Kohlenstoff

Synonym

  • Carbon [engl.]

Übersicht

Chemie

Allgemeine Eigenschaften

Formelzeichen C
Ordnungszahl 6
Isotope [%] 10C - künstlich (19,255 sec -> 10B)
11C - künstlich (20,39 min -> 11B)
12C - 98,89
13C - 1,11
14C - Spuren (5730 a -> 14N)
15C - künstlich (2,3 sec -> 15N)

Chemische Eigenschaften

Elektronegativität nach Pauling (Oxidationsstufe) 2,55 (IV)
Elektronenkonfiguration 1s22s22p2
Oxidationszahlen +4, +2, -2, -4
bevorzugt +4, -4

Physikalische Eigenschaften

Mittlere Atommasse [u] 12,0107 ± 8
Dichte [g/cm3] 3,514 (Diamant)
2,25 (Graphit)
Schmelztemperatur [°C] 3547,1 (Diamant)
Siedetemperatur [°C] 4827
Härte [Mohs] 10 (Diamant)
0,6-1,0 (Graphit)
Atomradius [pm] 77,2
Ionenradius [pm] (Ladung bzw. Oxidationszahl) 16 (4+)
1. Ionisierungsenergie [kJ/mol] (bei 25 °C) 1093

Sonstige Eigenschaften

  • Kohlenstoff tritt in zwei natürlichen Modifikationen auf. Als kubisch kristallisierter nichtleitender Diamant und als hexagonaler stromleitender (α-)Graphit. Weitere Modifikationen sind der rhombische β-Graphit, Chaoit, Kohlenstoff(VI) und Fullerit.
  • Die Modifikation Diamant ist der härteste bekannte Stoff überhaupt.
  • Kohlenstoff ist sehr reaktionsträge, bei Raumtemperatur reagiert es nur mit Fluor. Bei höheren Temperaturen vermag es jedoch mit vielen Elementen Verbindungen einzugehen, wobei dort besonders die Verbindungen mit Wasserstoff und Sauerstoff, sowie die Carbide von Bedeutung sind.
  • Die Eigenschaft mit sich selbst Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen einzugehen, befähigt Kohlenstoff zur Bildung langer Ketten und von Ringsystemen.
  • Beim Verdampfen von Graphit bilden sich sogenannte Kohlenstoffcluster, die auch als Fullerene bezeichnet werden. 
    • Diese sind als einzige Kohlenstoffmodifikation in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich (rotviolette Farbe der Lösung) und zeigen ansonsten auch ein recht merkwürdiges Verhalten bei der Reaktion mit anderen Stoffen.
    • Fullerene leiten wie der Diamant (im Gegensatz zum Graphit) den elektrischen Strom nicht. Am bekanntesten ist das aus 60 Kohlenstoffatomen bestehende Buckminsterfulleren, das nach dem amerikanischen Ingenieur und Architekten Richard Buckminster Fuller (1895-1983), dem Erfinder von frei tragenden Kuppelkonstruktionen, benannt wurde:
  • Im Lichtbogen lässt sich aus Kohlenstoff und Wasserstoff Ethin herstellen (2 C + H2 C2H2). Mit Wasserdampf reagiert er bei Wärmezufuhr zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Dieses Gemisch wird auch als Wassergas bezeichnet (C + H2O  CO + H2). Mit Schwefel reagiert Kohlenstoff bei Rotglut zu Schwefelkohlenstoff (CS2), mit Stickstoff im Lichtbogen zu Dicyan (C2N2) und mit Silizium bei 2000 °C zu Siliziumcarbid (SiC).

