Kohlenstoff

  • Symbol: C
  • szahl: 6

IV. Hauptgruppe (Kohlenstoffgruppe)

Namensbedeutung

Das Elementsymbol fĂŒr Kohlenstoff (C) bedeutet carboneum und leitet sich von carbo, dem lateinischen Wort fĂŒr Kohle, ab. Im englischen wird es carbon genannt.

Entdeckung und historische Bedeutung

Kohlenstoff war bereits den prĂ€historischen Menschen bekannt. Schon in der Altsteinzeit wurde er in Form von Holzkohle verwendet und im Altertum erkannte man, dass sich Holzkohle durch Steinkohle ersetzen ließ. Die Römer nannten sie carbo fossiles und setzten sie zur Metallgewinnung ein. Auch die Chinesen verwendeten sie schon frĂŒhzeitig beispielsweise fĂŒr die Porzellanherstellung.

Jedoch erkannte erst A.L. Lavoisier 1775, dass es sich um ein eigenstĂ€ndiges Element handelt und gab ihm den Namen Carboneum. So wusste man im ausgehenden 18. Jahrhundert, dass Graphit und Diamant verschiedene Formen des Elementes waren. Um 1830 setzte schließlich eine sprunghafte Entwicklung der synthetischen organischen Chemie ein, die nach der EinfĂŒhrung des Valenzbegriffes zwanzig Jahre spĂ€ter noch beflĂŒgelt wurde. Heute ist die organische Chemie ein eigenstĂ€ndiger Zweig der chemischen Wissenschaften.

* A.L. Lavoisier (Biographische Daten)

Bedeutung und Vorkommen

HĂ€ufigkeiten in % in ppm
Weltall 0,460 4600
Sonne 0,390 3900
Erdkruste 0,020 200
Meer 0,0028 28
Mensch 22,9 230000

Das uns bekannte Weltall weist einen Kohlenstoffanteil von 0,008% Kohlenstoff auf. Im interstellaren Raum findet man reinen Kohlenstoff unter anderem auch im Form seiner bis 1985 unbekannten Modifikation, den Fulleren. Kometen enthalten im Mittel 0,035% Kohlenstoff.

Auf der Erde liegt sein Anteil bei ca. 0,99%. Am Aufbau der Erdkruste ist Kohlenstoff mit 480 ppm beteiligt. Die Angaben schwanken allerdings betrĂ€chtlich, andere Quellen sprechen lediglich von 180 ppm. Kohlenstoff kommt in elementarer Form als Diamant und Graphit vor. Graphit findet man praktisch ĂŒberall auf der Erde. Die meisten Vorkommen sind allerdings technisch nicht nutzbar. Graphit hoher Reinheit ist dementsprechend knapp, so dass er in großem Umfang kĂŒnstlich hergestellt wird. SĂ€mtliche Diamanten findet man in alten Vulkanschloten in sogenannten Kimberlit-Gestein. Noch wĂ€hrend der 50er Jahre stammten 99% der Diamantenproduktion aus Afrika, doch das Ă€nderte sich, als die Sowjetunion als Großförderer auf den Weltmarkt trat. Die grĂ¶ĂŸten Anbieter lupenreiner Diamanten sind Zaire, die GUS und SĂŒdafrika.

Hauptvorkommen von Diamant
Hauptvorkommen von Diamant

Der weitaus grĂ¶ĂŸere Teil des weltweiten Kohlenstoffs liegt allerdings in gebundener Form vor: Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Eisencarbonant und andere Carbonate bilden gewaltige GebirgszĂŒge. Kohle, Erdöl und Erdgas sind die wichtigsten Kohlenwasserstoffe, die als abgestorbenes pflanzliches und tierisches Material riesige LagerstĂ€tten bilden.

