Kohlenstoff

Eigenschaften
[He] 2s2 2p2 6 C Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Kohlenstoff, C, 6
Serie	Nichtmetalle
Gruppe, Periode, Block	14, 2, p
Aussehen	schwarz (Graphit) farblos (Diamant) gelbbraun (Lonsdaleit)
CAS-Nummer	7440-44-0
Massenanteil an der Erdhülle	0,087 %[1]
Atomar [2]
Atommasse	12,011 (12,0096 – 12,0116)[3] u
Atomradius (berechnet)	70 (67) pm
Kovalenter Radius	76 pm
Van-der-Waals-Radius	170 pm
Elektronenkonfiguration	[He] 2s2 2p2
Austrittsarbeit	4,81
1. Ionisierungsenergie	1086,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	2352,6 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	4620,5 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	6222,7 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	3 (u. a. Graphit (G) und Diamant (D))
Kristallstruktur	G: hexagonal D: kubisch flächenzentriert
Dichte	G: 2,26 g/cm3 D: 3,51 g/cm3[4]
Mohshärte	G: 0,5 D: 10
Magnetismus	diamagnetisch (D: χm = −2,2 · 10−5[5]; G: χm bis −4,5 · 10−4[6])
Sublimationspunkt	3915[7] K (3642 °C)
Molares Volumen	G: 5,31 · 10−6 m3/mol D: 3,42 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	Sublimation: 715 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	D: 18350 m/s
Spezifische Wärmekapazität	G: 709 J/(kg · K)[8] D: 427 J/(kg · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände	2, 4
Oxide (Basizität)	CO2; CO (leicht sauer)
Elektronegativität	2,55 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE (MeV) ZP 10C {syn.} 19,255 s ε 3,648 10B 11C {syn.} 20,39 min ε 1,982 11B 12C 98,9 % Stabil 13C 1,1 % Stabil 14C < 10-9 % 5730 a β− 0,156 14N 15C {syn.} 2,449 s β− 9,772 15N 16C {syn.} 0,747 s β− 8,012 16N
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 Er(1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 12C 0 0 – – 13C 1/2 6,73 · 107 0,00017 25,145
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [9] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: keine S-Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Kohlenstoff (von altgerm. kulo(n) = „Kohle“) oder Carbon (von lat. carbo „Holzkohle“, latinisiert Carboneum) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol C und der Ordnungszahl 6. Im Periodensystem steht es in der vierten Hauptgruppe oder Kohlenstoffgruppe sowie der zweiten Periode.

Es kommt in der Natur sowohl in gediegener (reiner) Form (Diamant, Graphit) als auch chemisch gebunden (z. B. in Form von Carbonaten, Kohlenstoffdioxid, Erdöl, Erdgas und Kohle) vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen Molekülen und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.

Vorkommen

Kohlenstoff ist ein essentielles Element der Biosphäre, es ist in allen Lebewesen – nach Sauerstoff (Wasser) – dem Gewicht nach das bedeutendste Element. Alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.

Geologisch dagegen zählt es nicht zu den häufigsten Elementen. Man findet Kohlenstoff in der unbelebten Natur sowohl elementar (Diamant, Graphit) als auch in Verbindungen. Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika (v. a. Südafrika und die Demokratische Republik Kongo) und Russland. Diamanten findet man häufig in vulkanischen Gesteinen wie Kimberlit. Graphit kommt relativ selten in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein vor. Die wichtigsten Vorkommen liegen in Indien und China.

Am häufigsten findet man Kohlenstoff in Form von anorganischem Carbonatgestein (ca. 2,8 · 10¹⁶ t). Carbonatgesteine sind weit verbreitet und bilden zum Teil Gebirge. Ein bekanntes Beispiel für Carbonat-Gebirge sind die Dolomiten in Italien. Die wichtigsten Carbonat-Mineralien sind Calciumcarbonat (Modifikationen: Kalkstein, Kreide, Marmor) CaCO₃, Calcium-Magnesium-Carbonat (Dolomit) CaCO₃ · MgCO₃, Eisen(II)-carbonat (Eisenspat) FeCO₃ und Zinkcarbonat (Zinkspat) ZnCO₃.

Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen, sondern eine Mischung aus vielen verschiedenen organischen Verbindungen. Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher (Kohle) und tierischer (Erdöl, Erdgas) Überreste unter hohem Druck. Wichtige Vorkommen für Kohle liegen in den USA, China und Russland. Ein bekanntes deutsches Kohlevorkommen liegt im Ruhrgebiet. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel (Irak, Saudi-Arabien). Weitere wichtige Ölvorkommen sind im Golf von Mexiko und in der Nordsee. Über festes Methanhydrat in der Tiefsee ist noch wenig bekannt.

Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als Kohlenstoffdioxid (kurz Kohlendioxid) vor. Es ist an der Zusammensetzung der Luft zu etwa 0,04 % beteiligt. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen, Atmung, sowie vulkanisch und wird durch Photosynthese der Pflanzen verwertet. Auch in Wasser ist CO₂ gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil im Meer).

Mengenmäßig ist der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Gesteinshülle (Lithosphäre) gespeichert. Alle anderen Vorkommen machen mengenmäßig nur etwa 1/1000 des Gesamt-Kohlenstoffs aus.

Eigenschaften

Phasendiagramm des Kohlenstoffs

Kohlenstoff kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor. Alle Feststoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf die beiden Grundtypen Diamant und Graphit zurückführen.

Im Diamant ist Kohlenstoff dreidimensional kovalent gebunden. Diamant ist ein Isolator und transparent. Er ist das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt.

Im Graphit ist die kovalente Bindung innerhalb der Basalebenen stärker als die beim Diamant, während die Ebenen locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Die freien π-Elektronen sind verantwortlich für die tiefschwarze Farbe, die leichte Spaltbarkeit und die hohe Leitfähigkeit entlang der Basalebenen. Graphit dient als hochtemperaturbeständiges Dichtungsmaterial und Schmiermittel sowie als Grundstoff für Bleistifte.

Im Gegensatz zur landläufigen Meinung sind die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit jedoch keine Eigenschaft von Graphit an sich, sondern werden nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren gefunden. In Vakuum oder in sehr trockener Atmosphäre steigt der Reibungskoeffizient von Graphit daher dramatisch an.^[10]

Bei Normaldruck und Temperaturen unterhalb 4000 K ist Graphit die thermodynamisch stabile Modifikation des Kohlenstoff, siehe Phasendiagramm. Wegen der hohen Aktivierungsenergie ist auch Diamant bei Raumtemperatur stabil und wandelt sich erst oberhalb 500 °C merklich in Graphit um. Umgekehrt erfordert die Transformation von Graphit in Diamant einen Druck von mindestens 20'000 bar (2GPa). Für eine ausreichend schnelle Reaktion sollte die Temperatur oberhalb von 1500 °C liegen, bei einem Druck von 60'000 bar entsprechend dem Phasendiagramm.

Kohlenstoff hat die höchste Temperaturbeständigkeit aller bekannten Materialien. Er sublimiert bei Normaldruck bei 3915 K (3642 °C)^[7], ohne vorher an Festigkeit einzubüßen. Der Tripelpunkt liegt bei 10,8 ± 0,2 MPa und 4600 ± 300 K.^[11][12]

Kohlenstoff ist diamagnetisch. Pyrolytisch abgeschiedener Graphit hat eine große Anisotropie in der magnetischen Suszeptibilität (parallel: χ_m = −85 · 10⁻⁶; senkrecht: χ_m = −450 · 10⁻⁶),^[6] Diamant ist dagegen isotrop (χ_m = −22 · 10⁻⁶).

Atommodell des Kohlenstoffs

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt.

Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem Schalenmodell besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale. Das 2s-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das 2px- und 2py- Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist kugelförmig. In einem p-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem platziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital.

Diamant-Struktur (sp³)

Vier sp³-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.

