Kohlensäure (Kohlenstoffsäure, H₂CO₃) ist das Reaktionsprodukt aus Kohlendioxid und Wasser. Eine Lösung des in Wasser mit ca. 3000 mg/l/atm (im Vergleich zu O₂ und N₂) gut löslichen CO₂ reagiert zu einem geringen Anteil (ca. 0,2 %, je nach Temperatur) nach der folgenden Gleichung zu:

$CO\_2^\{\}\; +\; H\_2O\; \backslash ;\backslash rightarrow\backslash ;\; H\_2CO\_3^\{\}$

und nachfolgend weiter zu HCO₃^- + H⁺ etc. (Dissoziationsgleichgewicht, siehe unten)

Elektronenformel_H2CO3.jpg]]

Auch CO₂ als Gas wird umgangssprachlich oft als Kohlensäure bezeichnet (Laborjargon). Ferner wird das gelöste CO₂ zusammen mit dem eigentlichen H₂CO₃ in der Wasserchemie üblicherweise als „freie Kohlensäure“ zusammengefasst und die Dissoziationskonstante für diese Summe angegeben (pK_S ca. 6,5 ; siehe unten).

Die Salze der Kohlensäure heißen Carbonate oder Hydrogencarbonate. Wichtige Vertreter sind Natriumhydrogencarbonat (Trivialname: Natron, Bullrich-Salz, NaHCO₃), Natriumcarbonat (Soda, Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (Pottasche, K₂CO₃) und Kalk (Calciumcarbonat CaCO₃). Gebrannter Kalk (CaO) und gelöschter Kalk (Ca(OH)₂) sind jedoch keine Carbonate.

Im Labor ist es gelungen, Kohlensäure als Reinsubstanz zu gewinnen. Bei tiefen Temperaturen und unter absoluter Abwesenheit von Wasser oder Metallionen (beide katalysieren stark die Zersetzungsreaktion zu Kohlenstoffdioxid und Wasser), kann die Kohlenstoffsäure H₂CO₃ als wasserklare, farblose Flüssigkeit dargestellt werden.

Dissoziationsgleichgewicht

Bei der Lösung von Kohlendioxid in Wasser stellt sich ein Gleichgewicht unter Bildung von Kohlensäure ein:

0. $CO\_2^\{\}\; +\; H\_2O\; \backslash ;\backslash overrightarrow\{\backslash leftarrow\}\backslash ;\; H\_2CO\_3^\{\}$

Das Gleichgewicht liegt sehr weit auf der Seite des gelösten Gases; der Anteil des Säuremoleküls liegt bei nur rund 0,2 %. In Organismen wird die Reaktion durch das Enzym Carboanhydrase beschleunigt. Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure. Sie gibt daher ihre Protonen in zwei Dissoziationsstufen an Wasser oder andere Basen ab:

1. $H\_2CO\_3^\{\}\; +\; H\_2O\backslash ;\backslash overrightarrow\{\backslash leftarrow\}\backslash ;\; HCO\_3^-\; +\; H\_3O^+$

Der pKs-Wert der ersten Säurekonstante liegt (mit temperaturabhängigen Abweichungen) eigentlich bei ca. 3,88, vergleichbar mit Essigsäure und Zitronensäure. Da aber der Anteil der Kohlensäure gem. Gleichung 0 schlecht zu bestimmen ist, werden die Reaktionen 0 und 1 zusammengefasst (CO₂ + 2 H₂O ↔ H₃O⁺ + HCO₃^-) und ergeben den (fast immer genannten) Wert von ca. 6,5 für den pKs-Wert. Reaktionsprodukt ist das Hydrogencarbonat-Ion HCO₃^-.

2. $HCO\_3^-\; +\; OH^-\; \backslash ;\backslash overrightarrow\{\backslash leftarrow\}\backslash ;\; CO\_3^\{2-\}\; +\; H\_2O$

Der pKs-Wert für die zweite Säurekonstante liegt um 10,5. Reaktionsprodukt ist das Carbonat-Ion CO₃^2-.

