.. Kohlendioxid documentation master file, created by sphinx-quickstart on Sun Feb 13 11:44:08 2022. You can adapt this file completely to your liking, but it should at least contain the root `toctree` directive. Kohlendioxid und Carbonat-Spezies ================================================ .. toctree:: :maxdepth: 2 :caption: Contents: "Kohlensäure" ist nicht Kohlensäure ----------------------------------- Die Übertragung eines Wasserstoffkerns H\ :sup:`+` von einem Teilchen auf ein anderes verläuft in wässriger Lösung normalerweise extrem schnell. Alle in der Schule behandelten Brønsted-Reaktionen wie .. math:: :label: CH_3COOH + OH^- \rightleftarrows CH_3COOH^- + H_2O laufen diffusionskontrolliert ab [1]_ mit Geschwindigkeitskonstanten um :math:`10^{9}` bis :math:`10^{10} M^{-1} s^{-1}` [2]_. Lösungen von "Kohlensäure" in Wasser hingegen reagieren relativ langsam mit Hydroxid-Ionen. Wieso? Tatsächlich lässt sich z.B. mit spektroskopischen Methoden zeigen, dass "Kohlensäure" zum grössten Teil aus gelöstem CO\ :sub:`2` besteht. Das Gleichgewicht .. math:: :label: H_2CO_3 (aq) \rightleftarrows CO_2 (aq) + H_2O (l) \mspace{60mu} K ≈ 600 \mspace{20mu} [1] liegt also weit auf der Seite des in Wasser gelösten CO\ :sub:`2` (`3D-Modell des Wasserclusters`_). .. figure:: _static/bilder/co2_cluster.png :name: co2_cluster Kohlendioxid-Molekül in wässriger Lösung, umgeben von Wassermolekülen. Die eigentliche Kohlensäure, also die Spezies H\ :sub:`2`\ CO\ :sub:`3`, wurde hingegen in wässriger Lösung offenbar noch nie direkt nachgewiesen [1]. Sie kann allerdings unter speziellen Bedingungen hergestellt und kristallisiert werden (`3D-Modell eines Kohlensäurekristalls`_): .. figure:: _static/bilder/kohlensaeure.png :name: kohlensaeure Kristallstruktur von Kohlensäure In einer "Kohlensäurelösung" reagieren die Hydroxidionen (OH\ :sup:`-`) somit gar nicht mit H\ :sub:`2`\ CO\ :sub:`3`\ , sondern direkt mit den CO\ :sub:`2`\ -Molekülen. Es handelt sich dabei also nicht um eine einfache Protolyse und daher ist diese Reaktion sehr viel langsamer als letztere; Gleichgewichtsreaktionen mit CO\ :sub:`2` stellen sich in wässriger Lösung nur relativ langsam ein ([3]_). Aus diesem Grund verwenden Lebewesen das Enzym `Carboanhydrase`_, um diese Reaktion zu beschleunigen. Die Halbwertszeiten für die unkatalysierte Reaktion beträgt unter typischen Bedingungen bei pH 7 etwa 13 min, bei pH 10 etwa 0.8 s [1]. In Gasphase würde diese exotherme Reaktion allerdings ohne Energiebarriere und daher sehr schnell verlaufen. Die Energiebarriere kommt durch Wassermoleküle zustande, welche die Reaktanden umgeben :numref:`(Abb. %s) ` und bis zum Übergangszustand zum Teil abgestreift werden müssen. Das obige 3D-Modell zeigt, dass die Wassermoleküle für eine Reaktion sehr ungünstig angeordnet sind. :numref:`Abb. %s ` zeigt einen typischen Übergangszustand dieser Reaktion (`3D-Modell des Übergangszustandes mit Molekülorbitalen`_), in dem allerdings nur ein besonders