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* 3,45 ±0,15 (berechnet über kinetisches Modell)<ref>K. Adamczyk, M. Prémont-Schwarz, D. Pines, E. Pines und E. T. J. Nibbering: ''Real-Time Observation of Carbonic Acid Formation in Aqueous Solution.'' In: ''[[Science]].'' 2009, 326, S. 1690–1694, {{DOI|10.1126/science.1180060}}. – C. Ho and J. M. Sturtevant ''The Kinetics of the Hydration of Carbon Dioxide at 25''. In: J. Biol. Chem. '''238''', 3499–3501 (1963) [http://www.jbc.org/content/238/10/3499.full.pdf PDF].</ref>
* 3,45 ±0,15 (berechnet über kinetisches Modell)<ref>K. Adamczyk, M. Prémont-Schwarz, D. Pines, E. Pines und E. T. J. Nibbering: ''Real-Time Observation of Carbonic Acid Formation in Aqueous Solution.'' In: ''[[Wikipedia:Science|Science]].'' 2009, 326, S. 1690–1694, {{DOI|10.1126/science.1180060}}. – C. Ho and J. M. Sturtevant ''The Kinetics of the Hydration of Carbon Dioxide at 25''. In: J. Biol. Chem. '''238''', 3499–3501 (1963) [http://www.jbc.org/content/238/10/3499.full.pdf PDF].</ref>
* 3,6 (pK<sub>S1</sub>) bzw. 10,3 (pK<sub>S2</sub>)<ref>
* 3,6 (pK<sub>S1</sub>) bzw. 10,3 (pK<sub>S2</sub>)<ref>
{{cite web |url=http://evans.rc.fas.harvard.edu/pdf/evans_pKa_table.pdf |title=pKa's of Inorganic and Oxo-Acids |last1=Ripin |first1=D.H. |last2=Evans |first2=D.A. |format=PDF |accessdate=15. Juli 2014 |language = Englisch}}</ref>
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}}
'''Kohlensäure''' (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) ist eine [[Anorganische Chemie|anorganische]] [[Säuren|Säure]] und das Reaktionsprodukt ihres [[Säureanhydrid]]s [[Kohlendioxid]] (CO<sub>2</sub>) mit [[Wasser]].
'''Kohlensäure''' (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) ist eine [[Wikipedia:Anorganische Chemie|anorganische]] [[Wikipedia:Säuren|Säure]] und das Reaktionsprodukt ihres [[Wikipedia:Säureanhydrid|Säureanhydrid]]s [[Wikipedia:Kohlendioxid|Kohlendioxid]] (CO<sub>2</sub>) mit [[Wasser]].
Die [[Salze]] der zwei[[Proton (Chemie)|proton]]<nowiki/>igen Säure sind die [[Carbonate]] und [[Hydrogencarbonate]].
Die [[Wikipedia:Salze|Salze]] der zwei[[Wikipedia:Proton (Chemie)|proton]]<nowiki/>igen Säure sind die [[Wikipedia:Carbonate|Carbonate]] und [[Wikipedia:Hydrogencarbonate|Hydrogencarbonate]].
Ihre [[Ester]] werden ebenfalls Carbonate oder [[Kohlensäureester]] genannt. Technische Bedeutung haben die [[Polyester]], die als [[Polycarbonate]] bezeichnet werden.
Ihre [[Wikipedia:Ester|Ester]] werden ebenfalls Carbonate oder [[Wikipedia:Kohlensäureester|Kohlensäureester]] genannt. Technische Bedeutung haben die [[Wikipedia:Polyester|Polyester]], die als [[Wikipedia:Polycarbonate|Polycarbonate]] bezeichnet werden.
Das Gas CO<sub>2</sub> ist im Vergleich zu [[Sauerstoff|O<sub>2</sub>]] und [[Stickstoff|N<sub>2</sub>]] relativ gut löslich in Wasser und reagiert zu einem geringen Anteil (etwa 0,2 %, je nach [[Temperatur]] und [[Druck (Physik)|Druck]]) zu Kohlensäure:
Das Gas CO<sub>2</sub> ist im Vergleich zu [[Sauerstoff|O<sub>2</sub>]] und [[Wikipedia:Stickstoff|N<sub>2</sub>]] relativ gut löslich in Wasser und reagiert zu einem geringen Anteil (etwa 0,2 %, je nach [[Wikipedia:Temperatur|Temperatur]] und [[Wikipedia:Druck (Physik)|Druck]]) zu Kohlensäure:
:<math>\mathrm{ \ CO_2 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2CO_3}</math>
:<math>\mathrm{ \ CO_2 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2CO_3}</math>
Das Gas CO<sub>2</sub> wird umgangssprachlich oft ungenau als Kohlensäure bezeichnet.
