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Chemie · Elemente und deren Verbindungen
Kohlenstoff und seine Modifikationen, die Oxide CO und CO₂, Kohlensäure mit Hydrogencarbonat und Carbonat sowie das Hydrogencarbonat-System als Blutpuffer.
Kohlenstoff bildet zwei Oxide mit gegensätzlichem Charakter: CO blockiert das Hämoglobin, CO₂ löst sich in Wasser zur schwachen, zweiprotonigen Kohlensäure. Deren Anion Hydrogencarbonat ist der wichtigste Blutpuffer.
Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen und geht typischerweise vier kovalente Bindungen ein. Darauf beruht die organische Chemie: Rund 90 % aller bekannten Verbindungen enthalten Kohlenstoff. → Ausführlich in: Organische Verbindungen allgemein
In der Natur kommt Kohlenstoff überwiegend gebunden vor, als Carbonat im Kalkgestein und in organischen Stoffen. Das Isotop ¹⁴C ist radioaktiv und dient der Altersbestimmung organischen Materials (Radiokohlenstoffmethode).
Natürlich und kristallin kommen nur Diamant und Graphit vor. Dazu kommen Fullerene, Nanoröhren und Graphen:
| Modifikation | Bau | Eigenschaft |
|---|---|---|
| Diamant | sp³, kubisches Gitter, 4 Bindungen | hart, Isolator |
| Graphit |
| weich, leitet Strom |
| Graphen | eine einzelne Graphitschicht | sehr gut leitfähig |
| Fullerene (C₆₀) | Käfig aus Fünf- und Sechsringen | Hohlkugel |
| Nanoröhren | aufgerollte Graphenschicht | Röhre, Fullerenverwandte |
Alle Modifikationen sind diamagnetisch. → sp³ und sp² ausführlich in: Atombindung
| Merkmal | CO | CO₂ |
|---|---|---|
| Entsteht bei | unvollständiger Verbrennung | vollständiger Verbrennung, Zellatmung |
| Dichte | etwa wie Luft | schwerer als Luft |
| Mit Wasser | keine Kohlensäure | bildet Kohlensäure |
| Gefahr | blockiert Hämoglobin | erstickend in hoher Dosis |
CO ist farb-, geruch- und geschmacklos, brennbar und hochgiftig. Es bindet rund 250-mal stärker an Hämoglobin als O₂ und blockiert den Sauerstofftransport.
Die Bindung ist reversibel: An Raumluft sinkt CO-Hämoglobin mit einer Halbwertszeit von etwa 4–6 Stunden, mit reinem Sauerstoff deutlich schneller. CO verschiebt außerdem die Sauerstoffbindungskurve nach links, sodass Hämoglobin O₂ schlechter ans Gewebe abgibt.
Körpereigenes CO entsteht beim Häm-Abbau und wirkt in kleinen Mengen als Signalmolekül. → Ausführlich in: Herz-Kreislauf-System; Blut
CO₂ ist farblos, geruchlos, linear und unpolar (die zwei polaren C=O-Dipole heben sich auf). Es sammelt sich in Gruben und Kellern am Boden. Pflanzen bauen es in der Photosynthese ein. Es ist ein Treibhausgas; hohe Konzentrationen regen die Atmung an, sehr hohe wirken erstickend.
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2 H⁺ + CO₃²⁻Kohlensäure, Hydrogencarbonat, Carbonat
Nur ein kleiner Teil des gelösten CO₂ (etwa 0,2 %) reagiert zu Kohlensäure. Die Reaktion ist umkehrbar, das Gleichgewicht liegt weit bei CO₂ + H₂O. Als Reinstoff lässt sich Kohlensäure aus wässriger Lösung bei Raumtemperatur nicht gewinnen.
H₂CO₃ ist eine schwache, zweiprotonige Säure und gibt ihre Protonen in zwei Stufen ab (pKs₁ ≈ 6,4, pKs₂ ≈ 10,3). Sprudel schmeckt darum säuerlich, aber nicht scharf. → Ausführlich in: Säurestärke
| Salz | Formel | Alltagsname |
|---|---|---|
| Natriumhydrogencarbonat | NaHCO₃ | Natron, Speisesoda (in Backpulver) |
| Natriumcarbonat | Na₂CO₃ | Soda |
| Calciumcarbonat | CaCO₃ | Kalk, Kreide, Marmor |
Hydrogencarbonat (veraltet: Bicarbonat) ist ein Ampholyt: Es kann ein Proton aufnehmen und abgeben. Carbonate setzen mit Säuren CO₂ frei und brausen dabei auf: CaCO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O.
Das Blut hält seinen pH bei 7,35–7,45, vor allem mit dem Paar CO₂/Hydrogencarbonat. Bei pH 7,4 liegt HCO₃⁻ zu gelöstem CO₂ etwa wie 20 : 1 vor.
→ Puffer allgemein und Henderson-Hasselbalch: pH-Wert
Abgeatmetes CO₂ zieht das Gleichgewicht nach links: H⁺ und HCO₃⁻ werden zu CO₂ und H₂O, H⁺ wird verbraucht und der pH steigt wieder.
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Deine AufgabeVerfolge die Stationen CO₂ → H₂CO₃ → HCO₃⁻ → CO₃²⁻: Welches H wird jeweils abgegeben, und wie ändert sich die Ladung? Warum ist HCO₃⁻ ein Ampholyt und der wichtigste Blutpuffer?
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
