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Dieses Kapitel behandelt die Eigenschaften von Kohlenstoffoxiden, die Bildung von Kohlensäure sowie die chemische Trägheit von elementarem Stickstoff.
Kohlenstoff ist das Basiselement der organischen Chemie, tritt aber auch in wichtigen anorganischen Verbindungen auf. In der Erdatmosphäre und in biologischen Prozessen spielen vor allem seine Oxide eine zentrale Rolle. Kohlenstoff kann aufgrund seiner vier Valenzelektronen (Elektronen in der äußersten Schale) insgesamt vier kovalente Bindungen eingehen, was eine enorme Vielfalt an Verbindungen ermöglicht.
Kohlenstoffmonoxid (CO) entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen unter Sauerstoffmangel. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das für den Menschen hochgiftig ist. Die Toxizität beruht darauf, dass CO eine etwa 200- bis 300-mal höhere Affinität zum Hämoglobin (dem roten Blutfarbstoff) hat als Sauerstoff. Es blockiert somit den Sauerstofftransport im Blut, was zur inneren Erstickung führt.
Kohlenstoffdioxid (CO2) ist das Produkt der vollständigen Verbrennung und der Zellatmung. Es ist ein farbloses Gas, das schwerer als Luft ist und sich daher in Gruben oder Kellern am Boden ansammeln kann. CO2 ist ein wichtiges Treibhausgas und dient Pflanzen als Kohlenstoffquelle für die Photosynthese. In hohen Konzentrationen wirkt es auf den Menschen atemstimulierend, in sehr hohen Konzentrationen jedoch erstickend.
Wenn CO2 in Wasser gelöst wird, reagiert ein kleiner Teil (ca. 0,2 %) chemisch mit den Wassermolekülen zu Kohlensäure (H2CO3). Diese Reaktion ist reversibel, das heißt, sie kann in beide Richtungen ablaufen. Kohlensäure ist eine schwache, zweiprotonige Säure, was bedeutet, dass sie zwei Wasserstoffkerne (Protonen) in zwei Stufen abgeben kann.
Die erste Deprotonierung (Abgabe eines Protons) der Kohlensäure führt zum Hydrogencarbonat-Ion (HCO3-), die zweite zum Carbonat-Ion (CO3^2-). Das Hydrogencarbonat-System ist der wichtigste Blutpuffer des menschlichen Körpers, da es hilft, den pH-Wert des Blutes konstant zwischen 7,35 und 7,45 zu halten, indem es überschüssige Säuren oder Basen neutralisiert.
Stickstoff (N2) ist mit einem Anteil von etwa 78 % der Hauptbestandteil unserer Atmosphäre. In seiner elementaren Form liegen zwei Stickstoffatome vor, die durch eine extrem stabile Dreifachbindung miteinander verknüpft sind. Diese Bindung ist so stark, dass Stickstoff bei Raumtemperatur chemisch inert (reaktionsträge) ist.
Aufgrund seiner Trägheit reagiert Stickstoff unter Normalbedingungen kaum mit anderen Stoffen. In der Industrie und Medizin wird er daher oft als Schutzgas verwendet, um Oxidationen zu verhindern. Erst unter hohen Temperaturen oder hohem Druck (wie im Automotor oder bei Blitzeinschlägen) reagiert er mit Sauerstoff zu verschiedenen Stickoxiden (NOx).
Stickoxide wie Stickstoffmonoxid (NO) oder Stickstoffdioxid (NO2) sind in der Atmosphäre als Schadstoffe relevant (saurer Regen). Im menschlichen Körper fungiert NO jedoch in kleinsten Mengen als wichtiger Signalstoff, der beispielsweise die Gefäße erweitert (Vasodilatation) und so den Blutdruck reguliert.
