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Alkanole, Carbonylverbindungen und Carbonsäuren: Oxidation, Nachweise, Eigenschaften und Bewertung · Estersynthese und Kreisläufe

Natürlicher Stoffkreislauf und Gleichgewicht

Sie öffnen eine Flasche Sprudel: Es zischt, und Gasblasen steigen auf. Nach einer Stunde im Glas schmeckt das Wasser „flach“. Dasselbe Wasser bildet in der Nordsee einen riesigen CO₂-Speicher und lässt in der Eifel Tropfsteine wachsen. Welche Gleichgewichte stecken dahinter, und was passiert, wenn der Mensch eingreift? Am Ende dieses Abschnitts beantworten Sie diese Frage.

Kohlenstoffdioxid in Wasser

Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser nur teilweise. Ein Teil bleibt als gelöstes $\mathrm{CO_2(aq)}$ im Wasser, ein kleiner Teil reagiert zu Kohlensäure, und diese gibt Protonen ab. Alle Schritte sind umkehrbar:

$$\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$$ $$\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$$

Zusammengefasst gilt: $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$. Die Oxonium-Ionen ($\mathrm{H_3O^+}$, vereinfacht $\mathrm{H^+}$) machen das Wasser leicht sauer. Das Gleichgewicht liegt aber weit auf der linken Seite, deshalb ist Sprudel nur schwach sauer (pH etwa 4 bis 5).

Warum zischt es beim Öffnen? In der verschlossenen Flasche steht das Wasser unter erhöhtem $\mathrm{CO_2}$-Druck. Öffnen Sie sie, sinkt der Druck. Nach dem Prinzip von Le Chatelier weicht das System aus: $\mathrm{CO_2(aq)}$ geht in die Gasphase über und entweicht. Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links, und der pH-Wert steigt wieder etwas.

Der Zusammenhang ist auch in der Natur wichtig: Die Löslichkeit von Gasen sinkt mit steigender Temperatur. Warmer Sprudel verliert sein $\mathrm{CO_2}$ schneller als kalter.

Üben★☆☆
Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser teilweise unter Bildung von Kohlensäure. a) Fassen Sie die Gleichgewichte $\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$ und…

Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser teilweise unter Bildung von Kohlensäure.

  1. a) Fassen Sie die Gleichgewichte $\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$ und $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$ zu einer Gesamtgleichung zusammen.
  2. b) Erklären Sie, warum Mineralwasser mit Kohlensäure leicht sauer reagiert.
  3. c) Nennen Sie, was beim Öffnen einer Mineralwasserflasche mit dem gelösten $\mathrm{CO_2}$ geschieht.
Lösen

Der Kohlenstoffkreislauf als Fließgleichgewicht

Kohlenstoff wandert ständig zwischen Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Gesteinen. Solche Abfolgen von Reaktionen nennt man Stoffkreislauf. Darin sind Gleichgewichtsreaktionen eingebaut, zum Beispiel das Lösen von $\mathrm{CO_2}$ im Wasser.

Vereinfachter Kohlenstoffkreislauf: Atmosphäre, Biosphäre, Ozean und Gesteine mit den Austauschprozessen Atmosphäre: CO₂ Biosphäre Ozean Kalk, Kohle, Öl Biosphäre: Photosynthese ↓, Zellatmung und Verbrennung ↑ Gesteine: Verwitterung, Ablagerung ↓, fossile Brennstoffe ↑ Ozean: Lösen ↓ und Ausgasen ↑ von CO₂ im Meer (↓ = Aufnahme, ↑ = Abgabe von CO₂)

Die zwei wichtigsten biologischen Prozesse sind Gegenspieler:

  • Photosynthese: $\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$

  • Zellatmung: $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$

Weitere Quellen für $\mathrm{CO_2}$ sind Vulkane, Verwesung und Verbrennung. Weitere Senken sind das Lösen im Meer und die Bildung von Kalkstein.

In einem Fließgleichgewicht bleiben die Größen (hier der $\mathrm{CO_2}$-Gehalt der Atmosphäre) etwa konstant, weil zufließende und abfließende Mengen gleich groß sind. Das System ist offen und tauscht ständig Stoffe aus. Beim Verbrennen fossiler Brennstoffe gelangt zusätzlich Kohlenstoff aus langfristigen Speichern (Kohle, Erdöl, Erdgas) in die Atmosphäre. Der Zufluss übersteigt den Abfluss, das Fließgleichgewicht wird gestört. Kurzfristige Speicher sind Biosphäre und Oberflächenwasser, langfristige sind Gesteine und Lagerstätten.

