Lebensmittelgas Kohlensäure von Schröder Gas
Kohlensäure für mehr Frische

Kohlensäure – chemisch betrachtet CO₂ in Wasser gelöst – ist vielseitig einsetzbar. Sie entsteht durch die Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff und bildet die Grundlage für Hydrogencarbonat und Carbonat.

In der Lebensmittelindustrie wird sie zur Karbonisierung, Haltbarmachung und als Backpulver genutzt.
Auch Brauereien, Gewächshäuser und Industrie verwenden CO₂ zur Konservierung von Lebensmitteln. Kohlensäure dient außerdem als Dünger oder zur Brandbekämpfung. Calciumcarbonat findet sich in Kreide, Schneckenhäusern und Marmor.

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Kohlensäure chemisch betrachtet

Chemisch betrachtet ist Kohlensäure eine leicht vertrackte Sache, aber eben auch ein besonders bemerkenswertes Gas. Das Kohlendioxid ist als Verbrennungsprodukt von Kohlenstoff oder auch kohlenstoffhaltigen Substanzen ein interessanter chemischer Stoff. Überall taucht er in Form von CO2, Hydrogencarbonat oder Carbonat auf – und so lohnt es sich, die Kohlensäure genauer zu betrachten.

Die Entstehung der Kohlensäure

Von Kohlenstoff zu Carbonat: Zunächst ist es wichtig zu wissen, wie aus Kohlenstoff die Salze der Kohlensäure, die Karbonate und das Hydrogencarbonat entstehen.

Kohlenstoff ist ein Element der vierten Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente, kurz PSE. Dieser Ordnung entsprechend besitzt Kohlenstoff vier Valenzelektronen. Diese Elektronen befinden sich als sogenannte Außenelektronen in der äußeren Schale der Elektronenhülle eines Atoms und sind für die chemische Bindung mit anderen Atomen von Bedeutung. Auf dieser Basis geht das Nichtmetall Kohlenstoff eine kovalente Verbindung mit Sauerstoff ein, der bekanntlich auch ein Nichtmetall ist.

Weil ein Sauerstoffatom sechs Valenzelektronen besitzt und zur Erreichung der Edelgaskonfiguration zwei weitere Elektronen benötigt, verbindet sich ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen. Dabei teilen sich das Sauerstoffatom und das Kohlenstoffatom jeweils zwei ihrer Valenzelektronen und bilden Bindungselektronenpaare. Das Produkt ist Kohlenstoffdioxid CO2, das einfach Kohlendioxid genannt wird.

Was also ist Kohlensäure?

Wird CO₂ in Wasser gelöst, so ist das Ergebnis Kohlensäure: CO₂ + H₂O = H₂CO3. Dabei handelt es sich um eine schwache Säure, die beispielsweise in Mineralwasser enthalten sein kann, wo sie Ursache für das Sprudeln ist.
Nachdem die Flasche geöffnet wurde und dadurch der Druck gesunken ist, zersetzt sich die darin enthaltene Kohlensäure wieder in das sprudelnde Gas, Kohlendioxid und Wasser.

Hydrogencarbonat-Ionen und Carbonat-Ionen: Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure. Aus diesem Grund ist sie in der Lage, zwei Protonen oder Wasserstoffionen abzugeben. Das ist daran erkennbar, dass Kohlensäure genau zwei Wasserstoffatome enthält. Kohlensäure kann die beiden Protonen in zwei Schritten abgeben:

Der erste Schritt erfolgt, nachdem die Kohlensäure ein Proton abgegeben hat. Dann entsteht ein Hydronium-Ion H3O+ sowie ein Hydrogencarbonat-Ion HCO3.

Im zweiten Schritt, wenn die Kohlensäure ihr letztes Proton abgibt, kommt es zur Entstehung eines weiteren Hydronium-Ions und eines Carbonat-Ions.

Die Salze der Kohlensäure:

Aus der Kohlensäure können sich also zwei verschiedene Arten von Salzen bilden:

  • Hydrogencarbonate (mit dem Anion HCO3)
  • Carbonate (mit dem Anion CO3 2-)

Hydrogencarbonate entstehen, indem das eine Wasserstoff-Ion durch das Metallkation einer Base ersetzt wird. Reagiert beispielsweise Kohlensäure mit der Base Natronlauge, werden Wasser und Natriumhydrogencarbonat frei. Aber wenn noch mehr Base hinzugefügt wird, wird auch das zweite Wasserstoff–Ion der Kohlensäure durch ein Metallkation ersetzt. So entsteht dann ein Carbonat, beispielsweise Natriumcarbonat, das landläufig bekannte Soda.

Wofür wird Kohlensäure genutzt?