Das Gas CO<sub>2</sub> wird umgangssprachlich oft ungenau als Kohlensäure bezeichnet.
Tatsächlich wird in der [[Hydrochemie|Wasserchemie]] gelöstes CO<sub>2</sub> mit der eigentlichen Säure H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> üblicherweise als ''freie Kohlensäure'' zusammengefasst.
Tatsächlich wird in der [[Wikipedia:Hydrochemie|Wasserchemie]] gelöstes CO<sub>2</sub> mit der eigentlichen Säure H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> üblicherweise als ''freie Kohlensäure'' zusammengefasst.
Sie steht der Summe von Carbonat und Hydrogencarbonat als der ''gebundenen Kohlensäure'' gegenüber.
Sie steht der Summe von Carbonat und Hydrogencarbonat als der ''gebundenen Kohlensäure'' gegenüber.
Kohlensäure spielt eine wichtige Rolle im [[Säure-Basen-Haushalt]] sowohl des Wassers als auch des [[Blut]]es und der Körperflüssigkeiten.
Kohlensäure spielt eine wichtige Rolle im [[Wikipedia:Säure-Basen-Haushalt|Säure-Basen-Haushalt]] sowohl des Wassers als auch des [[Blut]]es und der Körperflüssigkeiten.
Die Natur der Kohlensäure als gelöstes Kohlendioxid erkannte 1741 [[William Brownrigg]]. Für die Erfindung des [[Sodawasser]]s ist allerdings [[Joseph Priestley]] bekannt (in seiner Zeit als Priester in Leeds ab 1767, wo ihm genug Kohlendioxid aus einer nahen Brauerei zur Verfügung stand).
Die Natur der Kohlensäure als gelöstes Kohlendioxid erkannte 1741 [[Wikipedia:William Brownrigg|William Brownrigg]]. Für die Erfindung des [[Wikipedia:Sodawasser|Sodawasser]]s ist allerdings [[Wikipedia:Joseph Priestley|Joseph Priestley]] bekannt (in seiner Zeit als Priester in Leeds ab 1767, wo ihm genug Kohlendioxid aus einer nahen Brauerei zur Verfügung stand).
== Dissoziationsgleichgewicht ==
== Dissoziationsgleichgewicht ==
:<math>\mathrm{ \ CO_2 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2CO_3}</math> (1)
:<math>\mathrm{ \ CO_2 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2CO_3}</math> (1)
Die [[Erlenmeyer-Regel]] beschreibt die Instabilität von Molekülen mit zwei Hydroxygruppen am selben Kohlenstoff-Atom. Daher liegt das Gleichgewicht sehr weit auf der Seite des [[Anhydrid]]s; der Anteil des Säuremoleküls liegt in wässriger Lösung bei nur rund 0,2 %. Dieser Anteil ist mäßig von der Temperatur abhängig. In [[Lebewesen|Organismen]] wird die Reaktion durch das [[Enzym]] [[Carboanhydrase]] beschleunigt. Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige [[Säure]]. Sie gibt daher ihre [[Proton (Chemie)|Protonen]] in zwei Dissoziationsstufen an Wasser oder andere [[Basen (Chemie)|Basen]] ab:
Die [[Wikipedia:Erlenmeyer-Regel|Erlenmeyer-Regel]] beschreibt die Instabilität von Molekülen mit zwei Hydroxygruppen am selben Kohlenstoff-Atom. Daher liegt das Gleichgewicht sehr weit auf der Seite des [[Wikipedia:Anhydrid|Anhydrid]]s; der Anteil des Säuremoleküls liegt in wässriger Lösung bei nur rund 0,2 %. Dieser Anteil ist mäßig von der Temperatur abhängig. In [[Wikipedia:Lebewesen|Organismen]] wird die Reaktion durch das [[Wikipedia:Enzym|Enzym]] [[Wikipedia:Carboanhydrase|Carboanhydrase]] beschleunigt. Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige [[Wikipedia:Säure|Säure]]. Sie gibt daher ihre [[Wikipedia:Proton (Chemie)|Protonen]] in zwei Dissoziationsstufen an Wasser oder andere [[Wikipedia:Basen (Chemie)|Basen]] ab:
:<math>\mathrm{ \ H_2CO_3 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_3O^+ + HCO_3^{\,-} }</math> (2)
:<math>\mathrm{ \ H_2CO_3 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_3O^+ + HCO_3^{\,-} }</math> (2)
