Biologie

Warum Kohlendioxid wichtig ist

Ein brillanter Professor hat mir einmal gesagt, dass man, um ein Thema zu verstehen, zumindest ein winziges bisschen von dem Komplexitätsgrad verstehen muss, der etwas unterhalb dieses Themas liegt.

Die Chemie ist die Erzählung der Komplexität, die nach der Biologie kommt. Wenn Sie kein Wissenschaftler sind, würden Sie sagen, dass es sich um Biochemie handelt. Um die Biologie ohne Probleme zu durchlaufen, müssen wir ein wenig Chemie beherrschen.

Alles über Kohlenstoff, das kleine, freundliche und tapsige Atom

Warum sollte ich Kohlenstoff klein nennen? Ich meine, selbst für ein Atom ist das nur ein winziges Atom.

Es hat sechs Protonen und sechs Neutronen, was zwölf Atomgewichte ergibt. Infolgedessen nimmt Kohlenstoff nicht viel Platz ein. Kohlenstoff bildet bizarre Ringe, Blätter, Spiralen, Doppel- und sogar Dreifachbindungen.

Er kann Dinge tun, die größere und sperrigere Atome niemals tun könnten. Er ist sozusagen das atomare Äquivalent eines olympischen Turners. Es kann diese lieblichen, schönen und exquisiten Dinge nur vollbringen, weil es winzig ist.

Ich habe auch gesagt, dass Kohlenstoff freundlich ist, eine ungewöhnliche Aussage über ein Atom. Es ist nicht wie einige andere Atome, die dringend ihre Elektronenorbitale auffüllen wollen. Kohlenstoff weiß, wie es ist, allein zu sein, anders als Fluor, Chlor oder Natrium, und ist daher nicht so bedürftig.

Elemente wie Chlor, wenn man sie einatmet, zerreißen einem die Eingeweide regelrecht. Und Natrium, Natrium ist furchtbar! Wenn man es ins Wasser gibt, explodiert es!

Kohlenstoff dagegen nicht so sehr. Er will mehr Elektronen, aber er tötet nicht für sie. Er knüpft und bricht Bindungen wie ein 14-jähriger Teenager, und er hegt nie einen Groll.

Kohlenstoff ist, wie bereits gesagt, auch ein bisschen ein Landstreicher, weil er vier weitere Elektronen benötigt und sich mit so ziemlich jedem verbindet, der zufällig da ist. Da er vier Elektronen benötigt, wird er sich mit zwei, drei oder sogar vier dieser Objekte gleichzeitig verbinden. Und Kohlenstoff ist bereit und daran interessiert, sich mit einer breiten Palette von Molekülen zu verbinden, darunter Wasserstoff, Sauerstoff, Phosphor, Stickstoff und andere Kohlenstoffmoleküle.

Er kann dies in unendlich vielen Anordnungen tun, so dass er das Kernatom komplexer Strukturen sein kann, die Lebewesen wie uns ausmachen. Da Kohlenstoff diese ideale Mischung aus klein, freundlich und trampelig ist, basiert das Leben vollständig auf diesem Element.

Warum Kohlendioxid für uns wichtig ist

Kohlenstoff ist die Grundlage der Biologie. Wissenschaftler müssen sich sehr schwer tun, sich Leben vorzustellen, das nicht auf Kohlenstoff basiert. Leben ist auf der Erde nur möglich, weil der Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid ständig in unserer Atmosphäre herumfließt.

Wenn Sie wissen, dass alles Leben auf Kohlenstoff basiert, verstehen Sie vielleicht, warum Kohlendioxid so wichtig ist.

Kohlendioxid ist auch als Treibhausgas bekannt, das dazu beiträgt, die Wärme in unserer Atmosphäre zu speichern. Das ist ein weiterer Grund, warum Kohlendioxid für unseren Planeten so wichtig ist. Ohne Kohlendioxid wäre es auf unserem Planeten unwirtlich kalt.

Kohlendioxid spielt auch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, einem Komplex von Mechanismen, der Kohlenstoff in verschiedenen Formen in unserer Umwelt zirkulieren lässt.

Kohlendioxid wird bei der Photosynthese verbraucht, dem biologischen Prozess, durch den Pflanzen und bestimmte Mikroorganismen Nahrung erzeugen.

Ein weiterer Grund für die Bedeutung von Kohlendioxid im Erdsystem ist, dass es sich im Ozean auflöst und mit Wassermolekülen reagiert, wobei eine Carbonsäure entsteht und der pH-Wert des Ozeans sinkt.

Wie viele Partikel sind in Kohlendioxid enthalten?

Kohlenstoff an sich ist ein Atom mit sechs Protonen, sechs Neutronen und sechs Elektronen.

Atome enthalten Elektronenschalen, die gefüllt sein müssen, um glückliche, zufriedene Atome zu haben. Kohlenstoff hat also sechs Elektronen – zwei für die erste Schale, also ist es vollständig gefüllt, und vier der acht werden benötigt, um die zweite Schale zu füllen.

Die Kohlenstoffformen haben eine kovalente Verbindung, wenn die Atome Elektronen teilen. Im Falle von Methan, dem einfachsten bekannten Kohlenstoffmolekül, teilt sich der Kohlenstoff seine vier Elektronen in der äußeren Elektronenschale mit vier Wasserstoffatomen.

Der Kohlenstoff teilt sich seine vier Elektronen mit diesen vier Wasserstoffatomen, und jedes dieser vier Wasserstoffatome teilt sich ein Elektron mit dem Kohlenstoff, so dass sich alle wohlfühlen.

