23.1.8. Die Kristallstruktur von Kohlendioxid
Kohlendioxid ist eines der wichtigsten Nichtmetalloxide. Es gehört zur Klasse der anorganischen Verbindungen und hat die Formel CO2. Ein anderer Name ist Kohlenstoffdioxid.
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Bild 2 : |
Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung oben durch Anklicken des Links unter Bild 2.
23.1.8.1. Struktur
Bild 3 : Kohlendioxid–Kristall in Kalottendarstellung.
In der JSmol–Visualisierung und in den Bildern 2 und 3 sehen Sie Spalten von Molekülen, die abwechselnd nach rechts oben und nach rechts unten zeigen. Die Moleküle in einer Spalte zeigen abwechselnd nach vorn und nach hinten. Das können Sie besonders gut in der Kalottendarstellung in Bild 3 erkennen.
23.1.8.2. Warum nehmen die Moleküle diese Lage ein ?
Würde man versuchen, die stäbchenförmigen Kohlendioxid–Moleküle möglichst platzsparend anzuordnen, würde man sie nebeneinander wie die Streichhölzer in der Schachtel legen. Bild 4 zeigt eine solche Anordnung. In der zugehörigen JSmol–Visualisierung (Aufruf über den Link unter Bild 4) können Sie sie interaktiv erforschen. Die Moleküle liegen aber nicht so, sondern sind gegeneinander gekippt. Warum ist das so ?
Kohlenstoff hat eine niedrigere Elektronegativität als Sauerstoff. Daher tragen die beiden Sauerstoffatome eine negative Teilladung, das Kohlenstoffatom eine positive Teilladung. Würden die Moleküle nebeneinander liegen, wären auch die Kohlenstoffatome nebeneinander und würden sich aufgrund ihrer Ladung abstoßen. Genauso würden Sauerstoffatome nebeneinander liegen und würden sich abstoßen.
Bild 4 : So liegen die Kohlendioxid–Moleküle nicht im Kristall.
Diese Anordnung wäre zwar platzsparend, aber die Kohlenstoffatome würden sich wegen ihrer positiven Teilladung
abstoßen, ebenso die Sauerstoffatome.
Die Moleküle lagern sich also so, dass jedes Kohlenstoffatom einen möglichst großen Abstand von den Kohlenstoffatomen der benachbarten Moleküle hat. Außerdem soll natürlich auch jedes Sauerstoffatom einen möglichst großen Abstand von allen Sauerstoffatomen der umliegenden Moleküle haben. Das Resultat sind die gegeneinander gekippten Moleküle, in den Bildern 2 und 3 zu sehen. Jedes Sauerstoffatom ist von 3 Kohlenstoffatomen der benachbarten Moleküle umgeben, ebenso ist jedes Kohlenstoffatom von Sauerstoffatomen der Nachbarmoleküle umgeben.
23.1.8.3. Trockeneis
Festes Kohlendioxid kann man kaufen. Es heißt Trockeneis und hat eine Temperatur von –78° C. Bei dieser Temperatur sublimiert es. An dem immer noch sehr kalten Kohlendioxid–Gas schlägt sich die Luftfeuchtigkeit nieder, und es bilden sich wallende Nebel, die früher für Theatereffekte benutzt wurden – heute gibt es Besseres.
23.1.8.4. Warum sublimiert Kohlendioxid bei so niedriger Temperatur ?
Zwischen den einzelnen Molekülen wirken nur schwache Kräfte. Dort sind keine Ionen– oder Atombindungen vorhanden, sondern nur so genannte Dipolkräfte (→ Kapitel 5.6.) oder van–der–Waals–Kräfte (→ Kapitel 5.10). Um sie zu überwinden, ist nur wenig Energie nötig, die schon bei –78° aufgebracht werden kann.
- Mehr über Sublimation erfahren Sie in Kapitel xxx.
23.1.8.5. Physikalische Eigenschaften
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| Steckbrief Kohlendioxid | |
| Summenformel | CO2 |
| Sublimationspunkt | –78,48 °C |
| kritische Temperatur | 31,0 °C |
| kritischer Druck | 73,9 ⋅ 105 Pa (73,9 bar) |
| kritische Dichte | 0,464 g/cm3 |
| Dichte bei 0 °C und 1 atm | 1,9768 g/l |
| Dichte bei –79 °C (fest) | 1,56 g/cm3 |
| Löslichkeit in Wasser | |
| bei 20 °C und 1 atm | 1,8 g/l |
| bei 0 °C und 1 atm | 3,4 g/l |
| CAS–Nr. | 124–38–9 |
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