Kenntnisse über die Geometrie von CO₂ bzw. Kohlendioxid sind von großer Bedeutung, um zu verstehen, wie nützlich es heute ist, und zudem notwendig, um zu wissen, wie man es einsetzt, um eine gute Energieeffizienz zu erreichen.

Es ist erwähnenswert, dass es sich um ein farb- und geruchloses, leicht saures, jedoch nicht brennbares Gas handelt, das natürlicherweise in der Atmosphäre vorkommt und aus dem Kohlenstoffkreislauf über Ozeane, Pflanzen, Böden und auch Tiere stammt.

Vor diesem Hintergrund: Moleküle bestehen aus Atomen, und wenn wir von Molekülgeometrie sprechen, beziehen wir uns auf die dreidimensionale Form der Atome, aus denen sie bestehen. Diese bestimmt die Eigenschaften eines Moleküls wie Polarität, Phase, Reaktivität, Farbe, biologische Aktivität und weitere.

CO₂-Quellen

Es gibt natürliche CO₂-Quellen wie Thermalquellen, Vulkane und Geysire; auch beim Lösen karbonathaltiger Gesteine in Wasser wird es freigesetzt. Außerdem ist es in Wasser löslich und kommt daher natürlicherweise in Gletschern, Grundwasser, Flüssen, Meeren, Seen und Eisfeldern vor, ebenso wie in Erdgas und Erdöllagerstätten.

Außerdem entsteht CO₂ durch die Atmung aller aeroben Organismen.

Die gesamte Luft, die bei Menschen und Tieren in die Lungen gelangt, ist beim Ausatmen CO₂; bei Fischen ist es das, was über die Kiemen austritt und ins Wasser gelangt. Ähnliches geschieht beim Atmungsprozess der Pflanzen.

Es kann auch entstehen, wenn wir Holz zum Feuermachen anzünden, sowie bei der Herstellung von Brot, Bier oder Wein durch die Fermentation von Zucker.

Wie ist die Geometrie von CO₂?

Aufgrund der Anwesenheit von 2 Elektronen ist die Geometrie von CO₂ linear und weist einen Bindungswinkel von 180° auf.

Jedes Kohlendioxidmolekül besteht aus zwei Sauerstoffatomen, die über doppelte kovalente Bindungen an ein Kohlenstoffatom gebunden sind.

Detaillierter lässt sich Folgendes sagen:

In der Geometrie von CO₂ befindet sich ein Kohlenstoffatom zwischen zwei Sauerstoffatomen und bildet eine Art Sigma-Bindung. Mit drei davon wird ein Oktett vervollständigt; es verbindet sich mit dem am Anfang, sodass keine freien Elektronenpaare vorhanden sind.
Da in der CO₂-Geometrie die Bindungswinkel 180 Grad betragen und die Elektronen symmetrisch verteilt sind, weist CO₂ eine lineare Form auf.

Mit anderen Worten: In einem CO₂-Molekül gibt es zwei Valenzelektronenpaare, die das Kohlenstoffzentrum umgeben, und die freien Elektronenpaare des Sauerstoffs stoßen sich ab.

Auf diese Weise entsteht auf beiden Seiten des zentralen Kohlenstoffatoms eine Abstoßung; dieses ist wiederum mit jedem Sauerstoffatom doppelt gebunden, sodass kein freies Elektronenpaar vorhanden ist.

Um die Geometrie von CO₂-Molekülen und ihre Form zu bestimmen, kann die VSEPR-Hypothese verwendet werden, die besagt, dass sowohl die Elektronen- als auch die Molekülgeometrie eines Moleküls linear ist, wenn es keine freien Elektronenpaare enthält, oder alternativ die AXE-Technik.

Verwendungen von CO₂

CO₂ kann als inertes Gas in verschiedenen Prozessen eingesetzt werden.

