensäure.
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