Als Trivialnamen für die Summe aus gelöstem Kohlendioxid und Kohlensäure ist „freie Kohlensäure“ gebräuchlich. Sie steht der Summe von Carbonat und Hydrogencarbonat als „gebundener Kohlensäure“ gegenüber.

Die Konzentrationen der drei Kohlensäure-Spezies, also der freien Kohlensäure, des Hydrogencarbonat und des Carbonat sowie der Hydroniumionen stehen mit einander durch das Massenwirkungsgesetz in einem berechenbarem Zusammenhang. Die Konzentration der Hydroniumionen wird durch den pH-Wert ausgedrückt. Bei einem gegebenen pH-Wert ist somit das Mengenverhältnis der Spezies festgelegt:

Bei pH 4 liegen mehr als 99 % als freie Kohlensäure vor. Bei einem pH-Wert von 6,5, der also gleich ist dem pKs der ersten Säurekonstante, liegen gleich viel freie Kohlensäure und Hydrogencarbonat vor; der Anteil des Carbonats ist noch weit unter 1 %. Etwa bei pH 8,3 liegt der maximale Anteil an Hydrogencarbonat mit ca. 98 % vor; je knapp 1 % sind freie Kohlensäure bzw. Carbonat. Bei einem pH gleich dem pKs der zweiten Säurekonstante von 10,5 liegen gleiche Mengen Hydrogencarbonat und Carbonat sowie ein verschwindender Anteil an freier Kohlensäure vor. Bei pH 12,5 hat das Carbonat einen Anteil um 99 %, Hydrogencarbonat noch knapp 1 %, freie Kohlensäure noch Spuren.

„Aggressive Kohlensäure“ und Verwandte

Eine weitere Gruppe von Trivialnamen, der nicht chemisch unterschiedliche Spezies, sondern Mengenanteile bezeichnet, stammt aus dem Bereich der Aufbereitung von kalkhaltigem Wasser. Dort unterscheidet man die „zugehörige“ Kohlensäure von der „überschüssigen“ und der „(kalk-)aggressiven Kohlensäure“. Zugehörige Säure hält im Mengengleichgewicht der Kohlensäurespezies den pH-Wert gerade so niedrig, dass die Konzentration des Carbonates multipliziert mit der des Calciums gerade noch nicht das Löslichkeitsprodukt überschreitet. Darüber hinaus vorhandene freie Kohlensäure gilt als überschüssig. Davon wiederum ein Teil könnte weiteren Kalk in Lösung bringen, ist also aggressiv.

Auch mit Eisen oder anderen Metallen kann Kohlensäure reagieren und so beispielsweise Leitungsrohre angreifen. Auch diese Reaktionen sind konzentrationsabhängig im Gleichgewicht mit entsprechenden Carbonaten. Deshalb spricht man dann z.B. von „Eisen-aggressiver Kohlensäure“.

Derivate der Kohlensäure

Darüber hinaus sind organische Derivate der Kohlensäure bekannt, so verschiedene Kohlensäureester. Sie sind leicht zugänglich durch die Reaktion von Phosgen mit Alkoholen. Von technischer Bedeutung sind vor allem die Amide der Kohlensäure. Ihre Stammverbindung ist der Harnstoff; als Beispiel seien die Urethane (von Urea, Harnstoff) genannt. Es sind die Monoestermonoamide der Kohlensäure; diese sind die Stammverbindungen überaus wichtiger Kunststoffe, der Polyurethane.

Literatur

• Ulrich Kölle: Rund um Kohlensäure. CHEMKON 10(2), S. 66 – 68 (2003),
• Th. Loerting, Chr. Tautermann, R.T. Kroemer: Angew. Chem. Int. Ed., Bd. 39, Ausg. 5, p.891-894 "On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid"

Weblinks

Chemische Verbindung

Kyselina uhličitá | Kulsyre | Ανθρακικό οξύ | Carbonic acid | Karbonata acido | Ácido carbónico | Hiilihappo | Acide carbonique | Acido carbonico | 炭酸 | Acidum carbonicum | Ogļskābe | Kohlensüür | Koolzuur | Kolsyre | Karbonsyre | Kwas węglowy | Ácido carbônico | Угольная кислота | Kolsyra | กรดคาร์บอนิก | Карбонатна кислота | 碳酸