Kohlenstoff (von urgerm. kul-a-, kul-ō(n)- ,Kohle‘) oder Carbon (von lat. carbō ,Holzkohle‘, latinisiert Carboneum oder Carbonium) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol C und der Ordnungszahl 6. Im Periodensystem steht es in der vierten Hauptgruppe bzw. der 14. IUPAC-Gruppe oder Kohlenstoffgruppe sowie der zweiten Periode.
Es kommt in der Natur sowohl in gediegener (reiner) Form (Diamant, Graphit, Chaoit) als auch chemisch gebunden (z. B. in Form von Carbiden, Carbonaten, Kohlenstoffdioxid, Erdöl, Erdgas und Kohle) vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung komplexer Moleküle und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff und seine Verbindungen zur Grundlage des Lebens auf der Erde.
Geschichte
Kohlenstoff in seinen Modifikationen als Graphit und Diamant sowie als Ruß ist seit prähistorischen Zeiten bekannt. Antoine de Lavoisier zählte Ruß zu den substances simples – Elementen im heutigen Sprachgebrauch. Er zeigte 1772, dass Diamant in einem abgeschlossenen Gefäß ohne Rückstand zu einem Gas verbrennt, was die Grundlage für die Erkenntnis war, dass Diamant reiner Kohlenstoff ist.
Vorkommen
mini|Kohlenstoffkreislauf: Die schwarzen Zahlen geben an, wie viele Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die violetten Zahlen geben an, wie viele Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr (Gt/a C) zwischen den einzelnen Speichern ausgetauscht werden.
Kohlenstoff ist ein essenzielles Element der Biosphäre; es ist in allen Lebewesen – nach Sauerstoff (Wasser) – dem Gewicht nach das bedeutendste Element. Alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.
Geologisch dagegen zählt Kohlenstoff nicht zu den häufigsten Elementen, denn in der Erdkruste beträgt der Massenanteil von Kohlenstoff nur 0,027 %.
In der unbelebten Natur findet sich Kohlenstoff sowohl elementar (Diamant, Graphit) als auch in Verbindungen. Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika (v. a. Südafrika und die Demokratische Republik 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.
Mehr als die Hälfte des Kohlenstoffs liegt in Form von anorganischem Carbonatgestein vor (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, Eisen(II)-carbonat (Eisenspat) FeCO3 und Zinkcarbonat (Zinkspat) ZnCO3.
Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen, sondern Mischungen vieler verschiedener organischer Verbindungen. Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher und tierischer Überreste unter hohem Druck. Wichtige Kohlevorkommen liegen in den USA, China und Russland, ein bekanntes deutsches im Ruhrgebiet. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel (Irak, Saudi-Arabien). Weitere wichtige Ölvorkommen gibt es im Golf von Mexiko und in der Nordsee. Über festes Methanhydrat in der Tiefsee ist noch wenig bekannt.
Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als Kohlenstoffdioxid (kurz Kohlendioxid) vor. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen, bei der Atmung sowie vulkanisch und wird durch Photosynthese der Pflanzen verwertet. Auch in Wasser ist CO2 gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil im Meer). Mit Stand 2015 waren ca. 830 Mrd. Tonnen Kohlenstoff in der Atmosphäre vorhanden. Da durch die Verbrennung fossiler Energieträger seit Beginn der Industrialisierung den Stoffflüssen in der Umwelt zuvor langfristig gebundenes CO2 hinzugefügt wird, steigt der Anteil an der Zusammensetzung der Luft sukzessive an. 2015 betrug der Anteil 400 ppm bzw. 0,04 %; ein Anstieg von ca. 120 ppm gegenüber dem vorindustriellen Wert von 280 ppm. Insgesamt wurden seit Beginn der Industrialisierung ca. 530 Mrd. Tonnen Kohlenstoff durch fossile Energieträger freigesetzt, von denen etwa knapp die Hälfte in der Atmosphäre verblieb und jeweils gut ein Viertel von Ozeanen und Landökosystemen aufgenommen wurde.Markus Reichstein: Universell und Überall. Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem. In: Jochem Marotzke, Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 125–127.
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.
Eigenschaften
mini|links|Phasendiagramm des Kohlenstoffs
Physikalische Eigenschaften
Kohlenstoff kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor. Alle Feststoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf die beiden Grundtypen Diamant und Graphit zurückführen.
Im Diamant ist Kohlenstoff dreidimensional kovalent gebunden. Diamant ist ein Isolator und transparent. Er ist das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt.