Üben★☆☆
Der Kohlenstoffkreislauf verbindet Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre. a) Nennen Sie je zwei Prozesse, die $\mathrm{CO_2}$ in die Atmosphäre freisetzen bzw.…

Der Kohlenstoffkreislauf verbindet Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre.

  1. a) Nennen Sie je zwei Prozesse, die $\mathrm{CO_2}$ in die Atmosphäre freisetzen bzw. entnehmen.
  2. b) Formulieren Sie die Gesamtgleichung der Photosynthese.
  3. c) Nennen Sie die Gesamtgleichung der Zellatmung für Glucose.
Lösen
Üben★★☆
Eine Tonne Benzin (vereinfacht als reines Octan betrachtet) wird verbrannt; es gilt $\mathrm{C_8H_{18} + 12{,}5\,O_2 \rightarrow 8\,CO_2 + 9\,H_2O}$…

Eine Tonne Benzin (vereinfacht als reines Octan betrachtet) wird verbrannt; es gilt $\mathrm{C_8H_{18} + 12{,}5\,O_2 \rightarrow 8\,CO_2 + 9\,H_2O}$ ($M(\mathrm{C_8H_{18}}) = 114{,}2\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$, $M(\mathrm{CO_2}) = 44{,}01\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$).

  1. a) Berechnen Sie die Masse $\mathrm{CO_2}$, die bei der Verbrennung von $1{,}00\,\mathrm{t}$ Octan freigesetzt wird.
  2. b) Ein Buchenwald in Nordrhein-Westfalen bindet etwa $10\,\mathrm{t}$ $\mathrm{CO_2}$ pro Hektar und Jahr. Berechnen Sie die Waldfläche in Hektar, die für die Bindung des $\mathrm{CO_2}$ aus a) in einem Jahr nötig wäre.
Lösen
Üben★★☆
Der Kohlenstoffkreislauf wird durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe gestört. a) Erklären Sie, warum der Vorgang als Eingriff in ein Fließgleichgewicht beschrieben…

Der Kohlenstoffkreislauf wird durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe gestört.

  1. a) Erklären Sie, warum der Vorgang als Eingriff in ein Fließgleichgewicht beschrieben werden kann.
  2. b) Unterscheiden Sie kurzfristige (Biosphäre) und langfristige (Gesteine, fossile Lagerstätten) Kohlenstoffspeicher.
  3. c) Beurteilen Sie, ob die Verbrennung von Holz klimaneutral sein kann, und geben Sie Bedingungen an.
Lösen

Der Ozean als CO₂-Speicher

Der Ozean (auch die Nordsee) nimmt etwa ein Viertel des vom Menschen freigesetzten $\mathrm{CO_2}$ auf. Das $\mathrm{CO_2}$ löst sich und reagiert weiter:

$$\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)} \qquad \mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$$

Steigt der $\mathrm{CO_2}$-Partialdruck in der Atmosphäre, löst sich mehr $\mathrm{CO_2}$ im Wasser (Le Chatelier: Druckerhöhung begünstigt die Lösung des Gases). Dadurch steigt $c(\mathrm{CO_2(aq)})$, und das zweite Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts. Es entstehen mehr $\mathrm{H^+}$-Ionen, der pH-Wert sinkt: Das ist die Ozeanversauerung.

Die Folgen betreffen Organismen mit Kalkschalen, etwa Muscheln, Schnecken oder Korallen. Ihre Schalen bestehen aus $\mathrm{CaCO_3}$. Die zusätzlichen $\mathrm{H^+}$-Ionen verschieben das Gleichgewicht $\mathrm{CaCO_3 + H^+ \rightleftharpoons Ca^{2+} + HCO_3^-}$ nach rechts. Schalen lösen sich leichter auf und lassen sich schwerer aufbauen.

Üben★★☆
Der Ozean nimmt einen Teil des anthropogenen $\mathrm{CO_2}$ auf. Das Gleichgewicht lautet $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$. a) Erklären Sie…

Der Ozean nimmt einen Teil des anthropogenen $\mathrm{CO_2}$ auf. Das Gleichgewicht lautet $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$.