Da Atome danach streben, ihre Oktette von Elektronen zu leiten, um glücklich und zufrieden zu sein, hat Sauerstoff sechs Elektronen in einem Oktett und benötigt zwei, was zu H2O führt. Es kann sich auch mit Kohlenstoff verbinden, der vier Bindungen benötigt, was zu zwei Doppelbindungen zu zwei verschiedenen Sauerstoffatomen und zur Bildung von CO2 führt: dem lästigen Treibhausgas, das alles Leben auf der Erde erst ermöglicht.

Die äußere Schale des Stickstoffs hat fünf Elektronen. Wir zählen sie folgendermaßen: Es gibt vier Platzhalter, von denen jeder zwei Atome haben möchte, und wie Passagiere, die in einen Bus steigen, möchten sie nicht nebeneinander sitzen.

Ich scherze nicht, sie verdoppeln sich erst, wenn es nötig ist. Zum Vergnügen bindet sich der Stickstoff also mit drei Wasserstoffatomen und bildet Ammoniak oder mit zwei Wasserstoffatomen und bildet eine Aminogruppe. Und eine Aminosäure wird gebildet, wenn eine Aminogruppe mit einem Kohlenstoff verbunden ist, der an eine Carbonsäuregruppe gebunden ist.

Was ist eine unpolare kovalente Bindung?

In einer kovalenten Bindung sind die Elektronen regelmäßig gleichmäßig verteilt, wie bei O2. Das nennt man eine unpolare kovalente Bindung. Aber oft ist einer der Beteiligten gieriger.

Was ist eine polare kovalente Bindung?

In Wasser zum Beispiel ziehen die Sauerstoffmoleküle die Elektronen an, und sie verbringen mehr Zeit mit dem Sauerstoff als mit den Wasserstoffen, was zu einer leichten positiven Ladung um die Wasserstoffe und einer leichten negativen Ladung um den Sauerstoff führt.

Wenn etwas eine Ladung hat, nennen wir es polar. Da es einen positiven und einen negativen Pol hat, handelt es sich um eine polare kovalente Bindung.

Betrachten wir nun kurz eine ganz andere Form der Bindung: eine Ionenbindung. Ein Ion ist ein Atom mit einer Ladung. Und zwar dann, wenn Atome, anstatt Elektronen auszutauschen, ganz und gar ein Elektron von einem anderen Atom abgeben oder aufnehmen und dann fröhlich als geladenes Atom leben.

Atome wollen im Allgemeinen neutral bleiben, auch wenn dies im Vergleich zu einem vollständigen Oktett keine große Rolle spielt. Atome werden gelegentlich Kompromisse mit diesem Oktett eingehen, so wie Menschen zwischen emotionalem Gleichgewicht und sexueller Befriedigung wählen müssen. Salz ist die allgegenwärtigste ionische Komponente in unserem täglichen Leben.

Was ist die Wasserstoffbrückenbindung?

Da Wasser durch eine polare kovalente Verbindung zusammengehalten wird, ist das Wasserstoffatom positiv und das Sauerstoffatom negativ geladen. Wenn sich also Wassermoleküle bewegen, stellen wir sie uns normalerweise als eine perfekte Flüssigkeit vor, aber sie kleben leicht aneinander: Wasserstoffseite an Sauerstoffseite.

Diese zerbrechlichen Wasserstoffbrücken kommen in vielen chemischen Verbindungen vor; sie sind nicht auf Wasser beschränkt. In Proteinen, den Molekülen, aus denen der größte Teil unseres Körpers besteht, können sie eine unglaublich wichtige Funktion erfüllen.

Ein wichtiger Punkt ist, dass Bindungen, sogar kovalente und ionische Bindungen, eine große Bandbreite an Stärken haben, und wir neigen dazu, sie mit einer einzigen Linie auszudrücken, die eine feste kovalente Verbindung oder eine brüchige kovalente Bindung anzeigen kann. Ionenbindungen sind manchmal stärker als kovalente Bindungen. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, und die Stärke der kovalenten Verbindungen variiert stark.

Wie diese Verbindungen gebildet und zerstört werden, ist für das Leben und unsere Existenz von entscheidender Bedeutung. Das Herstellen und Aufbrechen von Verbindungen ist in Wirklichkeit der Schlüssel zum Leben – und umgekehrt der Schlüssel zum Tod, wie es der Fall wäre, wenn Sie ein Natriummetall zu sich nähmen.

Während wir uns durch die Biologie bewegen, sollten Sie sich Folgendes vor Augen halten: Selbst die attraktivste Person, die Sie je getroffen haben, ist lediglich ein Wirrwarr chemischer Moleküle, die in einem Beutel mit Wasser herumschwimmen.

Auswirkungen des Kohlendioxids auf die Umwelt

Ein Anstieg des Kohlendioxids erzeugt einen Überschuss an Treibhausgasen, die Wärme speichern. Diese gespeicherte Wärme lässt Eiskappen schmelzen und den Meeresspiegel ansteigen, was zu Überschwemmungen führt.

Kohlendioxid wird vor allem durch brennbare fossile Brennstoffe wie Kohle, Kraftwerksgas, Öl, Autos und die Großindustrie freigesetzt.

Treibhausgasemissionen haben weitreichende Folgen für Umwelt und Gesundheit. Sie tragen zum Klimawandel und zu Atemwegserkrankungen aufgrund von Smog und Luftverschmutzung bei. Weitere Folgen des durch Treibhausgase verursachten Klimawandels sind extreme Wetterverhältnisse, Engpässe bei der Nahrungsmittelversorgung und zunehmende Waldbrände.

Wenn Sie mehr über die Auswirkungen von Kohlendioxid auf unsere Umwelt erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen die folgenden Artikel:

https://www.nationalgeographic.com/environment/article/greenhouse-gases

https://climatekids.nasa.gov/carbon/

https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

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