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Kohlenstoffkreislauf

Skripte
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Einführung

Inzwischen ist dir bestimmt bewusst, dass das Element Kohlenstoff eine wichtige Stellung in der Natur einnimmt. Er kommt sowohl in der anorganischen Chemie (Gesteine, Treibhausgase, Kohlensäure) als auch in der organischen Chemie (Zucker, Enzyme, DNA) vor. Ein Leben ohne Kohlenstoff wäre also unmöglich!
Der Kohlenstoff kann dabei von anorganischem zu organischem Stoff umgewandelt werden und auch umgekehrt. Dies lässt sich anhand von Kreisläufen darstellen, die in geologische und biologische unterschieden werden können.

Geologischer Kohlenstoffkreislauf

Schauen wir uns zuerst den geologischen Kreislauf an. Eventuell bist du ihm schon in der Geographie begegnet. Ein Skript dazu kannst du in GeoLV „Kreislauf der Gesteine“ finden.
Der geologische Kreislauf ist deshalb so wichtig zu betrachten, da $99\%$ des gesamten Kohlenstoffs auf der Erde in den Gesteinen gespeichert wird und zwar in Form von Carbonaten und Kerogen.
Carbonate bilden eine Gruppe von ionischen Salzen und Ester der Kohlensäure ($H_2CO_3$).
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 1: Kohlensäure und seine Salze und Ester.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 1: Kohlensäure und seine Salze und Ester.
Kerogene sind polymere (also ganz ganz lange Moleküle), organische Verbindungen und stellen die häufigste Form von gebundenem Kohlenstoff auf der Erde dar. Wichtige Vertreter der Kerogensedimente sind die Ölschiefer, die auf der Erde weit verbreitet sind. Ölschiefer können bis zu $10\%$ organische Substanzen in Form von langen Kohlenwasserstoffen enthalten.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 2: Der geologische Kohlenstoffkreislauf.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 2: Der geologische Kohlenstoffkreislauf.
Im Folgenden schauen wir uns die chemischen Reaktionen an, die beim geologischen Kohlenstoffkreislauf beteiligt sind.
Wusstest du schon, dass Kohlenstoffdioxid in Regenwasser gelöst sein kann? (1). Dabei reagiert das Kohlenstoffdioxid zu Kohlensäure. Fällt nun das Regenwasser auf die Carbonatsedimente, so reagiert das kohlensäurehaltige Wasser mit den Carbonaten ($CaCO_3$) zu löslichen Hydrogencarbonaten ($HCO_3^-$).
$\begin{array}[t]{cccccccccc} CaCO_3&+&CO_2&+&H_2O&\longrightarrow&Ca^{2+}&+&2&HCO_3^- \end{array}$
Diesen Prozess nennt man Verwitterung (2). Dabei zerfällt das Gestein in seine löslichen Bestandteile.
Nach Sauerstoff ist Silizium das zweithäufigste Element, das in der Erdkruste vorkommt. Allerdings wirst du Silizium in der Natur äußerst selten gediegen (also reiner Form) vorfinden. Dieses Element fühlt sich in Form von Silikaten wohler. Silikate sind ionische Salze und Ester der Ortho-Kieselsäure ($Si(OH)_4$).
Auch diese Siliziumverbindungen können durch Regenwasser verwittern. Dabei wird auch hier der Kohlenstoff in Hydrogencarbonationen gebunden.
In der folgenden Reaktionsgleichung wird die Verwitterung des Calciumsilikats (ein einfaches Silikat) dargestellt:
$\begin{array}[t]{ccccccccccccc} CaSiO_3&+&2&CO_2&+&H_2O&\longrightarrow&Ca^{2+}&+&2&HCO_3^-&+&SiO_2 \end{array}$
Dabei bleibt festes Siliziumdioxid ($SiO_2$) zurück.
Kerogen verwittert ebenfalls, allerdings in Gegenwart von Sauerstoff. Der Prozess verläuft langsam und dabei wird Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre freigesetzt.
Ein geringer Anteil des gelösten Hydrogencarbonats fällt wieder als Carbonat aus. Daraus entstehen dann wieder neue Gesteine. Das restliche Hydrogencarbonat wird allerdings durch Flüsse ins Meer transportiert (3), in dem Meeresorganismen (Korallen, Plankton) den Calcium- und Hydrogencarbonat verwerten können. Diese Lebenwesen benötigen die Carbonate, um daraus ihr Außenskelett und ihre Schale aus Calciumcarbonat bilden können. Bei der Umwandlung zum Calciumcarbonat wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt.
$\begin{array}[t]{cccccccccc} Ca^{2+}&+&2&HCO_3^-&\longrightarrow&CaCO_3&+&CO_2&+&H_2O \end{array}$
Diese Reaktionsgleichung ist im Prinzip die Umkehrung zu der ersten Reaktionsgleichung zur Verwitterung der Carbonate.
Wenn die marine Lebewesen absterben, sinken diese zum Meeresboden und werden mit der Zeit durch weitere Ablagerungen eingebettet (4). Dies ist ein weiterer Prozess, wie neue Carbonatgesteine neugebildet werden können. Die abgelagerten, organischen Stoffe werden durch Flüsse ins Meer befördert, sodass nach einem langwierigen Verlauf diese in Kerogengesteine umgesetzt werden.
Die Carbonatsedimente können durch Verschiebungen der Erdkruste in die Tiefe der Erde gelangen (5). Im Erdinneren herrschen hohe Temperaturen, sodass die Carbonate mit dem umgebenden Gestein, das hauptsächlich aus Quarz und Silikate besteht, reagieren. Man nennt diesen Reaktionsschritt magmatische Zersetzung (6). Bei diesem Verlauf entstehen neue Silikate und - wer hätte es gedacht? - Kohlenstoffdioxid.
$\begin{array}[t]{ccccccc} CaCO_3&+&SiO_2&\longrightarrow&CaSiO_3&+&CO_2 \end{array}$
Kohlenstoffdioxid ist ein Gas, das bei der Bildung im Erdinneren auch wieder in die Atmosphäre hinausdringen will. Es steigt somit zusammen mit dem Magma aus Spalten der Erdkuste auf. Dies kann spektakulär durch Vulkanausbrüchen in riesigen Mengen geschehen (7), aber auch in der Umgebung eines Vulkans, auch wenn der Vulkan nicht mehr aktiv ist, kann das Gas austreten (8).
Wie ist es aber nun, wenn das Kohlenstoffdioxid aus dem Meeresboden ins Meer gelangt? Wie du inzwischen schon weißt, löst sich Kohlenstoffdioxid in Wasser zu Kohlensäure und gelangt dabei an die Erdoberfläche.
Kohlenstoffdioxid tritt besonders an den Orten auf, bei dem zwei Erdplatten zusammenstoßen.
Du hast in diesem Abschnitt die Teilschritte zu dem geologischen Kohlenstoffkreislauf kennengelernt. Damit ist aber der gesamte Kreislauf noch lange nicht vollständig. Wie oben erwähnt, gibt es noch den biologischen Kreislauf, auf den wir nun im folgenden Abschnitt eingehen werden.

