Kohlenstoff

Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: keine S-Sätze

Kohlenstoff (von altgerm. kolo = "Kohle"), Symbol C (von lat. carbo "Holzkohle", latinisiert carbonium) ist ein chemisches Element der 4. Hauptgruppe. Es kommt in der Natur sowohl in reiner (gediegener) Form als auch chemisch gebunden 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 das wichtigste Element der irdischen Biosphäre, es ist in Lebewesen nach Sauerstoff das häufigste Element. Geologisch dagegen zählt es nicht zu den häufigsten Elementen.
Alles irdische Leben ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.

Geologisch findet man Kohlenstoff sowohl elementar, als auch in Verbindungen. Man findet sowohl Diamant, als auch Graphit in der Natur. Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika (Südafrika und der 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,
• Eisencarbonat(Eisenspat) FeCO₃
• Zinkcarbonat (Zinkspat) ZnCO₃.

Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Kohlenstoff, C, 6
Serie	Nichtmetall
Gruppe, Periode, Block	14, 2, p
Aussehen	schwarz (Graphit) farblos (Diamant)
CAS-Nummer	7440-44-0
Massenanteil an der Erdhülle	0,09 %
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	3 unter anderem Graphit (G) und Diamant (D)
Kristallstruktur	G: hexagonal D: kubisch flächenzentriert
Dichte	G: 2,25 g/cm3 D: 3,51 g/cm3
Mohshärte	G: 0,5 D: 10
Magnetismus	diamagnetisch
Schmelzpunkt	D: 3820 K (D: 3.550 °C)
Siedepunkt	G: (Subl.) D: 5100 K (4.800 °C)
Verdampfungswärme	Sublimation[1]: 715 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	D: 18350 m/s
Chemisch
Oxidationszustände	2, 4
Oxide (Basizität)	CO2; CO (leicht sauer)
Elektronegativität	2,55 (Pauling-Skala)

Bekannteste Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Brennstoffe 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, Australien und Russland. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel (Irak, Saudi-Arabien, Kuwait). Weitere wichtige Ölvorkommen sind im Golf von Mexiko, im Gebiet um das Kaspische Meer und in der Nordsee.

Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als Kohlenstoffdioxid vor. Es ist an der Zusammensetzung der Luft zu etwa 0,04 % beteiligt. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen. Auch in Meerwasser ist CO₂ gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil).

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.

Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor, die beiden wichtigsten sind Diamant und Graphit.

Graphit ist ein guter elektrischer Leiter von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist seine Leitfähigkeit anisotrop: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel. Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen.

Modifikationen des Kohlenstoffs

Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor, die beiden wichtigsten sind Diamant und Graphit.

Graphit ist ein guter elektrischer Leiter von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist seine Leitfähigkeit anisotrop: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel. Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen (siehe unten).

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 (sp³) Struktur

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 (sp²) Struktur

Sind nur 2 der 3 p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die so genannte 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, d.i. 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 sprechen wir 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).

Dreifach (sp¹) Bindung

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.

Weitere Formen des Kohlenstoffs

Kohlenstoff-Fasern

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.

Amorpher Kohlenstoff

In amorphem Kohlenstoff (a-C) sind die Atome ohne langreichweitige Ordnung vernetzt. Das Material lässt sich mit nahezu beliebigen sp²:sp³-Hybridisierungsverhältnissen herstellen, wobei die Materialeigenschaften fließend von denen des Graphits zu denen des Diamanten 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 amorphem Kohlenstoff (ta-C). Dieses Material zeichnet sich durch hohen elektrischen Widerstand, extreme Härte und optische Transparenz aus. Die Herstellung kann mittels PVD- oder PECVD-Methoden erfolgen. Das Material wird dabei als Schicht abgeschieden (amorphe Kohlenstoffschicht).

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.

• 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 0,04 % 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.

• 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.

Isotope

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 zur Messung von Atommassen: 1/12 der Masse dieses Kohlenstoffisotops ist 1u (atomare Masseneinheit). 1 mol ¹²C wiegt genau 12 g. ¹³C kann man zu NMR-spektroskopischen Untersuchungen verwenden.

Neben diesen beiden stabilen Isotopen gibt es noch mehrere instabile Isotope. Das bekannteste instabile Isotop ist dabei ¹⁴C mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Es entsteht durch natürliche Kernreaktionen in der Atmosphäre aus ¹⁴N. Wenn eine organische Verbindung von der Luft abgeschlossen ist, hat sie ein typisches Verhältnis von¹⁴C zu den stabilen Isotopen. Durch den Zerfall ändert sich dieses Verhältnis mit der Zeit. Durch die Bestimmung des Verhältnisses von ¹⁴C zu den stabilen Isotopen ist nun eine Altersbestimmung möglich (Radiocarbon-Methode), die vor allem in der Archäologie Verwendung findet.

Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung

Die Inkohlung erhöht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer Zeiträume. Dieser Prozess führte zur Entstehung von Braun- und Steinkohle aus Pflanzenmaterial des Karbons. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Inertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1.900 °C) und Graphitierung beziehungsweise Graphitisierung (oberhalb 2.000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen.

Mögliche Rohstoffe für n unter Inertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1.900 °C) und Graphitierung beziehungsweise Graphitisierung (oberhalb 2.000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen.

Mögliche Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung sind, Anthrazit, Steinkohle, Koks (karbonisierte Steinkohle), Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Torf, Holz, Holzkohle (karbonisiertes Holz).

Anmerkungen:

1. Sublimation - unmittelbarer Übergang des festen Aggregatzustandes in den flüssigen und Umgekehrt.

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 16.03. 2024