Geschichtliches

  • Kohle von Knochen, Horn und Zahnbein oder die Holzkohle des Wachholders dienen den Höhlenmalern vor mehr als 30000 Jahren zur Herstellung von schwarzen Pigmenten.
  • 1787 Charakterisierung des Kohlenstoffs als Element durch Antoine Lavoisier.
  • 1796 erste Darstellung von Kohlenstoff durch Smithson Tennant. Dabei leitet er Phosphordämpfe über glühenden Kalk und erhält Calciumphosphat und Kohlenstoff.
  • Die englischen Chemiker William Allen und William Haseldine Pepys beweisen 1807, dass Diamant und Graphit aus reinem Kohlenstoff aufgebaut sind.
  • 1814 Einführung des Formelzeichens "C" durch J.J. Berzelius.
  • Das "C" steht für den lateinischen Namen "Carboneum", der sich von carbo ("Holzkohle") ableitet.
  • Das deutsche Wort Kohlenstoff bezieht sich auf "Kohle".
  • Ab ca. 1980 untersucht man an der Rice University (Houston, USA) Ruß, der beim Verdampfen von Kohle im elektrischen Lichtbogen (Vakuum, ca. 6000 °C) entsteht.
  • 1985 entdeckt man bei elektronenmikroskopischen Untersuchungen kugelige Gebilde, die man als "Fullerene" bezeichnet.
  • Die Beteiligten Dr. Robert F. Curl, Sir Harald W. Kroto und Richard E. Smalley erhalten 1996 für diese Entdeckung den Nobelpreis, die mitarbeitenden Studenten J. R. Heath und S. C. O'Brien gehen natürlich leer aus...

Vorkommen

  • Kohlenstoff ist in der Erdkruste ungefähr mit einem Anteil von 320 g/t (andere Quelle 0,087 %) vorhanden. Dennoch sind reine Kohlenstofflager selten.
  • Diamanten finden sich vor allem im alten Gestein von Vulkanschloten, dem Kimberlit. Die Hauptvorkommen liegen in Südafrika, im Kongo, in Russland und in Brasilien.
  • Graphit ist dagegen organischen Ursprungs. Lagerstätten findet man in Sri Lanka, Madagaskar, Sibirien, Mexiko, USA oder Kanada. 
  • Kohlenstoff ist wesentlicher Bestandteil organischen Lebens auf der Erde. Durch Verwesung und andere chemische Prozesse sind aus organischem Leben in früheren Zeiten, die heutigen Kohle-, Erdgas- und Erdölvorkommen gebildet worden.
    • Erdöl und Erdgas wurden durch die Umsetzung anaerober Bakterien gebildet.
    • Braun- und Steinkohle enthalten dagegen einen hohen Anteil an elementarem Kohlenstoff. Sie bildeten sich durch Umwandlung aus Pflanzenresten. Bei der Steinkohle ist der "Inkohlungs-Prozess" weiter fortgeschritten und verfestigt als bei der Braunkohle. Braunkohlevorkommen finden sich in Ostdeutschland, am Niederrhein, in den USA und in Kanada, Steinkohle dagegen im Saar- und Ruhrgebiet, in Belgien, im Zentralmassiv Frankreichs, in Großbritannien, in Nordamerika, in Asien und in Australien.
  • In Form der Carbonate ist Kohlenstoff ein wichtiges gesteinsbildendes Mineral.
  • CO2 kommt auch natürlich in der Atmosphäre vor. Die steigende Konzentration, durch die Verbrennung fossiler Energieträger in den letzten Jahrhunderten, wird für das allgemeine Ansteigen der Durchschnittstemperaturen in der letzten Zeit verantwortlich gemacht (Schlagworte: Treibhauseffekt, Klimakatastrophe...).

Verwendung

  • Kohlenstoff ist das zentrale Element der gesamten organischen Chemie.
  • Weitere Einsatzgebiete:
    • Graphit
      • Tiegel, Öfen, Schmiermittel, Elektroden, Bleistiftminen
    • Koks
      • Hochofenprozess und Heizmaterial
    • Ruß
      • Herstellung von Tusche und Druckfarben, Beimischung in Kautschukprodukten, z.B. Autoreifen
    • Aktivkohle
      • Adsorption von giftigen Gasen (Labor, Gasmasken) und zur Trinkwasserreinigung
    • Carbonfasern (Graphitfasern)
      • leichte, sehr stabile Werkstoffe z.B. im Fahrzeug- und Flugzeugbau, in der Raumfahrt
    • Diamanten
      • Bohrerspitzen, Schneidegeräte, Schmuck

Herstellung

  • Ausgangsprodukte für die technische Herstellung von reinem Kohlenstoff sind vor allem die natürlichen Vorkommen wie Kohle, Erdöl und Erdgas, die thermisch zersetzt werden.
    • Der Graphit für Elektroden wird nach einem 1896 von Edward Goodrich Acheson (1856-1931) entwickelten Verfahren aus gepulvertem Petrolkoks unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen in Elektroöfen hergestellt.
    • Natürlichen Graphit erhält man aus den Lagerstätten. Das Gestein wird zerkleinert und durch Flotation gereinigt.

Analytik

Identität

 

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