Nach der Betrachtung der Stoffchemie wollen wir uns hier noch mit den verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Kohlensäure befassen.
Kohlensäure ist also der Ausgangspunkt zur Bildung der beiden Salze Hydrogencarbonat und Carbonat. Sie finden im Alltag vielseitige Verwendung, Brausetabletten sind dafür ein Beispiel. Da sorgt Natriumhydrogencarbonat für das Sprudeln. Darüber hinaus wird das Hydrogencarbonat auch gegen Sodbrennen oder als Backpulver eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie wird Kohlensäure besonders in der Getränke-, Fleisch- und Milchindustrie benötigt.
Fast alle Mineralwasserproduzenten benötigen das Gas für ihr Classic- und Mediumwasser sowie zur Karbonisierung von Limonaden. Im Bier und im Sekt ist die Kohlensäure das Produkt der natürlichen Entwicklung im Verlauf der Gärprozesse.
Einige Mineralbrunnen haben eigene, sogenannte geogene Kohlensäurevorkommen. In Deutschland gibt es diese lebensmittelqualitativen Kohlensäurevorkommen beispielsweise in der Vulkaneifel. Sie entstanden auf den sehr langen Wegen des Wassers durch Gesteinsschichten, die dioxidhaltig sind und in vulkanaktiven Regionen vorkommen. Auch diese natürliche Kohlensäure bildet sich durch die Reaktion von Wasser und Kohlendioxid.
Auf den Einsatz von Kohlensäure angewiesen sind auch Brauereien, weil sie damit aus den Flaschen und aus den Fässern vor dem Befüllen die Luft herausdrücken. Damit wird die Haltbarkeit des Bieres verlängert. Gaststätten nutzen Kohlensäure als Schankgas – sonst könnten sie lediglich Bier in Flaschen verkaufen. Darüber hinaus wird Kohlensäure zum Entkoffeinieren von Kaffee verwendet, bei der Extraktion diverser Aromen oder auch für die Gewinnung verschiedener Gewürze.
Beim Verpacken von Käse oder von Wurst wird das Gas ebenfalls benötigt – durch den Einsatz von Kohlensäure wird der Sauerstoffanteil in der Verpackung beseitigt. Als so genanntes „Packgas“ verdrängt es den Restsauerstoff in einer Verpackung und verhindert so unerwünschte Oxidationsprozesse. Ist der Sauerstoff innerhalb der Verpackung weg, können sauerstoffabhängige Bakterien nicht mehr weiterwachsen oder sich vermehren, die Ansiedlung diverser Mikroorganismen wird gehemmt. Lebensmittel bleiben so länger frisch, ansonsten bestünde die Gefahr, dass sie sehr schnell verderben.
In Schlachthöfen werden Schweine mit dem Gas betäubt, bevor sie geschlachtet werden, in Gewächshäusern kommt es zum Einsatz, damit verschiedene Gemüsesorten schneller reif werden.
Zu den weiteren Einsatzgebieten der Kohlensäure gehören die Kühlung und das Schockfrosten verschiedener Lebensmittel. Die anorganische Säure kommt zudem als Dünger im Pflanzenanbau, in der Kosmetikindustrie sowie in der Bekämpfung von Bränden zum Einsatz.
Ein besonders stark verbreiteter Vertreter der Carbonate ist Calciumcarbonat: Es bildet nicht nur den ganz gewöhnlichen Kalk, der den Wasserkocher oder die Waschmaschine kaputt machen kann, sondern es findet sich z.B. auch in der Schultafelkreide, in Schneckenhäusern und Marmor, in Perlen sowie in Korallenriffen.

Es wird differenziert zwischen technischer und lebensmittel-qualitativer Kohlensäure:

  • Lebensmittelzusatzstoff E 290: Als Lebensmittelzusatzstoff wird Kohlensäure unter anderem zur Karbonisierung von Getränken sowie zur Haltbarmachung verschiedener Lebensmittel benötigt.
  • Lebensmittel-qualitative Kohlensäure: Sie kann sowohl aus natürlichen Quellen als auch durch verschiedene industrielle Prozesse generiert werden. Im Anschluss an eine sorgfältige Reinigung kommt sie dann als CO2 in vielen Segmenten der Lebensmittelindustrie zum Einsatz.
  • Technische Kohlensäure: Synthetisch erzeugte, technische Kohlensäure wird auf verschiedenen Wegen produziert. Sie entsteht beispielsweise als ein Nebenprodukt von Fermentationsprozessen oder von chemischen Produktionsprozessen. Diese Variante ist demnach eine Folge chemischer Synthesen und dient z.B. zur Herstellung von Trockeneis. Sie fällt aber u.a. auch bei der Düngemittelproduktion oder als Produktionsabgas an.

Im Säure-Basen-Haushalt des menschlichen Organismus wirkt Kohlensäure neutral und trägt damit nicht zu einer Übersäuerung des Körpers bei.
Fest steht: Ohne Kohlensäure bzw. ohne CO2 gäbe es die Photosynthese nicht und letztlich auch keinen Sauerstoff. Die hohe Konzentration von CO2 und von anderen Gasen in der Atmosphäre sorgt einerseits für die Überwindung großer Kälte auf der Erde. Andererseits sorgt momentan zu viel CO2 in der Erdatmosphäre für eine zunehmende Überhitzung. Die Folgen des dadurch entstehenden Klimawandels bekommen wir immer häufiger zu spüren.

Ein Fazit

Es gilt also: Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Das Kohlenstoffdioxid ist ein wasserlösliches Gas: Kommt es mit Wasser in Kontakt, entsteht die Kohlensäure. Die Salze der zweiprotonigen Säure heißen Hydrogencarbonate und Carbonate.
Im Allgemeinen wird das CO2 als Kohlensäure bezeichnet. Genauer wird das gelöste CO2 mit der eigentlichen Säure H2CO3 unter dem Begriff „freie Kohlensäure“ zusammengefasst.