Biologischer Kohlenstoffkreislauf

Lebende Biomasse

Wie am Anfang beschrieben, nimmt der Kohlenstoff eine essentielle Stellung in dem Raum der Lebewesen ein. Die lebende Biomasse ist zwar im Vergleich zu dem geologischen Bereich sehr gering, dennoch spielt sie für den Kohlenstoffkreislauf eine wichtige Rolle.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 3: Der biologische Kohlenstoffkreislauf.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 3: Der biologische Kohlenstoffkreislauf.
Pflanzen sind autotrophe Organismen, d.h. sie stellen ihre Nahrung selbst her. Hierfür benötigen sie an erster Stelle Kohlenstoffdioxid, das sie aus der Luft aufnehmen (1). Der Kohlenstoff aus dem Gas wird fixiert und in das energiereiche Molekül Glucose ($C_6H_{12}O_6$) weiterverarbeitet. Dieser Prozess ist bekannt als die Photosynthese.
$\begin{array}[t]{cccccccccc} 6&CO_2&+&6&H_2O&\longrightarrow&C_6H_{12}O_6&+&6&O_2 \end{array}$
Bei diesem Vorgang wird unter Lichteinstrahlung Energie gewonnen. Deshalb wird dieser Teilprozess der Photosynthese auch die Lichtreaktion genannt. Die absorbierte und gewonnene Energie benötigt die Pflanze, um ihre weiteren Stoffwechselvorgänge zu ermöglichen.
Die gebildete Glucose ist ein Zucker, der den Ausgangsstoff für weitere pflanzliche Bausteine darstellt. Aus diesem können beispielsweise Stärke oder Cellulose synthetisiert werden. Für diesen Prozess wird die Energie verbraucht, die bei der Lichtreaktion gewonnen wurde. Bei dieser Reaktion entsteht wiederum Kohlenstoffdioxid, das in die Atmosphäre freigesetzt wird (2). Dieser Reaktionsverlauf ist bekannt als die Zellatmung bzw. Dunkelreaktion und ist im Prinzip die Umkehrung der Lichtreaktion.
$\begin{array}[t]{cccccccccc} C_6H_{12}O_6&+&6&O_2&\longrightarrow&6&CO_2&+&6&H_2O \end{array}$
Tiere haben nicht die Möglichkeit eigene organische Stoffe aus Kohlenstoffdioxid zu bilden. Sie müssen also auf einem anderen Weg an diese wertvolle Bausteine gelangen und zwar indem sie sich direkt von Pflanzen ernähren oder indirekt von anderen Tieren (4). Bei der Verdauung können die Tiere dann die organischen Verbindungen in ihre Grundbausteine wie Aminosäuren, Zuckern oder Fettsäuren zerlegen und daraus ihre eigenen essentiellen Bausteine bilden.
Grundsätzlich führt jede einzelne Zelle des Körpers eine Zellamtung durch. Dabei verbrennen sie die energiereiche Glucose mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Der Organismus gewinnt daraus Energie, die er benötigt für die Herstellung neuer Bausteine und Kohlenstoffdioxid wird kontinuierlich freigesetzt (3).
Nach einer gewissen Zeit sterben die Lebewesen ab und ab diesem Zeitpunkt fängt ihre Zersetzung in organische Substanzen an (5). Tote Pflanzen bilden nach dem Zersetzungsprozess Humus oder Torf (6). Auch bei diesem Verlauf entsteht Kohlenstoffdioxid.
Der biologische Kreislauf setzt sich also zusammen aus Pflanzen, die Kohlenstoffdioxid aufnehmen können und Tieren, die die Pflanzen direkt oder indirekt aufnehmen und mittels Atmung Kohlenstoffdioxid wieder freisetzen.