Der pK<sub>s</sub>-Wert der ersten [[Säurekonstante]] kann lediglich berechnet werden. Er liegt mit temperaturabhängigen Abweichungen eigentlich bei ca. 3,6. Kohlensäure ist damit eine mittelstarke Säure vergleichbar mit [[Essigsäure]] (pK<sub>s</sub> 4,76) und [[Ameisensäure]] (pK<sub>s</sub> 3,77). Da aber der Anteil der Kohlensäure gemäß Gleichung (1) schlecht zu bestimmen ist, werden die Reaktionen (1) und (2) zu (3) zusammengefasst:
Der pK<sub>s</sub>-Wert der ersten [[Wikipedia:Säurekonstante|Säurekonstante]] kann lediglich berechnet werden. Er liegt mit temperaturabhängigen Abweichungen eigentlich bei ca. 3,6. Kohlensäure ist damit eine mittelstarke Säure vergleichbar mit [[Wikipedia:Essigsäure|Essigsäure]] (pK<sub>s</sub> 4,76) und [[Wikipedia:Ameisensäure|Ameisensäure]] (pK<sub>s</sub> 3,77). Da aber der Anteil der Kohlensäure gemäß Gleichung (1) schlecht zu bestimmen ist, werden die Reaktionen (1) und (2) zu (3) zusammengefasst:
:<math>\mathrm{ \ CO_2 + 2 \ H_2O \ \rightleftharpoons \ H_3O^+ + HCO_3^{\,-} }</math> (3)
:<math>\mathrm{ \ CO_2 + 2 \ H_2O \ \rightleftharpoons \ H_3O^+ + HCO_3^{\,-} }</math> (3)
Der pK<sub>s</sub>-Wert für die zweite Säurekonstante liegt um 10,5. Reaktionsprodukt ist das Carbonat-Ion CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>.
Der pK<sub>s</sub>-Wert für die zweite Säurekonstante liegt um 10,5. Reaktionsprodukt ist das Carbonat-Ion CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>.
Die Konzentrationen der drei (eigentlich vier) Kohlensäure-[[Spezies (Chemie)|Spezies]], also der freien Kohlensäure (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> und gelöstes CO<sub>2</sub>), des Hydrogencarbonats und des Carbonats sowie der [[Oxonium]]ionen stehen miteinander durch das [[Massenwirkungsgesetz]] in einem berechenbaren Zusammenhang.
Die Konzentrationen der drei (eigentlich vier) Kohlensäure-[[Wikipedia:Spezies (Chemie)|Spezies]], also der freien Kohlensäure (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> und gelöstes CO<sub>2</sub>), des Hydrogencarbonats und des Carbonats sowie der [[Wikipedia:Oxonium|Oxonium]]ionen stehen miteinander durch das [[Wikipedia:Massenwirkungsgesetz|Massenwirkungsgesetz]] in einem berechenbaren Zusammenhang.
Die Konzentration der Oxoniumionen wird durch den [[pH-Wert]] ausgedrückt. Bei einem gegebenen pH-Wert ist somit das Mengenverhältnis der Spezies festgelegt.
Die Konzentration der Oxoniumionen wird durch den [[Wikipedia:pH-Wert|pH-Wert]] ausgedrückt. Bei einem gegebenen pH-Wert ist somit das Mengenverhältnis der Spezies festgelegt.
[[Datei:Hägg-Diagramm Kohlensäure.svg|mini|hochkant=1.6|[[Hägg-Diagramm]] von Kohlensäure (logarithmische Skala) – H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>: schwarz; HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>: violett; CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>: türkis; H<sup>+</sup>: gestrichelt; OH<sup>−</sup>: gepunktet]]
[[Datei:Hägg-Diagramm Kohlensäure.svg|mini|hochkant=1.6|[[Wikipedia:Hägg-Diagramm|Hägg-Diagramm]] von Kohlensäure (logarithmische Skala) – H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>: schwarz; HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>: violett; CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>: türkis; H<sup>+</sup>: gestrichelt; OH<sup>−</sup>: gepunktet]]
=== pH-Indikation Wasser ===
=== pH-Indikation Wasser ===
* Bei pH 4 liegen über 99 % als Kohlendioxid/Wasser-Mischung vor. (z. B. in [[Mineralwasser]])
* Bei pH 4 liegen über 99 % als Kohlendioxid/Wasser-Mischung vor. (z. B. in [[Wikipedia:Mineralwasser|Mineralwasser]])
* Bei einem pH-Wert von 6,5, der also gleich ist dem pK<sub>s</sub> der ersten Säurekonstante, liegt daneben gleich viel Hydrogencarbonat vor; der Anteil des Carbonats ist noch weit unter 1 %.