Das 2s-Niveau kann mit den 3 2p-Niveaus hybridisieren und 4 energetisch gleichwertige sp³-Orbitale bilden. Dies kann man anschaulich so erklären, dass eines der s-Elektronen in das vorher leere p-Orbital gehoben wird und sich dabei die Orbitalenergien angleichen. Diese Orbitale besitzen eine langgestreckte, asymmetrische Tropfenform. Waren die Formen der p-Orbitale spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen. Die vier sp³-Orbitale sind mit größtmöglichem Abstand zueinander symmetrisch im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten Tetraeders.

Überlappen sich die sp³-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur widerspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit-Struktur (sp²)

Drei sp²-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (hexagonal) zueinander aus.

Sind nur 2 der 3 p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die so genannten sp²-Orbitale. Die sp²- Orbitale richten sich senkrecht zum übrig gebliebenen p-Orbital aus. Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die sp²- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das unhybridisierte p-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.

sp²-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist hexagonal, das ist die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp² beziehungsweise sp³-Orbitale.

Chemisch spricht man von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen. Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp³-Einfachbindung 'C–C' liegt bei 350 kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen sp²-Doppelbindung C=C nur um 260 kJ/mol höher. In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol).

Dreifachbindung (sp¹)

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Während sp³-Bindungen dreidimensionale Strukturen formen und sp² zweidimensionale, bilden sp¹-Bindungen höchstens eindimensionale Ketten, wie zum Beispiel H–C≡C-C≡C–H.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

a) Diamant, b) Graphit c) Lonsdaleit d) Buckminsterfullerene (C60) e) C540 f) C70 g) Amorpher Kohlenstoff h) Nanoröhrchen

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp³ und sp²: Diamant, Graphit und Fulleren.

Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

Modifikationen

Graphit

→ Hauptartikel: Graphit

Die sp²-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung.

Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr anisotrop: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, die Leitung von Wärme oder Ladungen von Kristallebene zu Kristallebene ist dagegen relativ schlecht.

Diamant

Ein natürlicher Diamant im Tropfenschliff

→ Hauptartikel: Diamant

Die sp³-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlücke von 5,45 eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen, während mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluss bei Temperaturen um 1500 °C in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ungefähr 700–800 °C zu Kohlendioxid.

Diamant gilt unter Normalbedingungen (1 bar, 25 °C) gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil

1. die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
2. bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluss der Umgebung – geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben – nicht berücksichtigt wurde/wird^[13][14] und schließlich
3. Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, dass in einer Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

Lonsdaleit

→ Hauptartikel: Lonsdaleit

Lonsdaleit, auch hexagonaler Diamant bezeichnet, ist eine sehr seltene Modifikation des Diamanten. Er entsteht, wenn Graphit durch Schockereignisse, das heißt hohen Druck und hohe Temperatur wie beispielsweise durch Impaktereignisse, in Diamant umgewandelt wird. Dabei bleibt der hexagonale Charakter der Kristallstruktur erhalten, jedes Kohlenstoffatom ist jedoch im Gegensatz zu Graphit an vier weitere kovalent gebunden.