  1. a) Erklären Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, wie ein steigender $\mathrm{CO_2}$-Partialdruck in der Atmosphäre den pH-Wert des Meerwassers beeinflusst.
  2. b) Schildern Sie die möglichen Folgen für Organismen mit Kalkschalen ($\mathrm{CaCO_3}$) mithilfe des Gleichgewichts $\mathrm{CaCO_3 + H^+ \rightleftharpoons Ca^{2+} + HCO_3^-}$.
  3. c) Nennen Sie einen Eingriff des Menschen, der diesen Kreislauf beeinflusst.
Lösen
Üben★★★
In einer Aquarienanlage wird $\mathrm{CO_2}$ eingeleitet, um Wasserpflanzen zu düngen. Der pH-Wert sinkt von $8{,}0$ auf $6{,}8$. a) Erklären Sie die pH-Änderung mit den…

In einer Aquarienanlage wird $\mathrm{CO_2}$ eingeleitet, um Wasserpflanzen zu düngen. Der pH-Wert sinkt von $8{,}0$ auf $6{,}8$.

  1. a) Erklären Sie die pH-Änderung mit den Gleichgewichten der Kohlensäure.
  2. b) Berechnen Sie das Verhältnis der Oxonium-Ionen-Konzentrationen nach und vor der Einleitung.
  3. c) Beurteilen Sie, warum karbonathaltiges Wasser (hohe Karbonathärte) den pH-Wert stabilisiert (Puffer-Prinzip, qualitativ).
Lösen

Puffer (qualitativ)

Wasser mit viel Hydrogencarbonat ($\mathrm{HCO_3^-}$) hält seinen pH-Wert recht stabil. Kommen $\mathrm{H^+}$-Ionen hinzu, reagieren sie mit $\mathrm{HCO_3^-}$ zu $\mathrm{CO_2}$ und Wasser, das Gleichgewicht weicht nach links aus. Kommt Base hinzu, liefert die Kohlensäure Protonen nach. Ein solches System nennt man Puffer.

Kalk, Hartes Wasser und Tropfsteine

Regenwasser enthält gelöstes $\mathrm{CO_2}$ und ist daher schwach sauer. Wenn es durch Kalkstein sickert, löst es diesen auf:

$$\mathrm{CaCO_3(s) + CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons Ca^{2+}(aq) + 2\,HCO_3^-(aq)}$$

Es entsteht gelöstes Calciumhydrogencarbonat. So wurden in der Eifel und im Sauerland Höhlen im Kalkgestein ausgespült. Wasser mit viel $\mathrm{Ca^{2+}}$ und $\mathrm{HCO_3^-}$ nennt man hartes Wasser.

Gelangt das Wasser in eine Höhle, gibt es $\mathrm{CO_2}$ an die Luft ab. Betrachten wir die Rückreaktion:

$$\mathrm{Ca^{2+} + 2\,HCO_3^- \rightleftharpoons CaCO_3(s) + CO_2 + H_2O}$$

Entweicht $\mathrm{CO_2}$, wird ein Produkt entfernt. Nach Le Chatelier verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts, und $\mathrm{CaCO_3}$ fällt aus. Aus den Tropfen wachsen über Jahrtausende Stalaktiten und Stalagmiten. Entweicht das $\mathrm{CO_2}$ ungehindert, spricht man von einem offenen System. In einem geschlossenen System bliebe das $\mathrm{CO_2}$ im Raum, und das Gleichgewicht würde sich einstellen, ohne dass Kalk fortlaufend ausfällt.

Dasselbe passiert im Boiler oder Wasserkocher. Beim Erhitzen sinkt die Löslichkeit von $\mathrm{CO_2}$, es entweicht, und Kalk lagert sich als Kesselstein ab.

Üben★☆☆
Kalkstein ($\mathrm{CaCO_3}$) löst sich in kohlensäurehaltigem Wasser. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung von Calciumhydrogencarbonat. b) Nennen…

Kalkstein ($\mathrm{CaCO_3}$) löst sich in kohlensäurehaltigem Wasser.

  1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung von Calciumhydrogencarbonat.
  2. b) Nennen Sie, welche Bedeutung diese Reaktion für Tropfsteinhöhlen hat.
Lösen
Üben★★★
Kalkhaltiges Grundwasser tritt in einer Höhle in der Eifel aus und gibt $\mathrm{CO_2}$ an die Höhlenluft ab, wobei Kalk als Tropfstein ausfällt. a) Formulieren Sie das…

Kalkhaltiges Grundwasser tritt in einer Höhle in der Eifel aus und gibt $\mathrm{CO_2}$ an die Höhlenluft ab, wobei Kalk als Tropfstein ausfällt.

