Chemie · Verstehen und üben

Kohlenstoffkreislauf und CO₂ im Wasser

Verbinde den Kohlenstoffkreislauf mit Molekülstrukturen, Säure-Base-Gleichgewichten und der Chemie des Kalks.

CO₂ ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻

Zusammenhang der Formen · keine vollständige Reaktionsgleichung

Ein Element – verschiedene chemische Formen

Im Kohlenstoffkreislauf werden C-Atome zwischen Luft, Lebewesen, Gewässern und Gesteinen ausgetauscht. Sie verschwinden dabei nicht, sondern werden in andere Verbindungen eingebaut. In der Luft ist CO₂ wichtig, in Biomasse zum Beispiel Kohlenhydrate, im Wasser zusätzlich Hydrogencarbonat und Carbonat.

Vier Speicher und ihre Verbindungen

Atmosphäre · CO₂

Verbrennung und Zellatmung setzen CO₂ frei. Fotosynthese und Aufnahme in Gewässer entziehen es der Luft.

Lebewesen und Böden · organischer C

Fotosynthese bindet Kohlenstoff in organischen Stoffen. Atmung und Zersetzung führen ihn unter anderem als CO₂ zurück.

Gewässer · gelöste C-Verbindungen

CO₂ wird aufgenommen oder abgegeben. Säure-Base-Gleichgewichte verbinden gelöstes CO₂, HCO₃⁻ und CO₃²⁻.

Gesteine und fossile Vorräte

Carbonate speichern Kohlenstoff langfristig. Verwitterung, Sedimentbildung und geologische Prozesse tauschen ihn aus. Fossile Brennstoffe gehören zu einem anderen, organischen Speicher.

Fotosynthese, vereinfachte Bilanz: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Licht liefert die Energie. Bei der vollständigen aeroben Zellatmung gilt die umgekehrte Stoffbilanz; die biologischen Reaktionswege sind jedoch verschieden.

Verbrennung: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Durch die Nutzung fossiler Brennstoffe wird langfristig gespeicherter Kohlenstoff rasch in den aktiven Kreislauf überführt. Ein Kreislauf bedeutet nicht, dass die Menge in jedem Speicher immer gleich bleibt.

Struktur-Werkstatt: Was wird aus CO₂ im Wasser?

Vergleiche Bindungen, OH-Gruppen und Ladungen.

CO₂ ist ein lineares Molekül. Beim Lösen bleibt ein großer Teil als CO₂(aq) erhalten; nur ein kleiner Teil reagiert mit Wasser zu H₂CO₃.

Die Carbonat-Strukturen zeigen jeweils eine vereinfachte Lewis-Grenzstruktur. Bindungen und negative Ladung sind durch Mesomerie verteilt; die Zeichnung zeigt keine fest lokalisierte Ladung.

Lösen, Reagieren und Protonen abgeben

CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)

Zuerst verteilt sich CO₂ zwischen Gasphase und Wasser. Ein höherer CO₂-Partialdruck begünstigt bei gleicher Temperatur die Aufnahme.

CO₂(aq) + H₂O ⇌ H₂CO₃

Nur ein kleiner Teil des physikalisch gelösten CO₂ liegt als echte Kohlensäure H₂CO₃ vor. Die beiden Bezeichnungen sind chemisch nicht gleichbedeutend.

H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H₃O⁺

HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺

Bei den Protonenübertragungen entstehen Oxonium-Ionen. Deshalb kann die Aufnahme von CO₂ den pH senken. Wie stark er sinkt, hängt unter anderem von der Pufferung des Wassers ab.

pH-Labor: Welche Form überwiegt?

CO₂* fasst hier CO₂(aq) und H₂CO₃ zusammen. Verändere den vorgegebenen pH und vergleiche die relativen Anteile am gelösten anorganischen Kohlenstoff.

Vorgegebener pH-Wert: 8

Vereinfachtes Konzentrationsmodell für verdünntes Süßwasser bei 25 °C: pKₛ₁* ≈ 6,35 und pKₛ₂ ≈ 10,33. Der erste Wert gilt für die zusammengefasste CO₂*-Menge, nicht für isolierte H₂CO₃. Für Meerwasser gelten andere bedingte Konstanten. Der Regler berechnet weder den pH aus einer CO₂-Zugabe noch eine Klimaprognose.

CO₂ und Kalk: ein gekoppeltes Gleichgewicht

CaCO₃(s) + CO₂(aq) + H₂O ⇌ Ca²⁺(aq) + 2 HCO₃⁻(aq)

CO₂-haltiges Wasser kann Kalk lösen. Die Reaktionsgleichung erklärt zum Beispiel die Aufnahme von Calcium in Grundwasser. Entweicht CO₂, kann das Gleichgewicht in die Gegenrichtung verschoben werden und Calciumcarbonat ausfallen – sofern die Lösung entsprechend übersättigt ist.

CO₃²⁻ + H₃O⁺ ⇌ HCO₃⁻ + H₂O

Eine pH-Abnahme verschiebt das Carbonatsystem zu stärker protonierten Formen. Bei CO₂-Aufnahme in Meerwasser sinkt typischerweise die Carbonat-Konzentration. Das erschwert die Bildung beziehungsweise Erhaltung von Kalkstrukturen; die Sättigung ist dabei entscheidend.

„Versauerung“ bedeutet pH-Abnahme. Wasser kann dabei weiterhin basisch sein, etwa beim Übergang von pH 8,2 auf 8,1. Das Süßwassermodell oben liefert keine quantitativen Meerwasserwerte.

Beispiel: Schon 0,1 pH-Einheit verändert die H₃O⁺-Aktivität

Verhältnis nachher / vorher = 10^(8,2 − 8,1) = 10^0,1 ≈ 1,26

Die Oxonium-Aktivität ist nach dieser pH-Abnahme etwa 26 % höher. In verdünnten Lösungen kann die Aktivität näherungsweise über die Konzentration beschrieben werden. Ein Rückgang um eine ganze pH-Einheit entspricht dem Faktor 10.

Aktivität: die wirksame Konzentration

Für den Unterricht: Kohlenstoff verfolgen

Einstieg: C-Atome in CO₂, Biomasse und Kalk identifizieren.
Partnerarbeit: Strukturformen vergleichen und die pH-Verteilung vorhersagen.
Sicherung: Kalkgleichgewicht und pH-Abnahme mit Reaktionsgleichungen begründen.