Kohlendioxid ist das ökologisch wichtigste Spurengas der AtmosphĂ€re. Sein Anteil an der AtmosphĂ€re wird mit 0,035% angegeben. Durch die anhaltende Verbrennung fossiler EnergietrĂ€ger steigt der Anteil von Kohlendioxid in der AtmosphĂ€re seit den vergangenen 250 Jahren meßbar an. Die Menge des im CO2 der Luft gebundenen Kohlenstoffs liegt heute bei schĂ€tzungsweise 600 Milliarden Tonnen.

Ökologische Bedeutung

Kohlenstoff ist an allen dynamischen Prozessen der ÖkosphĂ€re beteiligt. Der globale Kohlenstoffkreislauf stellt die Grundbedingung fĂŒr die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde dar. Ohne Kohlenstoff gĂ€be es auf der Erde weder pflanzliches noch tierisches Leben! Der Kohlenstoffgehalt der gesamten Biomasse wird auf 300 Milliarden Tonnen geschĂ€tzt. Im menschlichen Körper ist es mit 10,7% nach Wasserstoff und Sauerstoff das wichtigste Element.

* Kohlenstoffkreislauf

Eigenschaften

Kohlenstoff ist ein typisches Nichtmetall, von dem heute drei verschiedene Modifikationen bekannt sind: Diamant, Graphit und Fullerne. In ihren Eigenschaften unterscheiden sich die beiden wichtigen Modifikationen grundsÀtzlich voneinander.

  • Diamant bildet eine dreidimensionale Raumnetzstruktur; Diamantkristalle sind Ă€ußerst hart, sehr stabil und klar wie Glas. Entsprechend der Mohs'schen HĂ€rteskala nimmt Diamant die höchste Stufe 10 ein. Diese Kohlenstoffmodifikation hat mit 3823 K den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente. Diamant leitet elektrischen Strom nicht. Innerhalb des Diamantkristalls sind die Kohlenstoffatome ĂŒber kovalente Bindungen miteinander verbunden, sie sind dabei spÂł-hybridisiert.
  • Graphite ist die hĂ€ufigste Form reinen Kohlenstoffs. Im Gegensatz zu Diamant ist Graphit sehr weich. Es handelt sich um mattschwarze, schuppige Kristalle. Graphit fĂŒhlt sich leicht fettig an. Alle Kohlenstoffatome sind spÂČ-hybridisiert. Dies hat ebene Sechsringgitter zur Folge, die in vielen Schichten ĂŒbereinandergelagert sind. Parallel zu den Schichten leitet Graphik sehr gut WĂ€rme und elektrischen Strom. Senkrecht zu den hexagonalen Kohlenstoffschicht wirkt es als Isolator. − Die frĂŒher als amorpher Kohlenstoff bezeichneten Formen Ruß und Aktivkohle sind keine Modifikation, sondern lediglich mikrokristalline Formen von Graphit.
  • Bei den Fullerenen handelt es sich um ein seltene KohlenstoffmolekĂŒle mit meist 60 C-Atomen. Fullerene haben die Form eines Fußballs. Die Existenz wurde schon einige Jahre vor ihrer Entdeckung diskutiert. Sie konnten aber 1985 nachgewiesen werden. Inszwischen sind auch Fullerene bekannt, die aus 28, 32, 50 und 70 Kohlenstoffatomen zusammengesetzt sind.

Kohlenstoffverbindungen

Die FĂ€higkeit des Kohlenstoff, lange Ketten oder Ringe zu bilden, bedingt die große Vielzahl an chemischen Verbindungen. Diese FĂ€higkeit prĂ€destiniert das Element geradezu zur GerĂŒstsubstanz biologischer Organismen.

Insgesamt gibt es gegenwĂ€rtig ungefĂ€hr 5 Millionen Kohlenstoffverbindungen, womit die Zahl der Kohlenstoff-freien Verbindungen deutlich ĂŒbertroffen wird (etwa 300.000). Die jĂ€hrliche Zuwachsrate von Kohlenstoffverbindungen, die gefunden oder erzeugt werden, betrĂ€gt etwa eine viertel Million. Die meisten Kohlenstoffverbindungen werden von der organischen Chemie behandelt. Nur elementarer Kohlenstoff und einige seiner einfachsten Verbindungen, wie z.B. Oxide, Sulfide, KohlensĂ€ure, Carbonate, Carbide und einfache Cyanverbindungen, werden zur anorganischen Chemie gerechnet.