Im Graphit ist die kovalente Bindung innerhalb der Basalebenen stärker als die beim Diamanten, während die Ebenen locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Die freien π-Elektronen sind verantwortlich für die tiefschwarze Farbe, die leichte Spaltbarkeit und die hohe Leitfähigkeit entlang der Basalebenen. Graphit dient als hochtemperaturbeständiges Dichtungsmaterial und Schmiermittel sowie als Grundstoff für Bleistiftminen.
mini|Molvolumen von Graphit als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur mini|Molvolumen von Diamant als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur Im Gegensatz zur landläufigen Meinung sind die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit jedoch keine Eigenschaft von Graphit an sich, sondern werden nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren gefunden. Im Vakuum oder in sehr trockener Atmosphäre steigt der Reibungskoeffizient von Graphit daher drastisch an.Bing K. Yen, Birgit E. Schwickert: Origin of low-friction behavior in graphite investigated by surface x-ray diffraction. (PDF; 215 kB), Mai 2004.
Bei Normaldruck und Temperaturen unterhalb 4000 K ist Graphit die thermodynamisch stabile Modifikation des Kohlenstoff (siehe Phasendiagramm). Wegen der hohen Aktivierungsenergie ist auch Diamant bei Raumtemperatur stabil und wandelt sich erst oberhalb 500 °C merklich in Graphit um. Umgekehrt erfordert die Transformation von Graphit in Diamant einen Druck von mindestens 20.000 bar (2 GPa). Für eine ausreichend schnelle Reaktion sollte die Temperatur oberhalb von 1500 °C liegen, bei einem Druck von 60.000 bar entsprechend dem Phasendiagramm.
Kohlenstoff hat die höchste Temperaturbeständigkeit aller bekannten Materialien. Er sublimiert bei Normaldruck bei 3915 K (3642 °C), ohne vorher an Festigkeit einzubüßen. Der Tripelpunkt liegt bei (10,8 ± 0,2) MPa und (4600 ± 300) K.
Kohlenstoff ist diamagnetisch. Pyrolytisch abgeschiedener Graphit hat eine große Anisotropie in der magnetischen Suszeptibilität (parallel: = −85 · 10−6; senkrecht: = −450 · 10−6), Diamant ist dagegen isotrop ( = −22 · 10−6).
In seinen verschiedenen Modifikationen zeigt Kohlenstoff sehr unterschiedliche Eigenschaften. Kohlenstoff ist das härteste Element: als kristalliner Diamant wird auf der Härteskala nach Knoop der absolute Höchstwert von 90 GPa erreicht. In der Form des Graphits ist Kohlenstoff nach Rubidium und Caesium mit 0,12 GPa das drittweichste Element. Diamant besitzt auch die höchste Wärmeleitfähigkeit, die bei Raumtemperatur weit über 2000 W/(m·K) liegt.GIT Labor-Fachzeitschrift. Heft 9/2013, S. 596, nach Jürgen Quadbeck-Seeger (Hrsg.): Chemie Rekorde. Wiley-VCH.
Chemische Eigenschaften
Molekularer Kohlenstoff weist aufgrund seiner stabilen Konfiguration eine geringe chemische Aktivität auf. Er kann eine Reaktion eingehen, wenn dem Atom zusätzliche Energie zugeführt wird und die Elektronen der Außenhülle abbrechen müssen. In diesem Moment wird die Wertigkeit des Elements 4, und aus diesem Grund hat Kohlenstoff in Verbindungen eine Oxidationsstufe von +2, +4 und −4. Alle Reaktionen von Kohlenstoff mit Metallen und Nichtmetallen finden bei hohen Temperaturen statt. Dieses Element kann sowohl ein Oxidationsmittel als auch ein Reduktionsmittel sein. Die reduzierenden Eigenschaften von Kohlenstoff sind stark, so dass das Element in der Metallindustrie verwendet wird.
Die Fähigkeit von Kohlenstoff, chemische Reaktionen einzugehen, hängt von Faktoren wie der Reaktionstemperatur, der allotropen Modifikation und dem Dispersionsgrad ab. Er reagiert nicht mit Laugen und Säuren und sehr selten mit Halogenen. Eine der Haupteigenschaften von Kohlenstoff ist die Fähigkeit des Elements, lange Ketten zwischen sich zu bilden. Die Ketten schließen sich zyklisch und es bilden sich Verzweigungen. Auf diese Weise entstehen millionenfach organische Verbindungen. Diese Verbindungen können auch andere Elemente enthalten: Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Halogene oder Metalle.MEL Science:
Atommodell des Kohlenstoffs
mini|links|Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms im Grundzustand
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 sanduhrförmigen Raum, jeweils eine Sanduhrhälfte links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystems platziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital (gemäß y- und z-Achse).
Diamant-Struktur (sp3)
mini|links|Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.
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 aller vier Orbitale der zweiten Stufe angleichen. Die neu entstehenden Orbitale besitzen eine langgestreckte, asymmetrische Tropfenform. Waren die Formen der p-Orbitale punktsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung vergrößert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden übersichtlichkeitshalber fortgelassen. Die vier sp3-Orbitale sind mit größtmöglichem Abstand zueinander symmetrisch im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines imaginären 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-Struktur (sp2)
mini|links|Drei sp2-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (trigonal) zueinander aus.