Kohlenstoff

Übersicht

Chemisches Zeichen: C

Ordnungszahl: 6

Relative Atommasse in u: 12,011

Siedepunkt in °C: 4827

Schmelzpunkt in °C: 3547

Dichte in kg/m3 bei 20 °C: 3513

(lateinisch: carbo) auch: Carboneum (internationaler Name); carbon (englischer Name);

chemisches Element der zweiten Periode und der vierten Hauptgruppe des Periodensystems.

Isotope

Die wichtigsten Isotope sind zwei stabile, natürliche Isotope mit den Massenzahlen zwölf und 13. Ersteres hat einen Anteil von 98,9 Prozent, Zweiteres von 1,1 Prozent. Von den instabilen Isotopen ist Kohlenstoff 14 mit einer Halbwertszeit von 5 730 Jahren wohl am bekanntesten, da es zur Altersbestimmung fossiler Überreste verwendet wird.

Eigenschaften und Verbindungen

Kohlenstoff ist ein typisches Nichtmetall, von dem man heute drei verschiedene Modifikationen kennt: Diamant, Grafit und Fullerne (nach dem amerikanischen Architekten R.B. Fuller). In ihren Eigenschaften unterscheiden sich die beiden wichtigen Modifikationen, Diamant und Grafit, grundsätzlich voneinander:

Diamant bildet eine dreidimensionale Raumnetzstruktur, Diamantkristalle sind äußerst hart, sehr stabil und klar wie Glas. Entsprechend der Mohs'schen Härteskala nimmt Diamant die höchste Stufe zehn ein. Diese Kohlenstoffmodifikation hat mit 3 550 °C den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente. Diamant leitet elektrischen Strom nicht. Innerhalb des Diamantkristalls sind die Kohlenstoffatome über kovalente Bindungen miteinander verbunden.

Grafit ist die häufigste Form reinen Kohlenstoffs. Im Gegensatz zu Diamant ist Grafit sehr weich. Es handelt sich um mattschwarze, schuppige Kristalle. Grafit fühlt sich leicht fettig an. Auf Grund der Anordnung der Elektronen entstehen ebene Sechsringgitter, die in vielen Schichten übereinander gelagert sind. Parallel zu den Schichten leitet Grafit sehr gut Wärme und elektrischen Strom. Senkrecht zu der hexagonalen Kohlenstoffschicht wirkt es als Isolator. Die früher als amorpher Kohlenstoff bezeichneten Formen Ruß und Aktivkohle sind keine Modifikationen, sondern lediglich mikrokristalline Formen von Grafit.

Bei den Fullerenen handelt es sich um seltene Kohlenstoffmoleküle mit meist 60 C-Atomen. Fullerene haben die Form eines Fußballs. Ihre Existenz wurde schon einige Jahre vor ihrer Entdeckung diskutiert. Sie konnten 1985 nachgewiesen werden. Inzwischen sind auch Fullerene bekannt, die aus 28, 32, 50 und 70 Kohlenstoffatomen zusammengesetzt sind.

Die Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten oder Ringe zu bilden, bedingt seine große Vielzahl an chemischen Verbindungen. Diese Fähigkeit prädestiniert das Element geradezu zur Gerüstsubstanz biologischer Organismen. Insgesamt gibt es gegenwärtig ungefähr 5 Millionen Kohlenstoffverbindungen, womit die Zahl der kohlenstofffreien Verbindungen (etwa 300 000) deutlich übertroffen wird. Die jährliche Zuwachsrate von Kohlenstoffverbindungen, die gefunden oder erzeugt werden, beträgt etwa eine Viertelmillion. Die meisten Kohlenstoffverbindungen werden von der organischen Chemie behandelt. Nur elementarer Kohlenstoff und einige seiner einfachsten Verbindungen, wie z.B. Oxide, Sulfide, Kohlensäure, Karbonate, Karbide und einfache Cyanverbindungen, werden zur anorganischen Chemie gerechnet.