  1. a) Formulieren Sie das Gleichgewicht $\mathrm{Ca^{2+} + 2\,HCO_3^- \rightleftharpoons CaCO_3 + CO_2 + H_2O}$ und erklären Sie mit Le Chatelier, warum $\mathrm{CaCO_3}$ ausfällt, wenn $\mathrm{CO_2}$ entweicht.
  2. b) Ein Boiler verkalkt in Gegenden mit hartem Wasser. Erklären Sie dies mit dem gleichen Gleichgewicht und der Temperaturabhängigkeit der $\mathrm{CO_2}$-Löslichkeit.
  3. c) Bewerten Sie, ob das Gleichgewicht in einem geschlossenen oder offenen System stärker nach rechts verschoben wird.
Lösen

Eingriffe des Menschen beurteilen

Die Gleichgewichte hängen zusammen: Mehr $\mathrm{CO_2}$ in der Atmosphäre bedeutet mehr $\mathrm{CO_2}$ im Meer, einen niedrigeren pH-Wert und gelöste Kalkschalen. Wichtige Eingriffe sind das Verbrennen fossiler Brennstoffe, die Rodung von Wäldern (weniger Photosynthese) und die Zementherstellung (Kalk brennen setzt $\mathrm{CO_2}$ frei).

Beurteilen Sie Aussagen aus Studien, Medien oder Berichten nach festen Fragen:

  1. Wer ist die Quelle, und welches Interesse könnte sie haben?

  2. Welcher Zeitraum und welche Messmethode liegen den Zahlen zugrunde?

  3. Sind Zahlen vergleichbar (gleiche Einheit, gleiche Bezugsgröße)?

  4. Welche Schlüsse sind belegt, welche nur vermutet?

Zurück zum Anfang: Im Sprudel, in Nordsee und Höhle gilt dasselbe Prinzip. Gase lösen sich und reagieren mit Wasser zu Gleichgewichten, die auf Druck, Temperatur und Konzentration reagieren. Das Zischen der Flasche, die Ozeanversauerung und der Tropfstein sind Verschiebungen derselben Gleichgewichte.

Üben★★★
Eine Studie berichtet: „Der $\mathrm{CO_2}$-Gehalt der Atmosphäre stieg von $280\,\mathrm{ppm}$ (vorindustriell) auf $420\,\mathrm{ppm}$. Etwa die Hälfte der…

Eine Studie berichtet: „Der $\mathrm{CO_2}$-Gehalt der Atmosphäre stieg von $280\,\mathrm{ppm}$ (vorindustriell) auf $420\,\mathrm{ppm}$. Etwa die Hälfte der menschlichen Emissionen verbleibt in der Atmosphäre."

  1. a) Berechnen Sie die relative Zunahme in Prozent.
  2. b) Erklären Sie, wo die andere Hälfte der Emissionen vermutlich bleibt, und nennen Sie den jeweils zugrunde liegenden Prozess bzw. das zugrunde liegende Gleichgewicht.
  3. c) Bewerten Sie die Aussage der Studie kritisch: Welche Zusatzinformationen (Quelle, Zeitraum, Messmethode) benötigen Sie, um sie zu beurteilen?
Lösen

Auf einen Blick

  • $\mathrm{CO_2}$ löst sich in Wasser in gekoppelten Gleichgewichten: $\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$ und $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$. Daher ist kohlensäurehaltiges Wasser schwach sauer.

  • Im Kohlenstoffkreislauf bilden Photosynthese und Zellatmung Gegenspieler. Der Kreislauf ist ein Fließgleichgewicht, das Verbrennen fossiler Stoffe stört es.

  • Steigender $\mathrm{CO_2}$-Partialdruck verschiebt das Gleichgewicht im Meer nach rechts: Der pH-Wert sinkt (Ozeanversauerung), Kalkschalen lösen sich leichter.

  • $\mathrm{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca^{2+} + 2\,HCO_3^-}$ erklärt Höhlen, Tropfsteine und Kesselstein: Entweicht $\mathrm{CO_2}$, fällt Kalk aus.

  • Mit $\mathrm{pH} = -\lg c(\mathrm{H_3O^+})$ rechnen Sie Änderungen um: 1 pH-Einheit entspricht dem Faktor 10.

  • Quellen beurteilen Sie nach Herkunft, Zeitraum, Messmethode und Vergleichbarkeit der Zahlen.

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★☆☆ Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser teilweise unter Bildung von Kohlensäure. a) Fassen…★☆☆ Der Kohlenstoffkreislauf verbindet Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre. a) Nennen Sie…★☆☆ Kalkstein ($\mathrm{CaCO_3}$) löst sich in kohlensäurehaltigem Wasser. a) Formulieren Sie…
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