  • Carbide
  • Carbonmonooxid
  • Carbondioxid
  • Cyanverbindungen
  • Kohlenwasserstoffe

Isotope

Die wichtigsten Isotope sind zwei stabile, natĂŒrliche Isotope mit den Massenzahlen 12 und 13. Das erste hat einen Anteil von 98,9% und das zweite 1,1%. Von den instabilen Isotopen ist Kohlenstoff 14 mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren wohl am bekanntesten, da es zur Altersbestimmung fossiler Überreste verwendet wird.

  • C-14-Methode

Verwendung

Die Anwendungen und Einsatzbereiche von Kohlenstoff-Verbindungen ist so vielfĂ€ltig, dass darĂŒber ganze BĂŒcher geschrieben wurden: Kohle, Erdöl und Erdgas sind als fossile EnergietrĂ€ger die wichtigste Grundlage der Energiewirtschaft und damit GrundstĂŒtze der Industriegesellschaft mit all ihren ökologischen Konsequenzen. Die Kohlenwasserstoffe sind die Basis der Kunststoffindustrie und der Pharmabranche.

Selbst wenn man sich nur auf die Anwendungen von elementarem Kohlenstoff in Form von Naturgraphit konzentriert, erhĂ€lt man bereits eine recht ansehnliche Liste wichtiger Anwendungen: Wegen seiner Hitzeresistenz wird es als Tiegelmaterial und Auskleidung fĂŒr Öfen bzw. Gußformen verwendet. Es wird im Apperatebau und in Elektromotoren eingesetzt. Außerdem dient es als Schmier- und Gleitmittel. Und die alltĂ€glichste Anwendung von Graphit sind wohl immer noch Bleistiftminen. Wegen dieser Anwendungsbreite wird das meiste genutzte Graphit inzwischen industriell hergestellt.

In einigen Reaktorlinien wird es als Moderatorsubstanz eingesetzt, was im Falle einer Havarie katastrophale Auswirkungen haben kann. So ist die russische RBMK-Baureihe − zu der auch der Tschernobyl-Reaktor gehört − von der Konstruktion ein Graphitreaktor. Die weltweite Produktion industriell erzeugten Graphits kann mit mehr als einer Million Tonnen pro Jahr veranschlagt werden.

Diamanten dienen nicht nur als Schmuck. Sie werden in SpezialgerĂ€ten unter anderem zum Bohren oder Schneiden eingesetzt. Auch hier wird ein Großteil heute industriell erzeugt.

Elementdaten

  • Kohlenstoff (OZ: 6)
  • IV. Hauptgruppe
  • Kohlenstoffgruppe

Normalzustand

  • Feststoff - Nichtmetall, drei Modifikationen: Graphit, Diamant und Fullere
  • CAS-Nummer: 7440-44-0
  • Kernladungszahl: 6
  • rel. Atommasse: 12,011
  • Kernladung: 3,25

Radien

  • Atomradius: 77,2 pm
  • Ionenradius: 16 (+4) pm
  • Kovalenzradius: 77 pm
  • Konfiguration: [He] 2sÂČ 2pÂČ
  • Oxidationszahlen: 4, 2, -4
  • Ionisierungseng.: 11,260
  • Dichte: 3,51 D g/cmÂł

ElektronegativitÀt

  • Pauling: 2,55
  • Allred & Rochow: 2,5
  • Pearson: 6,27 eV

Temperatur

  • Schmelzpunkt: 3823.0 K (3550 °C)
  • Siedepunkt: 5100.0 K (4827 °C)

NatĂŒrliche Isotope

  • C-12: 98,90%
  • C-13: 1,10%

Entdeckung

  • seit ca. 7000 Jahren bekannt, Lavoisier, 1775 (Erstbeschreibung), Frankreich