* Bei einem pH-Wert von 6,5, der also gleich ist dem pK<sub>s</sub> der ersten Säurekonstante, liegt daneben gleich viel Hydrogencarbonat vor; der Anteil des Carbonats ist noch weit unter 1 %.
* Bei ca. pH 7,5 in Leitungswasser bestimmt das enthaltene Hydrogencarbonat in Verbindung mit wenig gelöstem Kohlendioxid den Säurehaushalt. (menschliches [[Kohlensäure-Bicarbonat-System#Funktionsweise|Blut mit pH 7,4]] enthält Kohlendioxid und Hydrogencarbonat im Verhältnis 1 : 24)
* Bei ca. pH 7,5 in Leitungswasser bestimmt das enthaltene Hydrogencarbonat in Verbindung mit wenig gelöstem Kohlendioxid den Säurehaushalt. (menschliches [[Wikipedia:Kohlensäure-Bicarbonat-System#Funktionsweise|Blut mit pH 7,4]] enthält Kohlendioxid und Hydrogencarbonat im Verhältnis 1 : 24)
* Etwa bei pH 8,3 liegt der maximale Anteil an Hydrogencarbonat mit ca. 98 % vor; je knapp 1 % sind Kohlendioxid und Carbonat. Dies ist der typische pH-Wert von Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat in Wasser. Auch abgekochtes Trinkwasser zeigt diesen pH, da gelöstes Kohlendioxid ausgetrieben wurde.
* Etwa bei pH 8,3 liegt der maximale Anteil an Hydrogencarbonat mit ca. 98 % vor; je knapp 1 % sind Kohlendioxid und Carbonat. Dies ist der typische pH-Wert von Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat in Wasser. Auch abgekochtes Trinkwasser zeigt diesen pH, da gelöstes Kohlendioxid ausgetrieben wurde.
* Bis fast zur Trockene eingekochtes Trinkwasser zeigt einen pH von bis zu 9, da sich hierbei ein geringer Hydrogencarbonat-Anteil in Carbonat umwandelt (siehe [[Kesselstein]]-Bildung).
* Bis fast zur Trockene eingekochtes Trinkwasser zeigt einen pH von bis zu 9, da sich hierbei ein geringer Hydrogencarbonat-Anteil in Carbonat umwandelt (siehe [[Wikipedia:Kesselstein|Kesselstein]]-Bildung).
* Bei einem pH gleich dem pK<sub>s</sub> der zweiten Säurekonstante von 10,5 liegen gleiche Mengen Hydrogencarbonat und Carbonat sowie ein verschwindend geringer Anteil an Kohlendioxid vor.
* Bei einem pH gleich dem pK<sub>s</sub> der zweiten Säurekonstante von 10,5 liegen gleiche Mengen Hydrogencarbonat und Carbonat sowie ein verschwindend geringer Anteil an Kohlendioxid vor.
* Bei pH 12,5 hat das Carbonat einen Anteil um 99 %, Hydrogencarbonat liegt bei knapp 1 %. Dies ist der typische pH-Wert von Natrium- oder Kaliumcarbonat in Wasser.
* Bei pH 12,5 hat das Carbonat einen Anteil um 99 %, Hydrogencarbonat liegt bei knapp 1 %. Dies ist der typische pH-Wert von Natrium- oder Kaliumcarbonat in Wasser.
Diese Eckwerte spiegeln die Zusammenhänge im vielfach genutzten [[Kohlensäure-Bicarbonat-System|Bicarbonat-Puffer]] wider.
Diese Eckwerte spiegeln die Zusammenhänge im vielfach genutzten [[Wikipedia:Kohlensäure-Bicarbonat-System|Bicarbonat-Puffer]] wider.
=== Verwendung ===
=== Verwendung ===
Kohlensäure wird für unzählige Produktionsprozesse weltweit eingesetzt, wobei sie dem Endverbraucher wohl am ehesten aus [[Erfrischungsgetränk]]en bekannt sein dürfte.
Kohlensäure wird für unzählige Produktionsprozesse weltweit eingesetzt, wobei sie dem Endverbraucher wohl am ehesten aus [[Wikipedia:Erfrischungsgetränk|Erfrischungsgetränk]]en bekannt sein dürfte.
[[Jacob Schweppe]] entwickelte im späten 18. Jahrhundert ein Verfahren, mittels dessen sich Wasser mit Kohlenstoffdioxid versetzen lässt.