Fullerene

Fulleren-C60-Kristalle

→ Hauptartikel: Fullerene

Ein reguläres hexagonales Wabenmuster, wie es die C-Atome in den Basalebenen des Graphits ausbilden, ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entstehen gekrümmte Flächen, die sich bei bestimmten relativen Anordnungen der Fünf- und Sechsringe zu geschlossenen Körpern "aufrollen". In den Fullerenen sind derartige Strukturen realisiert. Die sp²-Bindungen liegen dabei nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur besteht nur noch aus Fünfecken und erfordert 20 Kohlenstoff-Atome, der dazugehörige Körper ist ein Pentagon-Dodekaeder. Dieses einfachste Fulleren ist bislang aber nur massenspektrometrisch nachgewiesen worden. Eines der stabilsten Fullerene besteht aus 60 Kohlenstoff-Atomen und enthält neben Sechsecken nur Fünfecke, die mit keinem anderen Fünfeck eine gemeinsame Kante besitzen. Das so entstehende Muster (abgestumpftes Ikosaeder, ein archimedischer Körper) gleicht dem Muster auf einem (altmodischen) Fußball. Es wird zu Ehren von Richard Buckminster Fuller als Buckminster-Fulleren bezeichnet. Die Molekül"kugeln" der Fullerene sind untereinander über relativ schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen gebunden, ähnlich wie die Basalebenen im Graphit. Mittlerweile sind etliche Fullerene unterschiedlicher Größe isoliert und teilweise auch kristallisiert worden; sie können daher als echte Modifikation(en) gelten. Fullerene kommen vermutlich in allen Rußen vor, so zum Beispiel auch in dem Ruß über Kerzenflammen.

Weitere Formen des Kohlenstoffs

Amorpher Kohlenstoff

In amorphem Kohlenstoff (a-C) sind die Atome ohne langreichweitige Ordnung vernetzt. Das Material lässt sich mit nahezu beliebigen sp²:sp³-Hybridisierungsverhältnissen synthetisieren, wobei die Materialeigenschaften fließend von denen des Graphits zu denen des Diamants übergehen. In der Industrie wird in diesem Fall häufig der Begriff Diamond like Coating oder Diamond like Carbon (DLC) verwendet. Bei einem sp³-Hybridisierungsanteil von über 70 % spricht man von tetraedrisch amorphen Kohlenstoff (ta-C). Dieses Material zeichnet sich durch hohen elektrischen Widerstand, extreme Härte und optische Transparenz aus. Die Synthese kann mittels PVD- oder PECVD-Methoden erfolgen. Das Material wird dabei als Schicht abgeschieden (amorphe Kohlenstoffschicht).

Kohlenstoff-Fasern

→ Hauptartikel: Kohlenstofffaser

Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp²-gebundenem Kohlenstoff. Isotrope Fasern verhalten sich ähnlich wie polykristalliner Graphit und besitzen nur geringe Festigkeiten. Fasermatten und -bündel werden für Wärmedichtungen eingesetzt. Durch Strecken bei der Herstellung ist es möglich, die Basalebenen entlang der Faserachse auszurichten. Man erhält hochfeste Fasern mit Eigenschaften, die den theoretischen Werten von Graphit entlang der Basalebenen nahekommen. Anisotrope Kohlenstofffasern sind leicht, außerordentlich steif und fest und werden in Verbundwerkstoffen genutzt.

Glaskohlenstoff

→ Hauptartikel: Glaskohlenstoff

Glaskohlenstoff ("Glassy Carbon") ist ein hochtechnologischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige und keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint. Im Gegensatz zu Graphit besitzt Glaskohlenstoff eine fullerenartige Mikrostruktur. Dadurch ergibt sich eine große Vielfalt positiver Materialeigenschaften. Die Leitfähigkeit ist zum Beispiel geringer als bei Graphit.

Graphen

→ Hauptartikel: Graphen

Als Graphen bezeichnet man eine Graphit-Basalebene von sp²-hybridisiertem Kohlenstoff. Man erhält die dünnen Schichten durch chemisches Spalten von Graphit. Eingebettet in Kunststoffen eignet es sich als Ausgangsmaterial für neue Verbundwerkstoffe oder für Untersuchungen von zweidimensionalen Kristallen.

Aktivkohle

→ Hauptartikel: Aktivkohle

Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert gelöste Stoffe in geringer Konzentration aus Flüssigkeiten und kann Gase absorbieren.

Ruß

→ Hauptartikel: Ruß

Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

Kohlenstoffnanoröhren

→ Hauptartikel: Kohlenstoffnanoröhre

Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp²-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT).

Carbon nanobuds

→ Hauptartikel: Carbon nanobud

Carbon nanobuds kombinieren die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen.

Kohlenstoffnanoschaum

→ Hauptartikel: Kohlenstoffnanoschaum

Kohlenstoffnanoschaum ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Graphitebenen. Er ähnelt dem Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren vernetzten Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern.

