Steckbrief: Kohlenstoff

Informationen zum Element:

Bezeichnung

12,011
  C
6

Symbol: C

Internationale Bezeichung (IUPAC): Carbon

Ursprung: 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.
Kohlenstoff war bereits den prähistorischen 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 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 Graphit und Diamant verschiedene Formen des Elementes waren. Um 1830 setzte schließlich eine sprunghafte Entwicklung der synthetischen organischen Chemie ein, die nach der Einführung des Valenzbegriffes zwanzig Jahre später noch beflügelt wurde. Heute ist die organische Chemie ein eigenständiger Zweig der chemischen Wissenschaften.

Bedeutung: kolo = Kohle, carbo (carbonium) = Holzkohle

Daten Periodensystem

Kohlenstoff

Periode: 2

Gruppe: 14 (IV A)

Gruppenname: Kohlenstoffgruppe

Oxidationszahl: 4, -4, (2)

Atommasse [u]: 12,011

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 2,5

Elektronegativität (nach Pauling): 2,55

Physikalische Daten

Kohlenstoff

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm2]: 2,267 (Diamant), 3,513 (Graphit)

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: ~3547 (Diamant), ~3675 (Graphit), ~3675 (Amorph)

Siedetemperatur [°C]: ~4826 (Diamant), ~4026 (Graphit)

Kristallstruktur: hexagonal

Verwendung im Alltag

Die Anwendungen und Einsatzbereiche von Kohlenstoff-Verbindungen ist so vielfältig, dass darüber ganze Bücher geschrieben wurden: Kohle, Erdöl und Erdgas sind als fossile Energieträger die wichtigste Grundlage der Energiewirtschaft und damit Grundstütze 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, erhält man bereits eine recht ansehnliche Liste wichtiger Anwendungen:
Wegen seiner Hitzeresistenz wird es als Tiegelmaterial und Auskleidung für Öfen bzw. Gußformen verwendet. Es wird im Apperatebau und in Elektromotoren eingesetzt. Außerdem dient es als Schmier- und Gleitmittel. Und die alltäglichste 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 Spezialgeräten unter anderem zum Bohren oder Schneiden eingesetzt. Auch hier wird ein Großteil heute industriell erzeugt.

    Vorkommen und Häufigkeit

    Vorkommen: Kohlenstoff ist das wichtigste Element der Biosphäre, es ist in Lebewesen nach Sauerstoff (Wasser) nach Gewicht das häufigste Element. Geologisch dagegen zählt es nicht zu den häufigsten Elementen.
    Kohlenstoff ist in allen Lebewesen enthalten, alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Dies gilt sowohl für Pflanzen, Pilze, als auch für Tiere.
    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 (v. a. 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 und Zinkcarbonat (Zinkspat) ZnCO3.
    Bekannte 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 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.
    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.

      Häufigkeit: 0,09 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)

      Geschichte

      Entdeckung: historisch (Element: 1775)

      Entdecker: Element: Antoine Laurent Lavoisier

      Isotope

      • 12C (98,9 %, stabil, 6 Neutronen)
      • 13C (1,1 %, stabil, 7 Neutronen)
      • 14C (< 10-9 %, radioaktiv, Halbwertszeit: 5730 a, 8 Neutronen)

      Bilder (mit freundlicher Genehmigung von http://www.smart-elements.com):

      KohlenstoffKohlenstoffKohlenstoff

      Schalenmodell nach Bohr

      Kohlenstoff

       
      links
      Bor
      Kohlenstoff 
      rechts
      Stickstoff
       
      runter
      Silicium