[[Wikipedia:Jacob Schweppe|Jacob Schweppe]] entwickelte im späten 18. Jahrhundert ein Verfahren, mittels dessen sich Wasser mit Kohlenstoffdioxid versetzen lässt.
Im 19. Jahrhundert begann man, [[Mineralwasser]] Kohlenstoffdioxid beizumischen, um dieses haltbar zu machen.
Im 19. Jahrhundert begann man, [[Wikipedia:Mineralwasser|Mineralwasser]] Kohlenstoffdioxid beizumischen, um dieses haltbar zu machen.
Siehe dazu [[Kohlenstoffdioxid#Verwendung in der Lebensmitteltechnologie|Verwendung von Kohlenstoffdioxid in der Lebensmitteltechnologie]].
Siehe dazu [[Wikipedia:Kohlenstoffdioxid#Verwendung in der Lebensmitteltechnologie|Verwendung von Kohlenstoffdioxid in der Lebensmitteltechnologie]].
== Kohlensäure als Reinsubstanz ==
== Kohlensäure als Reinsubstanz ==
Im Labor ist es gelungen, Kohlensäure (im engeren Sinn) als Reinsubstanz zu erzeugen.
Im Labor ist es gelungen, Kohlensäure (im engeren Sinn) als Reinsubstanz zu erzeugen.
Diese hat derzeit jedoch keine praktische Bedeutung.
Diese hat derzeit jedoch keine praktische Bedeutung.
Bei tiefen Temperaturen und unter absoluter Abwesenheit von Wasser oder Metallionen (beide katalysieren stark die Zersetzungsreaktion zu Kohlenstoffdioxid und Wasser) kann die Kohlensäure H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> als wasserklare, farblose Flüssigkeit dargestellt werden.<ref>Bericht: ''[http://www.uni-protokolle.de/nachrichten/id/56842/ uni-protokolle.de]''. - T. Loerting, C. Tautermann, R. T. Kroemer, I. Kohl, A. Hallbrucker, E. Mayer, K. R. Liedl: in [[Angewandte Chemie (Zeitschrift)|Angewandte Chemie]] '''2000''', ''112'', 919–922. ''Zur überraschenden kinetischen Stabilität von Kohlensäure (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)'', {{DOI|10.1002/(SICI)1521-3757(20000303)112:5<919::AID-ANGE919>3.0.CO;2-Y}}.</ref>
Bei tiefen Temperaturen und unter absoluter Abwesenheit von Wasser oder Metallionen (beide katalysieren stark die Zersetzungsreaktion zu Kohlenstoffdioxid und Wasser) kann die Kohlensäure H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> als wasserklare, farblose Flüssigkeit dargestellt werden.<ref>Bericht: ''[http://www.uni-protokolle.de/nachrichten/id/56842/ uni-protokolle.de]''. - T. Loerting, C. Tautermann, R. T. Kroemer, I. Kohl, A. Hallbrucker, E. Mayer, K. R. Liedl: in [[Wikipedia:Angewandte Chemie (Zeitschrift)|Angewandte Chemie]] '''2000''', ''112'', 919–922. ''Zur überraschenden kinetischen Stabilität von Kohlensäure (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)'', {{DOI|10.1002/(SICI)1521-3757(20000303)112:5<919::AID-ANGE919>3.0.CO;2-Y}}.</ref>
== Derivate der Kohlensäure ==
== Derivate der Kohlensäure ==
[[Datei:Harnstoff.svg|mini|hochkant=0.7|Harnstoff – ein Diamid der Kohlensäure.]]
[[Datei:Harnstoff.svg|mini|hochkant=0.7|Harnstoff – ein Diamid der Kohlensäure.]]
Darüber hinaus sind organische [[Derivat (Chemie)|Derivate]] der Kohlensäure bekannt, so verschiedene Kohlensäureester. Sie sind leicht zugänglich durch die Reaktion von [[Phosgen]] mit Alkoholen. Polyester der Kohlensäure sind die [[Polycarbonate]]. Eine andere Stoffgruppe sind die [[Amide]] der Kohlensäure. Ihre Stammverbindung ist der [[Harnstoff]], ein Diamid der Kohlensäure; als Beispiel seien die [[Carbamate|Urethane]] (von ''Urea'', Harnstoff) genannt. Es sind substituierte Ester des Monoamids der Kohlensäure, der [[Carbaminsäure]]; diese sind die Stammverbindungen überaus wichtiger Kunststoffe, der [[Polyurethane]].
