Kohlensäurebildung in Echtzeit

Forscher beobachten erstmals die extrem kurz dauernde Bildung von Kohlensäure in Echtzeit - und stellen fest, dass sie länger stabil und saurer ist als im Modell angenommen

Berlin/Beer-Sheva (Israel) - Nur für den Bruchteil einer Sekunde bildet sich Kohlensäure, allgegenwärtig in der Natur, bevor sie wieder in Kohlendioxid und Wasser zerfällt. So schnell läuft die Reaktion, dass sie erst jetzt in Echtzeit beobachtet werden konnte: Mithilfe von Ultrakurzzeitspektroskopie konnten deutsche und israelische Forscher erstmals dokumentieren, was bisher nur in der Theorie vorausgesagt war. Dabei stellten sie fest, dass molekulare Kohlensäure im Wasser länger stabil ist als bisher vermutet - wenngleich nur wenige Nanosekunden - und wie sauer sie wirklich ist. Ihre Erkenntnisse präsentieren sie in "Science Express", als Vorabveröffentlichung des Magazins "Science". Sie könnten beim Verstehen von Umweltprozessen eine Rolle spielen, an denen Wasser und Kohlendioxid beteiligt sind, etwa beim Verwittern von Gestein, beim Übersäuern der Ozeane oder beim unterirdischen Lagern von Kohlendioxid.

"Die Reaktion war wegen der schnellen Zerfallszeit der Kohlensäure bisher kaum Messungen zugänglich", erklärt Erik Nibbering, Physiker am Berliner Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie. Deshalb war es bislang nur gelungen, vor zwei Jahrzehnten, Kohlensäuremoleküle in Eis gefroren oder in der Gasphase nachzuweisen - obwohl die chemische Reaktion in der Theorie schon knapp hundert Jahre lang bekannt ist. Um molekulare Kohlensäure nun auch im Wasser nachzuweisen, griffen Nibberings Team und Kollegen der israelischen Ben Gurion-Universität nun zu extrem kurzen Lichtpulsen und so genannten Photosäuren, die auf Licht reagieren und Protonen abgeben.

Grundsätzlich kommt Kohlensäure in wässriger Lösung vor, wenn sich das Gas Kohlendioxid (CO2) mit einem Wassermolekül (H2O) zu Kohlensäure (H2CO3) verbindet. In diesem Zustand kann sie wie eine Säure reagieren, nämlich ein Proton (H+) abgeben, so dass ein Bicarbonat-Ion (HCO3-) zurückbleibt. Allerdings zerfällt die Kohlensäure auch äußerst schnell wieder in ihre Ausgangssubstanzen. Kernfrage der Untersuchung war, wie schnell sich die Kohlensäure aus einem Bicarbonat-Ion und einem Proton bildet und wie schnell sie dann wieder zerfällt. Die Forscher nutzten einen Femtosekundenlaser, dessen Lichtpulse nur millionstel Teil einer Milliardstel Sekunde dauern. Als Protonenspender dienten die Photosäure 2-Naphthol-6,8-disulfonat, eine schwache Säure, die durch Anregung mit Licht Protonen abgibt und sich so zur starken Säure wandelt.

Per Lichtblitz regten die Forscher nun die Photosäuren an und lieferten dem Bicarbonat ein Proton, so dass Kohlensäure entstand. Ein zweiter infraroter Lichtblitz lieferte dann Informationen zu Molekülschwingungen, eine zunehmende Absorption bei 5,8 Mikrometern Wellenlänge, woraus die Menge der gebildeten Kohlensäure messbar war. Indem sie jetzt den Abstand zwischen erstem und zweitem Blitz variierten, konnten sie feststellen: 6 Picosekunden, also 6 Tausendstel einer Milliardstel Sekunde, braucht Kohlensäure zum Entstehen - durchaus länger als erwartet.

Auch die Azidität - wie sauer Kohlensäure ist - war bisher nur ungenau zu messen gewesen. Bisherige Vermutungen für die Säurekonstante lagen bei 6,35, die theoretische Abschätzung lieferte einen Wert von rund 3,6 ± 0,3. Doch erst Nibberings Team konnte den Wert für Kohlensäure in wässriger Lösung auf 3,45 ± 0.15 eingrenzen. Dazu passten sie eine mathematische Modellierung, ein kinetisches Modell auf die Daten der Protonierungsexperimente und erhielten, gestützt durch die so genannte Marcus-Theorie, die Kontakt-Protonentransferrate zum Bicarbonat, schreiben die Forscher.

Im allgemeinen Sprachgebrauch gilt als Kohlensäure, was dem Mineralwasser seinen sauren und sprudeligen Charakter verleiht. Dabei handelt es sich hier um Kohlendioxid (CO2). Vor kurzem hatten US-Forscher festgestellt, dass die Geschmacksrezeptoren für die Empfindung "sauer" auch auf den prickelnden CO2-Reiz reagieren. Obendrein ist ein Enzym entscheidend an diesem Wahrnehmungsprozess beteiligt, berichteten sie in "Science".