stark über Wassertoffbrücken gebundenes Wassermolekül eingezeichnet ist [4]_: .. figure:: _static/bilder/uebergangszustand.png :width: 50% :name: uebergangszustand Übergangszustand der Reaktion zwischen Kohlendioxid und einem Hydroxid-Ion Das CO\ :sub:`2`\ -Molekül ist in diesem Übergangszustand bereits durch die Interaktion mit dem Hydroxidion verzerrt. :numref:`Abb. %s ` zeigt, in welchen Anteilen die verschiedenen Kohlensäure- und Carbonatspezies bei verschiedenen pH-Werten im Gleichgewicht auftreten (Speziierung von Kohlensäure). Ausser der Reaktion von CO\ :sub:`2` mit H\ :sub:`2`\ O oder OH\ :sup:`-` verlaufen alle Reaktionen praktisch diffusionskontrolliert. .. figure:: _static/bilder/carbonat_spezies.png :name: carbonat_spezies Speziierung der verschiedenen Carbonat-Spezies bei verschiedenen pH-Werten. Verwendet wurde ein pK\ :sub:`S`-Wert für H\ :sub:`2`\ CO\ :sub:`3`\ :sup:`*`, also eigentlich CO\ :sub:`2` + H\ :sub:`2`\ O, von pK\ :sub:`S` = 6.46. Unter physiologischen Bedingungen rechnet man oft mit tieferen pK\ :sub:`S`\ -Werten bis etwa pK\ :sub:`S` = 6.1. Zum Vergleich ist in :numref:`Abb. %s ` die Titrationskurve einer CO\ :sub:`2`\ -Lösung (0.1 mol/L) zu sehen. .. figure:: _static/bilder/titrationskurve.png :name: titrationskurve Titrationskurve von 100 mL einer CO\ :sub:`2`\ -Lösung (0.1 mol/L) mit NaOH (1 mol/L). Zu sehen sind rechts die entsprechenden Pufferkurven und unten die relativen Anteile der verschiedenen Spezies. .. _`3D-Modell des Wasserclusters`: https://www.swisseduc.ch/chemie/molekularium/kristallstrukturen/kristallstrukturen.htm?skript=kohlendioxidcluster#kohlendioxid .. _`3D-Modell eines Kohlensäurekristalls`: https://www.swisseduc.ch/chemie/molekularium/kristallstrukturen/kristallstrukturen.htm?skript=kohlensaeure#kohlendioxid .. _`3D-Modell des Übergangszustandes mit Molekülorbitalen`: https://www.swisseduc.ch/chemie/molekularium/mo/mo.htm?skript=kohlendioxid_hydroxid#kohlenstoffoxide .. _`Carboanhydrase`: ../../index.html --------- | Zurück zu Sulfonamide_ | Zurück zu Molekularium_ | Zurück zu `Swisseduc Chemie Molecular Modelling`_ .. _Sulfonamide: ../../index.html .. _Molekularium: ../../../index.htm .. _`Swisseduc Chemie Molecular Modelling`: ../../../../molmod/anwendungen/index.html --------- Quellen ------- .. [1] Kölle, U. (2003): Rund um Kohlensäure, Chemkon - Chemie Konkret, Forum Fuer Unterricht Und Didaktik, 10(2), pp. 66–68. doi:10.1002/ckon.200390021. .. [2] Pines, E. et al. (1997): Direct measurement of intrinsic proton transfer rates in diffusion-controlled reactions, Chemical Physics Letters, 281(4), pp. 413–420. doi:https://doi.org/10.1016/S0009-2614(97)01245-1. .. [3] Loerting, T. et al. (2000): Zur überraschenden kinetischen Stabilität von Kohlensäure (H2CO3)**, 112(5), pp. 920–922. .. [4] Stirling, A. (2011): HCO3– Formation from CO2 at High pH: Ab Initio Molecular Dynamics Study, The Journal of Physical Chemistry B, 115(49), pp. 14683–14687. doi:10.1021/jp2084204.