Darüber hinaus sind organische [[Wikipedia:Derivat (Chemie)|Derivate]] der Kohlensäure bekannt, so verschiedene Kohlensäureester. Sie sind leicht zugänglich durch die Reaktion von [[Wikipedia:Phosgen|Phosgen]] mit Alkoholen. Polyester der Kohlensäure sind die [[Wikipedia:Polycarbonate|Polycarbonate]]. Eine andere Stoffgruppe sind die [[Wikipedia:Amide|Amide]] der Kohlensäure. Ihre Stammverbindung ist der [[Wikipedia:Harnstoff|Harnstoff]], ein Diamid der Kohlensäure; als Beispiel seien die [[Wikipedia:Carbamate|Urethane]] (von ''Urea'', Harnstoff) genannt. Es sind substituierte Ester des Monoamids der Kohlensäure, der [[Wikipedia:Carbaminsäure|Carbaminsäure]]; diese sind die Stammverbindungen überaus wichtiger Kunststoffe, der [[Wikipedia:Polyurethane|Polyurethane]].
== Aggressive Kohlensäure und Verwandte ==
== Aggressive Kohlensäure und Verwandte ==
Eine weitere Gruppe von [[Trivialnamen]], die ''nicht'' chemisch unterschiedliche ''Spezies'', sondern ''Mengenanteile'' bezeichnen, stammt aus dem Bereich der Wasserchemie für kalkhaltige Wässer.
Eine weitere Gruppe von [[Wikipedia:Trivialnamen|Trivialnamen]], die ''nicht'' chemisch unterschiedliche ''Spezies'', sondern ''Mengenanteile'' bezeichnen, stammt aus dem Bereich der Wasserchemie für kalkhaltige Wässer.
Es sei darauf hingewiesen, dass die folgenden Begriffe jeweils Mengenanteile der sogenannten ''freien Kohlensäure'' betreffen, bei denen zwischen Kohlenstoffdioxid und der Kohlensäure im engeren Sinn nicht unterschieden wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die folgenden Begriffe jeweils Mengenanteile der sogenannten ''freien Kohlensäure'' betreffen, bei denen zwischen Kohlenstoffdioxid und der Kohlensäure im engeren Sinn nicht unterschieden wird.
Entsprechend dem [[Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht]] sind die Konzentrationen von Calcium und Kohlensäure voneinander abhängig. Man unterscheidet die Menge der ''zugehörigen'' Kohlensäure von der Menge der ''überschüssigen'' und der ''(kalk-)aggressiven Kohlensäure''.
Entsprechend dem [[Wikipedia:Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht|Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht]] sind die Konzentrationen von Calcium und Kohlensäure voneinander abhängig. Man unterscheidet die Menge der ''zugehörigen'' Kohlensäure von der Menge der ''überschüssigen'' und der ''(kalk-)aggressiven Kohlensäure''.
''Zugehörige'' Säure hält im Mengengleichgewicht der Kohlensäurespezies den [[pH-Wert]] gerade so niedrig, dass die hiervon abhängige Konzentration des [[Carbonat]]es multipliziert mit der des [[Calcium]]s gerade noch nicht das [[Löslichkeitsprodukt]] des Calciumcarbonats überschreitet.
''Zugehörige'' Säure hält im Mengengleichgewicht der Kohlensäurespezies den [[Wikipedia:pH-Wert|pH-Wert]] gerade so niedrig, dass die hiervon abhängige Konzentration des [[Wikipedia:Carbonat|Carbonat]]es multipliziert mit der des [[Wikipedia:Calcium|Calcium]]s gerade noch nicht das [[Wikipedia:Löslichkeitsprodukt|Löslichkeitsprodukt]] des Calciumcarbonats überschreitet.
Darüber hinaus vorhandene freie Kohlensäure gilt als überschüssig.
Darüber hinaus vorhandene freie Kohlensäure gilt als überschüssig.
Davon wiederum ein Teil könnte weiteren [[Calciumcarbonat|Kalk]] in Lösung bringen, ist also ''(kalk-)aggressiv'';
Davon wiederum ein Teil könnte weiteren [[Wikipedia:Calciumcarbonat|Kalk]] in Lösung bringen, ist also ''(kalk-)aggressiv'';
der Rest des Überschusses würde danach als zusätzliche zugehörige Kohlensäure benötigt.
der Rest des Überschusses würde danach als zusätzliche zugehörige Kohlensäure benötigt.