Davon zu unterscheiden ist Kohlenstoff-Aerogel, das aus zusammengewachsenen Nanopartikeln besteht. Seine Dichte liegt bei von 200–1000 kg/m³.

Verbindungen

Kohlenstoff ist das Element, das nach Wasserstoff die meisten Verbindungen aller Elemente bilden kann (Wasserstoff steht an erster Stelle, weil die meisten Kohlenstoffverbindungen auch Wasserstoff enthalten). Besonderheiten des Kohlenstoffs sind es, Ketten und Ringe mit sich selbst und anderen Elementen sowie Doppel- und Dreifachbindungen unter Beteiligung von π-Orbitalen zu bilden. Aufgrund seiner mittelstarken Elektronegativität hat er ein gutes Bindungsvermögen sowohl zu elektropositiveren als auch zu elektronegativeren Elementen. Alle Oxidationsstufen von −IV bis +IV kommen in der Natur in anorganischen oder organischen Verbindungen vor.

Kohlenstoffverbindungen werden traditionell bis auf wenige Ausnahmen zur organischen Chemie gezählt, diese wird auch manchmal als Chemie des Kohlenstoffs bezeichnet. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie. Auch die Biochemie ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie. Zu den einfachsten organischen Verbindungen zählen die Alkane Methan und Ethan.

Nur relativ wenige Kohlenstoffverbindungen werden traditionell zu den anorganischen Verbindungen gestellt, darunter mengenmäßig am bedeutendsten die Sauerstoff-Verbindungen:

• Carbide, Kohlenstoff-Element-Verbindungen des Typs E_xC_y, bei denen der Kohlenstoff der elektronegativere Reaktionspartner ist. Viele Metalle können Carbide bilden, die teilweise sehr hart sind und für Schneidwerkzeuge (z. B. Wolframcarbid) verwendet werden.

• Kohlenstoffmonoxid CO ist ein sehr giftiges Gas, das stark reduzierend wirkt und bei der Metallverhüttung (z. B. Eisen) eine wichtige Rolle spielt.

• Kohlenstoffdioxid CO₂ ist ein durch die Freisetzung bei der Verbrennung fossiler Kohlenstoffvorräte (Kohle, Öl, Erdgas) in großen Mengen entstehendes Treibhausgas. Es wird von den meisten Lebewesen ausgeatmet und von Pflanzen in der Photosynthese verwendet. Kohlenstoffdioxid ist inzwischen zu etwa 0,038 % Bestandteil der Atmosphäre, in der vorindustriellen Aera betrug der Anteil 0,028 %.

• Kohlensäure H₂CO₃ ist ein metastabiles Produkt aus Wasser und im Wasser gelöstem CO₂; eine mittelstarke Säure, die aber bezüglich der ständigen Umwandlung zwischen Kohlensäure und gelöstem CO₂ meist mit dem CO₂ zusammengefasst wird. Kohlensäure wurde mittlerweile auch bei völliger Abwesenheit von Wasser synthetisiert.

• Suboxide wie Trikohlenstoffdioxid (Malonsäureanhydrid, C₃O₂), Tetrakohlenstoffdioxid (C₄O₂), Pentakohlenstoffdioxid (C₅O₂), Oxalsäureanhydrid (C₄O₆) und Mellitsäureanhydrid (C₁₂O₉).

• Hydrogencarbonate oder Bicarbonate E⁺ HCO₃⁻, deren bekanntester Vertreter Natriumhydrogencarbonat unter anderem als Backtriebmittel verwendet wird.

• Carbonate E²⁺ CO₃²⁻ sind die zweiwertigen Salze der Kohlensäure. Die beiden bekanntesten Carbonate sind Natriumcarbonat, Trivialname Soda, ein wichtiger Grundstoff für die Glasherstellung und Calciumcarbonat aus dem z. B. Muscheln, Schnecken ihre Schalen aufbauen und das Steinkorallen abscheiden. Das von ihnen und durch andere Prozesse über lange Zeiträume gebildete Calciumcarbonat bildet heute ganze Gebirge (siehe: Kalkstein). Calciumcarbonat ist weiterhin ein wichtiger Baustoff.