Zum Beispiel beim Schweißen, als Anästhetikum, als Lösungsmittel, zur Herstellung kohlensäurehaltiger Getränke, zum Härten von Beton, zum Karbonisieren von Soda, als Rohstoff in einigen Chemikalien und Kraftstoffen; eine der wichtigsten Anwendungen ist jedoch in Klima- bzw. Kältesystemen.

Da CO₂ ein natürliches Kältemittel ist, das bei Änderung von Temperatur oder Druck vom flüssigen in den festen Zustand übergehen kann, kann es in industriellen oder gewerblichen Anlagen als Kältemittel eingesetzt werden.

In Klimasystemen wird CO₂ dabei in der subkritischen und transkritischen Phase eingesetzt:

Subkritische Phase: In Kälteanlagen befindet sich dieses Gas unterhalb seines kritischen Punktes (31 °C / 73 bar). In diesem Bereich verhält es sich ähnlich wie andere Kältemittel: Es nimmt Wärme auf, indem es verdampft, wird anschließend verdichtet und kondensiert danach (geht beim Wärmeabgabe vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über).
Transkritische Phase: In einer Kälteanlage überschreitet das Kältemittelgas seinen kritischen Punkt. In diesem Fall kondensiert CO₂ nicht (der Übergang von Gas zu Flüssigkeit findet nicht statt), weshalb aufgrund der hohen Austrittsdrücke spezielle Regelungen erforderlich sind und Rohrleitungen mit einem Auslegungsdruck von 120 bar benötigt werden.

Der Druck in diesem verdichteten und gekühlten Fluid muss reduziert werden, damit es anschließend in flüssiger Form kondensiert und so den Verdampfer der Kälteanlage speisen kann.

Wie wird CO₂ derzeit verwendet?

Die Verwendung von CO₂ hat in den letzten Jahren in verschiedenen Anwendungen und in großen transkritischen Klimasystemen zugenommen. Tatsächlich entwickeln viele Hersteller Anlagen, die mit natürlichen Kältemitteln arbeiten.

In Klimasystemen ist eine der grundlegenden Komponenten der Wärmetauscher, ein Modul, dessen Aufgabe darin besteht, Wärme zwischen zwei Flüssigkeiten zu übertragen, die durch eine kompakte Barriere getrennt sind. Er wird in der Regel zur Energieerzeugung, in der chemischen Verarbeitung oder in Kältesystemen eingesetzt.

Diese neuen Wärmetauscher werden so entwickelt, dass sie sich an anspruchsvollere Kältesysteme und unterschiedliche Größen anpassen.

Zu den Anwendungen des Wärmetauschers gehören:

Die Temperatur eines Fluids mithilfe eines wärmeren Fluids erhöhen.
Ein Fluid mithilfe eines Fluids mit niedrigerer Temperatur kühlen.
Ein Fluid mithilfe eines Fluids mit höherer Temperatur bis zu seinem Siedepunkt bringen.
Durch den Einsatz kalter Fluide können einige Gase kondensiert werden.
Ein Fluid bis zu seinem Siedepunkt bringen, während ein anderes, wärmeres Gas kondensiert.

Vorteile von CO₂-Gas als Kältemittel

Bei der Verwendung von CO₂ als Kältemittel ergeben sich folgende Vorteile:

CO₂ gilt als eines der umweltverträglichsten Gase für den Einsatz in Gewächshäusern. Bei der Verwendung in diesen Kältesystemen lässt sich eine Reinheit von 99,99 % erreichen, was zeigt, dass es eine der besten Optionen für die Umwelt ist.
Da es ein inertes Gas ist, weder toxisch noch brennbar, eignet es sich hervorragend für den Temperaturaustausch in Kondensatoren, Verdampfern und Gaskühlern.
Bei der Verwendung von CO₂ in der Kältetechnik ist ein weiterer wesentlicher Vorteil, dass seine Kosten deutlich geringer sind als die anderer Kältemittelgase.
Die mit CO₂ eingesetzten Verdichter sind effizienter, und zudem wird eine ausgezeichnete Wärmeübertragung erreicht.