* <math>\mathrm{m_{CO_2}}</math> = Konzentration der zu berechnenden zugehörigen freien Kohlensäure (CO<sub>2</sub>) in mol/kg
* <math>\mathrm{m_{CO_2}}</math> = Konzentration der zu berechnenden zugehörigen freien Kohlensäure (CO<sub>2</sub>) in mol/kg
* <math>\mathfrak{t}</math> = [[Josef Tillmans|Tillmanssche Konstante]]
* <math>\mathfrak{t}</math> = [[Wikipedia:Josef Tillmans|Tillmanssche Konstante]]
* <math>\mathrm{(m_{HCO_3})^2}</math> = Quadrat der Konzentration der Hydrogencarbonate (HCO<sub>3</sub>) in mol/kg
* <math>\mathrm{(m_{HCO_3})^2}</math> = Quadrat der Konzentration der Hydrogencarbonate (HCO<sub>3</sub>) in mol/kg
* <math>\mathrm{\ m_{Ca}}</math> = Konzentration des Calciums in mol/kg
* <math>\mathrm{\ m_{Ca}}</math> = Konzentration des Calciums in mol/kg
Weitere Einzelheiten hierzu unter [[Tillmanssche Formel|Tillmanssche Gleichung]].
Weitere Einzelheiten hierzu unter [[Wikipedia:Tillmanssche Formel|Tillmanssche Gleichung]].
Für die Aufbereitung und Entkarbonisierung von Wässern ist die genaue Kenntnis dieses Gleichgewichtes und seiner Einstellgeschwindigkeit von großer Bedeutung. So wird bei der Trinkwasseraufbereitung das Rohwasser über halbgebranntes [[Dolomit (Gestein)|Dolomit]] (Calciummagnesiumcarbonat, CaMg(CO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>) geleitet, damit es keine ''überschüssige'' „freie Kohlensäure“ enthält, da Eisen oder andere Metalle mit dieser reagieren und so beispielsweise Rohrleitungen aus Stahl korrodieren würden. Auch diese Reaktionen sind konzentrationsabhängig im Gleichgewicht mit entsprechenden Carbonaten. Deshalb spricht man dann z. B. von „Eisen-aggressiver Kohlensäure“. Dolomit wird verwendet, weil in Anwesenheit von Magnesiumionen die Einstellgeschwindigkeit des Tillmans’schen Gleichgewichtes erheblich beschleunigt wird, was mit reinem Calciumcarbonat viel zu lange dauern würde.
Für die Aufbereitung und Entkarbonisierung von Wässern ist die genaue Kenntnis dieses Gleichgewichtes und seiner Einstellgeschwindigkeit von großer Bedeutung. So wird bei der Trinkwasseraufbereitung das Rohwasser über halbgebranntes [[Wikipedia:Dolomit (Gestein)|Dolomit]] (Calciummagnesiumcarbonat, CaMg(CO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>) geleitet, damit es keine ''überschüssige'' „freie Kohlensäure“ enthält, da Eisen oder andere Metalle mit dieser reagieren und so beispielsweise Rohrleitungen aus Stahl korrodieren würden. Auch diese Reaktionen sind konzentrationsabhängig im Gleichgewicht mit entsprechenden Carbonaten. Deshalb spricht man dann z. B. von „Eisen-aggressiver Kohlensäure“. Dolomit wird verwendet, weil in Anwesenheit von Magnesiumionen die Einstellgeschwindigkeit des Tillmans’schen Gleichgewichtes erheblich beschleunigt wird, was mit reinem Calciumcarbonat viel zu lange dauern würde.
Bei manchen Anwendergruppen, z. B. in der Fischerei, werden die hier genannten Mengenbegriffe oft so ''missverstanden'', als ob z. B. die „aggressive Kohlensäure“ besonders schädlich wäre, etwa für die Fische. Da aber Fische nicht aus Kalk bestehen, richtet sich die aggressive Kohlensäure nicht in anderer Weise gegen sie als der Rest der Kohlensäure. Für die Atmung der Fische ist vielmehr die gesamte gelöste CO<sub>2</sub>-Konzentration ausschlaggebend, für eine allfällige sauere Verätzung ausschließlich der pH-Wert des Wassers. Die „zugehörige Kohlensäure“ wird dort so missverstanden, als ob sie in besonderer Weise an das Hydrogencarbonat gebunden und deshalb nicht durch Wasserbelüftung auszutreiben oder durch Photosynthese von Algen zu verbrauchen wäre. Tatsächlich steht beiden Vorgängen die gesamte „freie Kohlensäure“ zur Verfügung, so dass es zu einer Steigerung des pH-Wertes, dadurch zu einer Verschiebung des Mengengleichgewichts hin zu mehr Carbonat und dadurch schließlich zu einer Überschreitung des Löslichkeitsproduktes des Kalkes, also zu einer Kalkfällung kommt. Siehe dazu auch [[Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht]].
