Kohlensäure

IMPP-Score: 0.6

Kohlensäure und ihre Derivate

Kohlensäure (\(H_2CO_3\)) ist eine anorganische Säure, die sich bildet, wenn Kohlenstoffdioxid (\(CO_2\)) in Wasser (\(H_2O\)) gelöst wird.

\[ \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \]

Dieser Vorgang ist essentiell für viele biologische und chemische Prozesse auf der Erde.

Kohlensäure: Entstehung und Eigenschaften

Das IMPP fragt besonders gerne nach der Eigenschaft der Kohlensäure als schwache Säure. Es ist wichtig, dass ihr versteht, dass Kohlensäure in wässriger Lösung hauptsächlich als hydratisiertes \(CO_2\) vorliegt und aufgrund ihrer Instabilität zu \(H_2O\) und \(CO_2\) zerfällt. Sie ist nicht isoliert gewinnbar. Als schwache Säure hat die Kohlensäure einen \(pKa\)-Wert größer als 0, was bedeutet, dass sie in Wasser nicht vollständig dissoziiert.

Merke

In wässriger Lösung ist die Kohlensäure überwiegend als hydratisiertes Kohlenstoffdioxid vorhanden.

Struktur von Kohlensäure und ihren Ionen

Das Carbonat-Ion (\(CO_3^{2-}\)) hat eine zentrale Bedeutung. Ihr müsst kennenlernen, dass dieses Ion planar aufgebaut ist und dass die drei Sauerstoffatome jeweils 120° zueinander angeordnet sind. Dies prägt die Geometrie vieler carbonathaltiger Verbindungen und ist für das Verständnis von Kristallstrukturen und weiteren Reaktionen entscheidend.

Struktur der Kohlensäure1

Bildung von Hydrogencarbonat

Der pH-Wert spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Hydrogencarbonat (\(HCO_3^-\)) aus Kohlensäure. In einem gewissen pH-Bereich des Wassers wird Hydrogencarbonat gebildet, das im Gegensatz zur Kohlensäure in wässriger Lösung stabiler ist und nicht als Gas entweicht.

Kohlensäurederivate

Salze von Kohlensäure

Zu den Derivaten der Kohlensäure gehören eine Vielzahl an Salzen. Hierbei ist es wichtig, die Reaktionsweisen und Eigenschaften dieser Salze zu verstehen:

  • Cyanide: Salze der Blausäure (\(HCN\)) wie Kaliumcyanid (\(KCN\)) reagieren basisch in wässriger Lösung.
  • Thiocyanate: Salze der Thiocyansäure, bei denen das Sauerstoffatom durch Schwefel ersetzt ist.
  • Ammoniumhydrogencarbonat: Wichtig ist zu wissen, dass Ammoniumhydrogencarbonat ((NH4)HCO3) beim Erhitzen zu \(NH_3\), \(CO_2\) und \(H_2O\) zerfällt.

Wichtige Derivate

Merke

Phosgen (\(COCl_2\)) ist das Dichlorid der Kohlensäure und besitzt aufgrund seiner Toxizität und Reaktivität eine bedeutsame geschichtliche und industrielle Rolle. Es hat keinen Phosphor in der Struktur - ein irreführender Fakt den das IMPP gerne mal abfragt.

Harnstoff (\(CO(NH_2)_2\)), ein weiteres wichtiges Derivat, ist das Diamid der Kohlensäure und findet breite Verwendung in der Chemie und Industrie.

Ester und Halbester der Kohlensäure sind bedeutend in der organischen Chemie. Sie sind gekennzeichnet durch den Ersatz von Wasserstoffatomen der Hydroxylgruppen durch Alkoholreste.

Exkurs: Spezielle Verbindungen

Zum Verständnis für die Vielfalt und Relevanz von Kohlensäurederivaten ist es ebenfalls wichtig, Verbindungen wie Cyansäure (\(HOCN\)) und Thiocyansäure (\(HSCN\)) zu kennen. Obwohl sie nomenklatorisch ähnlich klingen, sind ihre Struktur, Herstellung und Eigenschaften deutlich unterschiedlich von denen der Cyanide oder Kohlensäure.

In diesem Kontext zählt das IMPP auf das Wissen über die Reaktivität und Anwendungen der verschiedenen Derivate. Jedes Detail kann relevant sein, von der toxischen Wirkung von Phosgen bis hin zur Nutzung von Ammoniumhydrogencarbonat als Backtriebmittel.

Zusammenfassung

  • Kohlensäure ist eine schwache Säure, die bei Lösung von CO2 in Wasser entsteht und sauer reagiert, da sie zu Wasser und Kohlendioxid zerfällt.
  • Hydrogencarbonat bildet sich aus Kohlensäure in Wasser und bleibt stärker gelöst; die Bildung wird vom pH-Wert beeinflusst.
  • Cyanide, wie Kaliumcyanid, sind Salze der Blausäure (HCN) und reagieren in Lösung basisch; dabei unterscheiden sich ihre chemischen Eigenschaften deutlich von denen der Thiocyanate.
  • Carbonat-Ionen (CO₃²⁻) haben eine planare Struktur mit einem Bindungswinkel von 120° zwischen den Sauerstoffatomen.
  • Phosgen (COCl2) ist ein giftiges Kohlensäurederivat, das als Kampfgas genutzt wurde; es enthält kein Phosphor und ist das Dichlorid der Kohlensäure.
  • Ammoniumhydrogencarbonat ((NH4)HCO3) zersetzt sich beim Erhitzen in NH3, CO2 und H2O und wird als Backtriebmittel verwendet.
  • Kohlensäurederivate leiten sich von Kohlensäure ab und beinhalten Verbindungen wie Urea (Harnstoff), Carbaminsäureester und Phosgen.

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Footnotes

  1. Credits Struktur der Kohlensäure Grafik: Eetwartti, Carbonic-acid-2D, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