Bedeutung und Vorkommen

Das uns bekannte Weltall weist einen Kohlenstoffanteil von 0,008 Prozent 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 Prozent Kohlenstoff. Auf der Erde liegt sein Anteil bei ca. 0,99 Prozent. Am Aufbau der Erdkruste ist Kohlenstoff mit 480 ppm (parts per million: Teile pro Million Teile) beteiligt. Die Angaben schwanken allerdings beträchtlich, manche Quellen sprechen lediglich von 180 ppm. Kohlenstoff kommt in elementarer Form als Diamant und Grafit vor. Grafit findet man praktisch überall auf der Erde. Die meisten Vorkommen sind allerdings technisch nicht nutzbar. Grafit hoher Reinheit ist dementsprechend knapp, so dass er in großem Umfang künstlich hergestellt wird. Sämtliche Diamanten findet man in alten Vulkanschloten in so genanntem Kimberlit-Gestein. Noch während der 1950er Jahre stammten 99 Prozent der Diamantenproduktion aus Afrika, doch das änderte sich, als die Sowjetunion als Großförderer auf den Weltmarkt trat.

Der weitaus größere Teil des weltweiten Kohlenstoffs liegt allerdings in gebundener Form vor: Kalziumkarbonat, Magnesiumkarbonat, Eisenkarbonant und andere Karbonate bilden gewaltige Gebirgszüge. Kohle, Erdöl und Erdgas sind die wichtigsten Kohlenwasserstoffe, die als abgestorbenes pflanzliches und tierisches Material riesige Lagerstätten bilden. Kohlendioxid ist das ökologisch wichtigste Spurengas der Atmosphäre. Sein Anteil an der Atmosphäre wird mit 0,035 Prozent angegeben. Durch die anhaltende Verbrennung fossiler Energieträger stieg der Anteil von Kohlendioxid in der Atmosphäre in den vergangenen 250 Jahren messbar an. Die Menge des im CO2 der Luft gebundenen Kohlenstoffs liegt heute bei schätzungsweise 600 Milliarden Tonnen.

Verwendung

Die Anwendungen und Einsatzbereiche von Kohlenstoffverbindungen sind sehr vielfältig: Kohle, Erdöl und Erdgas sind als fossile Energieträger die wichtigste Grundlage der Energiewirtschaft und bilden damit eine Grundstütze der Industriegesellschaft. Die Kohlenwasserstoffe sind die Basis der Kunststoffindustrie und der Pharmabranche. Allein elementarer Kohlenstoff in Form von Naturgrafit wird in vielen Bereichen verwendet: Wegen seiner Hitzeresistenz wird es als Tiegelmaterial und Auskleidung für Öfen bzw. Gussformen verwendet. Es wird im Apparatebau und in Elektromotoren eingesetzt. Außerdem dient er als Schmier- und Gleitmittel. Die alltäglichste Anwendung von Grafit sind wahrscheinlich Bleistiftminen. Wegen dieser Anwendungsbreite wird das meiste genutzte Grafit inzwischen industriell hergestellt. Einige Kernreaktortypen setzen Kohlenstoff als Moderatorsubstanz ein. Die weltweite Produktion industriell erzeugten Grafits kann mit mehr als einer Million Tonnen pro Jahr veranschlagt werden. Diamanten dienen nicht nur als Schmuck. Sie werden in Spezialgeräten unter anderem zum Bohren oder Schneiden eingesetzt. Auch hier wird ein Großteil heute industriell erzeugt.

Ökologische Bedeutung des Kohlenstoffs

Kohlenstoff ist an allen dynamischen Prozessen der Ökosphäre beteiligt. Der globale Kohlenstoffkreislauf stellt die Grundbedingung für die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde dar. Der Kohlenstoffgehalt der gesamten Biomasse wird auf 300 Milliarden Tonnen geschätzt. Im menschlichen Körper ist Kohlenstoff mit 10,7 Prozent nach Wasserstoff und Sauerstoff das wichtigste Element.

Geschichte

Kohlenstoff war bereits den prähistorischen Menschen bekannt. Schon in der Altsteinzeit wurde er in Form von Holzkohle verwendet. 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 frühzeitig, beispielsweise für die Porzellanherstellung. Jedoch erkannte erst A.L. Lavoisier 1775, dass es sich um ein eigenständiges Element handelt, und gab ihm den Namen "Carboneum". So wusste man im ausgehenden 18. Jahrhundert, dass Grafit und Diamant verschiedene Formen des Elementes waren. Um 1830 setzte schließlich eine sprunghafte Entwicklung der synthetischen organischen Chemie ein, die nach der Einführung des Valenzbegriffs zwanzig Jahre später noch beflügelt wurde. Für dieses Gebiet der Chemie ist Kohlenstoff von elementarer Bedeutung.