Bei manchen Anwendergruppen, z. B. in der Fischerei, werden die hier genannten Mengenbegriffe oft so ''missverstanden'', als ob z. B. die „aggressive Kohlensäure“ besonders schädlich wäre, etwa für die Fische. Da aber Fische nicht aus Kalk bestehen, richtet sich die aggressive Kohlensäure nicht in anderer Weise gegen sie als der Rest der Kohlensäure. Für die Atmung der Fische ist vielmehr die gesamte gelöste CO<sub>2</sub>-Konzentration ausschlaggebend, für eine allfällige sauere Verätzung ausschließlich der pH-Wert des Wassers. Die „zugehörige Kohlensäure“ wird dort so missverstanden, als ob sie in besonderer Weise an das Hydrogencarbonat gebunden und deshalb nicht durch Wasserbelüftung auszutreiben oder durch Photosynthese von Algen zu verbrauchen wäre. Tatsächlich steht beiden Vorgängen die gesamte „freie Kohlensäure“ zur Verfügung, so dass es zu einer Steigerung des pH-Wertes, dadurch zu einer Verschiebung des Mengengleichgewichts hin zu mehr Carbonat und dadurch schließlich zu einer Überschreitung des Löslichkeitsproduktes des Kalkes, also zu einer Kalkfällung kommt. Siehe dazu auch [[Wikipedia:Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht|Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht]].
== Literatur ==
== Literatur ==
* Th. Loerting, Chr. Tautermann, R. T. Kroemer: ''On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid.'' In: ''Angew. Chem. Int. Ed.'' 39, Nr. 5, 2000, S. 891–894.<br />deutsch: Th. Loerting, Chr. Tautermann, R. T. Kroemer: ''Zur überraschenden kinetischen Stabilität von Kohlensäure.'' In: ''Angew. Chem.'' 112, 2000, S. 919–922 ({{DOI|10.1002/(SICI)1521-3757(20000303)112:5<919::AID-ANGE919>3.0.CO;2-Y}}).
* Th. Loerting, Chr. Tautermann, R. T. Kroemer: ''On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid.'' In: ''Angew. Chem. Int. Ed.'' 39, Nr. 5, 2000, S. 891–894.<br />deutsch: Th. Loerting, Chr. Tautermann, R. T. Kroemer: ''Zur überraschenden kinetischen Stabilität von Kohlensäure.'' In: ''Angew. Chem.'' 112, 2000, S. 919–922 ({{DOI|10.1002/(SICI)1521-3757(20000303)112:5<919::AID-ANGE919>3.0.CO;2-Y}}).
* Kurt Bauer: ''Zur Bedeutung der Kohlensäure in Karpfenteichen.'' In: ''Österreichs Fischerei'' 44, 1991, S. 49–64.<ref>[http://www.koi-hobby.de/wasser_fuer_koi/zur_bedeutung_der_kohlensaure_in_karpfenteichen.html Zur Bedeutung der Kohlensäure in Karpfenteichen]. Teilabdruck des Originals.</ref>
* Kurt Bauer: ''Zur Bedeutung der Kohlensäure in Karpfenteichen.'' In: ''Österreichs Fischerei'' 44, 1991, S. 49–64.<ref>[http://www.koi-hobby.de/wasser_fuer_koi/zur_bedeutung_der_kohlensaure_in_karpfenteichen.html Zur Bedeutung der Kohlensäure in Karpfenteichen]. Teilabdruck des Originals.</ref>
* [[Julius Pia]]: ''Kohlensäure und Kalk – Einführung in das Verständnis ihres Verhaltens in den Binnengewässern.'' In: ''Die Binnengewässer.'' Bd. XIII, Schweizerbart, Stuttgart 1933, ISBN 978-3-510-40713-2.
* [[Wikipedia:Julius Pia|Julius Pia]]: ''Kohlensäure und Kalk – Einführung in das Verständnis ihres Verhaltens in den Binnengewässern.'' In: ''Die Binnengewässer.'' Bd. XIII, Schweizerbart, Stuttgart 1933, ISBN 978-3-510-40713-2.
* H. E. Hömig: ''Physikochemische Grundlagen der Speisewasserchemie.'' 2. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen 1963, Kap. 2.25–2.30.
* H. E. Hömig: ''Physikochemische Grundlagen der Speisewasserchemie.'' 2. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen 1963, Kap. 2.25–2.30.