Fossile Brennstoffe

Fossile Brennstoffe, wie z.B. Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle, bilden bis heute den wichtigsten Energieträger für den Menschen. Sie entstehen aus abgestorbenen Organismen, die nach langwierigen, natürlichen Prozessen zu Fossilen umgewandelt werden.
Gehen wir nochmal auf die Zersetzung von toten Organismen ein. Wie oben besprochen, werden diese zersetzt zu Humus oder Torf. Auch die Meereslebewesen sinken beim Absterben zu Boden herab. In großen Tiefen gibt es aufgrund von Sauerstoffmangel nicht mehr genügend Mikroorganismen, um das tote, organische Material abzubauen. Aus diesen Sedimenten entsteht nach einer sehr langen Zeit durch Überlagerungen, Druck und Sauerstoffausschluss das wohl für dich bekannte Erdöl.
Aus demselben Ursprungsmaterial wird auch das Erdgas gebildet. Die Voraussetzungen zur Bildung des Erdgases sind analog zu den des Erdöls. Das Erdgas besteht aus einem kleinen Kohlenwasserstoffmolekül, dem Methan ($CH_4$).
Eine anderen Möglichkeit zur Bildung fossiler Brennstoffe sind Stein- und Braunkohle. Diese werden aus abgestorbenen Pflanzenteile gebildet, die sich in Sümpfen ansammeln und somit ebenfalls vom Sauerstoff isoliert sind. Es entsteht somit ein kohlenstoffreiches Material, das als Torf bezeichnet wird. In diesem Stadium kann man Torf bereits schon zur Energiegewinnung verwenden. Allerdings befindet sich im Torf noch viel Feuchtigkeit, sodass bei der Verbrennung dieses fossilen Brennstoffes viele unerwünschte und umweltschädliche Nebenprodukte entstehen.
Erst im Laufe der Jahre, wenn weitere Sedimentschichten drüberlegen und somit die Feuchtigkeit aufgrund des Drucks aus dem Torf rausgepresst wird, entsteht die Braunkohle, die einen vollwärtigeren Brennstoff darstellt. Im weiteren Verlauf dieses Prozesses entsteht daraufhin das nächste Stadium, die Steinkohle. Diese hat im Vergleich zur Braunkohle weniger Fremdstoffe, ist reicher an Kohlenstoff und besitzt einen höheren Brennwert.
Jetzt fragst du dich vielleicht: Haben wir Menschen auch einen Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf?
Aber klar! Durch die Verbrennung dieser fossilen Stoffe wird Energie freigesetzt. Diese Energie benötigen wir für die Industrien, Kraftwerke, Stromversorgung, Treibstoffe und vieles mehr. Das Problem bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist, dass dabei Kohlenstoffdioxid entsteht. Somit gelangen in kürzester Zeit große Mengen an Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre. Diese gewaltigen Kapazitäten können nicht so schnell wieder in den Kohlenstoffkreislauf eingezogen werden, sodass überflüssiges Kohlenstoffdioxid in der Luft verweilt und somit die Konzentration dieses Gases in der Luft steigt; die Hauptursache für den Treibhauseffekt.

Und alles zusammen!

Du hast inzwischen beide Kohlenstoffkreisläufe kennengelernt. Nun ist es so, dass beide Zyklen nicht unabhängig voneinander ablaufen, sondern sie stehen miteinander in Verbindung. Der Kohlenstoff durchläuft also unterschiedliche Formen. Er kommt in der Atmosphäre als Kohlenstoffdioxid vor, im Boden und Bergen als Gesteine, in Lebewesen als organische Verbindungen oder im Erdinneren als fossiler Brennstoff, der bei der Zersetzung von Organismen entsteht. Wichtig ist, dass du dir merkst, dass es bei dem Kohlenstoffkreislauf um ein Zusammenspiel zwischen Aufnahme und Abgabe verschiedener Formen des Kohlenstoffs handelt.
In der folgenden Abbildung siehst du im Überblick den gesamten Kohlenstoffkreislauf.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 4: Der gesamte Kohlenstoffkreislauf im Überblick.
Kohlenstoffverbindungen: Kohlenstoffkreislauf
Abb. 4: Der gesamte Kohlenstoffkreislauf im Überblick.
Bildnachweise [nach oben]
[1]
© 2016 – SchulLV.
[2]
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© 2016 – SchulLV.
[4]
© 2016 – SchulLV.
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