• Kohlenstoff-Schwefel-Verbindungen, von denen die bekannteste Verbindung Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS₂), eine sehr giftige Flüssigkeit, ist.

• Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen, wie die Cyanide, deren bekanntester Vertreter Kaliumcyanid ein sehr starkes, die Atmung blockierendes Gift ist. Andere Cyanide sind ähnlich giftig.

Isotope

¹⁴C-Kreislauf

Kohlenstoff hat zwei stabile Isotope, ¹²C und ¹³C. ¹²C kommt zu 98,9 % in der Natur vor, ¹³C zu 1,1 %. ¹²C ist laut Definition der Bezugspunkt für die Einheit der Atommasse. ¹³C kann man in NMR-spektroskopischen Untersuchungen detektieren, da es, anders als ¹²C, über ein magnetisches Moment verfügt.

Neben diesen beiden stabilen Isotopen gibt es noch mehrere instabile Isotope. Das bekannteste instabile Isotop ist ¹⁴C mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Es entsteht durch natürliche Kernreaktionen in der Atmosphäre aus ¹⁴N.

Isotopenverhältnis zur Altersbestimmung organischen Materialien

→ Hauptartikel: Radiokohlenstoffmethode

Organisches Material, das am Kohlenstoffzyklus teilnimmt, zeigt das gleiche Verhältnis von ¹⁴C zu den stabilen Isotopen wie der Kohlenstoff in der Atmosphäre. Nach dem Ende des Stoffwechsels, also beispielsweise nach der Fällung eines Baums, verringert sich dieses Verhältnis allmählich durch den Zerfall. Die Bestimmung des Verhältnisses von ¹⁴C zu den stabilen Isotopen erlaubt daher eine Altersbestimmung an Gegenständen aus organischem Material (Radiokohlenstoffmethode), die vor allem in der Archäologie Verwendung findet.

Einzelnachweise

1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Kohlenstoff) entnommen.
3. ↑ Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
4. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 864.
5. ↑ Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
6. ↑ ^{a b} Simon MD, Geim AK (2000): Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets. Journal of Applied Physics 87: 6200–6204. doi:10.1063/1.372654
7. ↑ ^{a b} CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, CRC Taylor & Francis, Boca Raton Fla. 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, p. 4-8.
8. ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, CRC Taylor & Francis, Boca Raton Fla. 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, p. 4-135.
9. ↑ Datenblatt Holzkohle bei Merck, abgerufen am 23. März 2010.
10. ↑ http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-10429.pdf
11. ↑ A. Greenville Whittaker: The controversial carbon solid−liquid−vapour triple point. In: Nature. 276, 1978, S. 695–696. doi:10.1038/276695a0.
12. ↑ J.M. Zazula: On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam, CERN. Abgerufen am 6. Juni 2009. 
13. ↑ M. A. Carpenter: Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach. In: Stability of Minerals. Chapman & Hall, London 1992.
14. ↑ E. Salje: Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals. Cambridge University Press, Cambridge 1990.

Literatur

• Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 861–918.
• State and Trends of the Carbon Market 2008 (PDF, 622kb, 78S.), The World Bank, Carbon Finance Unit, 7. Mai 2008.

Weblinks

 Wiktionary: Kohlenstoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Kohlenstoff – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Kohlenstoff – Lern- und Lehrmaterialien

 Wikibooks: Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Kohlenstoff – Lern- und Lehrmaterialien

• Kohlenstoff auf Chemieseite.de
• Hybridisierung von Kohlenstoff

Periodensystem der Elemente

H

He

Li

Be

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C

N

O

F

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Na

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Si

P

S

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K

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Sc

Ti

V

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Fe

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As

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Br

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Ru

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Cd

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Te

I

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Normdaten: SWD in der DNB: 4164538-8