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Kohlenstoff (von urgerm. kul-a-, kul-ō(n)- ,Kohle‘) oder Carbon (von lat. carbō ,Holzkohle‘, latinisiert Carboneum oder Carbonium) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol C und der Ordnungszahl 6. Im Periodensystem steht es in der vierten Hauptgruppe, bzw. der 14. IUPAC-Gruppe oder Kohlenstoffgruppe sowie der zweiten Periode.
Es kommt in der Natur sowohl in gediegener (reiner) Form (Diamant, Graphit, Chaoit) als auch chemisch gebunden (z. B. in Form von Carbiden, Carbonaten, Kohlenstoffdioxid, Erdöl, Erdgas und Kohle) vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung komplexer Moleküle und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff und seine Verbindungen zur Grundlage des Lebens auf der Erde.
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Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit der Summenformel CO2, ein unbrennbares, saures und farbloses Gas; es löst sich gut in Wasser: Hier wird es umgangssprachlich oft – besonders im Zusammenhang mit kohlenstoffdioxidhaltigen Getränken – fälschlicherweise auch „Kohlensäure“ genannt. Mit basischen Metalloxiden oder -hydroxiden bildet es zwei Arten von Salzen, die Carbonate und Hydrogencarbonate genannt werden.
CO2 ist ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffzyklus und als natürlicher Bestandteil der Luft ein wichtiges Treibhausgas in der Erdatmosphäre: Durch menschliche Aktivitäten, allen voran die Verbrennung fossiler Energieträger, stieg der Anteil in der Erdatmosphäre von ca. 280 parts per million (ppm, Teile pro Million) zu Beginn der Industrialisierung auf 407,8 ppm im Jahr 2018 an.[10][11] Im Mai 2019 wurde in der NOAA-Messstation Mauna Loa in Hawaii ein Monatsdurchschnitt von rund 415 ppm gemessen[12][13], Tendenz weiter steigend.[14] Dieser Anstieg bewirkt eine Verstärkung des Treibhauseffekts, was wiederum die Ursache für die aktuelle globale Erwärmung ist.[15]
Unter ausreichender Sauerstoffzufuhr entsteht CO2 sowohl bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen als auch im Organismus von Lebewesen als Produkt der Zellatmung. Pflanzen, Algen sowie manche Bakterien und Archaeen wandeln CO2 durch Fixierung (Kohlenstoffdioxid-Assimilation) in Biomasse um. Bei der Photosynthese entsteht aus anorganischem CO2 und Wasser Glucose.
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CO2-Fluss aus der Biosphäre im Verlauf des 8. Juli 2006, also im Nordsommer (NOAA-Carbon Tracker, 3-Stunden-Schritte), negativer Fluss, durch pflanzliche Photosynthese auf der Tagseite, ist in blauen Farbtönen dargestellt
Gleiches am 28. Dezember 2006, nun überwiegt die Aktivität auf der Südhalbkugel
Kohlenstoffdioxid (CO2) ist als Spurengas mit einem Volumenanteil von etwa 0,04 % (etwa 400 ppm) in der Atmosphäre enthalten. Der Massenanteil beträgt etwa 0,06 %.[1]
Trotz der geringen Konzentration ist Kohlenstoffdioxid für das Leben auf der Erde in vielerlei Hinsicht von elementarer Bedeutung: Pflanzen nehmen das für sie lebensnotwendige Spurengas auf und geben Sauerstoff ab (Photosynthese), während bei der Atmung der allermeisten Lebewesen und vielen anderen natürlichen Prozessen Kohlenstoffdioxid freigesetzt und in die Erdatmosphäre abgegeben wird.
Als Treibhausgas beeinflusst CO2 durch den Treibhauseffekt das Klima der Erde und durch seine Löslichkeit in Wasser den pH-Wert der Ozeane wesentlich. Im Verlauf der Erdgeschichte schwankte der atmosphärische CO2-Gehalt erheblich und war häufig an einer Reihe gravierender Klimawandel-Ereignisse direkt beteiligt.
Geschichte
Kohlenstoffdioxid war eines der ersten Gase, das eine Bezeichnung bekam. Im 17. Jahrhundert beobachtete der flämische Chemiker Johan Baptista van Helmont, dass die Masse von Holzkohle bei der Verbrennung abnahm, da die Masse der verbleibenden Asche geringer war als die der eingesetzten Holzkohle. Seine Interpretation war, dass sich der Rest der Holzkohle in eine unsichtbare Substanz verwandelt hatte, die er Gas oder Spiritus sylvestre („Waldgeist“) nannte.[16]
Die Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid wurden durch den schottischen Arzt Joseph Black gründlicher studiert. Er fand im Jahr 1754 heraus, dass beim Versetzen von Calciumcarbonat-Lösungen mit Säuren ein Gas freigesetzt wird, das er fixed air („fixierte/festgesetzte Luft“) nannte.[17] Er erkannte, dass dieses schwerer als Luft war und Verbrennungsvorgänge nicht unterstützte. Beim Einleiten dieses Gases in eine Lösung von Calciumhydroxid konnte er einen Niederschlag erzeugen. Mit diesem Phänomen zeigte er, dass Kohlenstoffdioxid im Atem von Säugetieren vorkommt und durch mikrobiologische Fermentation freigesetzt wird. Seine Arbeiten bewiesen, dass Gase an chemischen Reaktionen beteiligt sein können, und trugen zum Fall der Phlogistontheorie bei.[18]
Joseph Priestley gelang 1772 die erste Herstellung von Sodawasser, indem er Schwefelsäure in eine kalkhaltige Lösung leitete und das entstandene Kohlenstoffdioxid in einem Becher mit Wasser löste.[19] Den Zusammenhang von Kohlendioxid und Kohlensäure erkannte allerdings schon William Brownrigg wesentlich früher. Im Jahr 1823 verflüssigten Humphry Davy und Michael Faraday Kohlenstoffdioxid durch Druckerhöhung.[20] Die erste Beschreibung von festem Kohlenstoffdioxid stammt von Adrien Thilorier, der 1834 einen unter Druck stehenden Behälter mit flüssigem Kohlenstoffdioxid öffnete und feststellte, dass die spontane Verdampfung unter Abkühlung stattfindet, die zu festem CO2 führt.[21]

Als Atmosphäre bezeichne ich die gasförmige Hülle um Himmelskörper. Die Atmosphäre der Erde hat einen hohen Anteil an Stickstoff und Sauerstoff und somit oxidierende Verhältnisse. Ihre vertikale Gliederung ist durch unterschiedliche Temperaturen bedingt. Das Wettergeschehen findet in den unteren etwa 10 Kilometern statt, der Troposphäre und ist das Forschungsfeld der Meteorologie.

Erde von der ISS
Bildquelle: Wikipedia
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