Chemische Aspekte und pH-Wert-Abhängigkeit der Kohlensäure
Die Chemie der Kohlensäure ist komplex und stark vom pH-Wert abhängig. Die Konzentrationen der verschiedenen Kohlensäure-Spezies - freie Kohlensäure, Hydrogencarbonat und Carbonat - sowie der Oxoniumionen stehen in einem berechenbaren Zusammenhang, der durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben wird.
Definition: Das Massenwirkungsgesetz beschreibt das Gleichgewicht chemischer Reaktionen und ermöglicht die Berechnung der Konzentrationen der beteiligten Stoffe.
Die Kohlensäure Reaktionsgleichung für die Dissoziation lautet:
H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻
Diese Gleichung zeigt, dass die Kohlensäure in zwei Schritten dissoziiert, wobei zunächst ein Wasserstoff-Ion und dann ein zweites abgespalten wird.
Highlight: Der pH-Wert bestimmt maßgeblich das Verhältnis der verschiedenen Kohlensäure-Spezies in der Lösung.
Bei verschiedenen pH-Werten ergeben sich folgende Verhältnisse:
- pH 4: 99% freie Kohlensäure
- pH 6,5: Gleiche Anteile freier Kohlensäure und Hydrogencarbonat
- pH 8,3: 98% Hydrogencarbonat, je 1% freie Kohlensäure und Carbonat
- pH 10,5: Gleiche Anteile freier Kohlensäure, Carbonat und Hydrogencarbonat
- pH 12,5: 99% Carbonat, 1% Hydrogencarbonat, Spuren freier Kohlensäure
Diese pH-Abhängigkeit ist entscheidend für das Verständnis der Kohlensäure Eigenschaften in verschiedenen Umgebungen und erklärt auch, warum die Kohlensäure Verwendung in der Industrie so vielfältig ist.
Example: In Mineralwasser mit einem typischen pH-Wert von etwa 5,5 liegt die Kohlensäure hauptsächlich als gelöstes CO₂ und Hydrogencarbonat vor, was den erfrischenden Geschmack und die konservierende Wirkung erklärt.
Die Tatsache, dass Kohlensäure nicht in reiner Form gewonnen werden kann und nur in extrem niedriger Konzentration und für sehr kurze Zeit im Gleichgewicht mit Wasser und Kohlenstoffdioxid existiert, macht sie zu einem faszinierenden Forschungsgegenstand in der physikalischen Chemie und erklärt, warum die Kohlensäure Herstellung in reiner Form nicht möglich ist.
