De Kohlenstoff (latiensch: Carbonium) is en Element ut dat Periodensystem un tellt to de Nichtmetallen. Dat Atomteken is C un de Atomtall is 6. In de Natur kann Kohlenstoff gediegen oder cheemsch bunnen vörkamen. Dat Kohlenstoffatom wiest en sünnere Anorden vun de Elektronen in de Hüll op, neemlich en halfvulle L-Schaal. Dordör kann Kohlenstoff bannig komplexe Molekülen billn un hett vun all cheemsche Elementen de gröttste Männigkeit vun Verbinnen. Kohlenstoffverbinnen sünd de molekulare Grundlaag vun all Leven op de Eer un stellt dormit ok de Grundlaag dor för de orgaansche Chemie.
Vörkamen Kohlenstoff is en essentiell Element vun de Biosphäär op de Eer. De Kohlenstoff kummt in all Leevwesen vör un is na’t Gewicht dat bedüdenste Element na’n Suerstoff (Water). All Geweev, worut de Leevwesens opboet sünd, besteiht ut orgaansche Kohlenstoffverbinnen.
Ut Sicht vun de Geologie dorgegen kummt de Kohlenstoff nich övermatig faken vör. Man finnt em in de nich belevten Natur in elementare Form (Demant, Graphit) as ok in Verbinnen. Demant warrt vör allen in Afrika (sünners in Süüdafrika un in de Demokraatschen Republiek Kongo) un in Russland anfunnen. Faken is Demant in vulkaansche Stenen as Kimberlit optodecken. Graphit kummt teemlich roor in Metamorphiten vör, de Kohlenstoff bargt. De wichtigsten Vörkamen sünd in Indien un de Volksrepubliek China.
An’n fakensten finnt een Kohlenstoff in Form vun anorgaansch Carbonatsteen (ruchweg 2,8 · 1016 t). Carbonatstenen gifft dat an vele Steden un deelwies billt se hele Bargen. En bekannt Bispeel för en Carbonatbargland sünd de Dolomiten in Italien. Dat gifft verschedene Carbonat-Mineralen. De wichtigsten dorvun sünd Calciumcarbonat (CaCO3, mit de Modifikatschonen Kalksteen, Kried un Marmor), Calcium-Magnesium-Carbonat (CaCO3 · MgCO3, Dolomit), Iesen(II)-carbonat (FeCO3, Iesenspat) un Zinkcarbonat (ZnCO3, Zinkspat).
Kohlenstoff gifft dat ok in de Form vun de fossilen Brennstoffen Kahl, Eerdööl un Eerdgas. Aver dat sünd keen reine Kohlenstoffverbinnen, man Mischen ut vele verschedene orgaansche Verbinnen. Se entstaht dör Ümwanneln vun de Överresten vun Planten (Kahl) un Deerten (Eerdööl un -gas) ünner hogen Druck. Bedüdende Vörkamen för Kahlen gifft dat in de USA, China un Russland. In Düütschland liggt en grote Lagersteed in’t Ruhrrebeet. De wichtigsten Vörkamen vun Eerdööl leegt op’t araabsche Halfeiland (Irak, Saudi-Arabien). Wietere Fundöörd sünd in’n Gulf vun Mexiko un in de Noordsee.
Ok in de Luft gifft dat Kohlenstoff, neemlich as Kohlenstoffdioxid, wat en Andeel an de Luft hett vun ruchweg 0,04 %. Dat Gas kummt dör’t Verbrennen vun Verbinnen tostannen, de Kohlenstoff bargt so as de fossilen Energiedrägers. CO2 is ok in’t Seewater löst un hett dor en Massenandeel vun üm un bi 0,01 %.
De gröttste Deel vun’n Kohlenstoff op de Eer is in de buteren Steenhüll, de Lithosphäär, spiekert. All annern Vörkamen maakt tosamen blots ruchweg en Dusendstel vun de Samtmengde an Kohlenstoff ut.
Formen vun’n Kohlenstoff As Element kummt Kohlenstoff in dree verschedene Modifikatschonen vör (Allotropie), nämlich as Demant, Graphit un Fulleren. Bito gifft dat noch annere Formen vun’n elementaren Kohlenstoff. De ünnerscheedlichen Strukturen hebbt mit den Opbo vun’t Atom to doon.
Atommodell vun’n Kohlenstoff Woans de ünnerscheedlichen Utprägen vun’n Kohlenstoff tostannen kamen doot, warrt dör dat Modell vun de Atom- un Molekülorbitalen verklort:
Kohlenstoff hett söss Elektronen. Na dat Schalenmodell besett twee dorvun de binnere 1s-Schaal un twee wietere sitt op de 2s-Schaal. De annern beiden Elektronen warrt vun’t 2px- un vun’t 2py- Niveau opnahmen. An cheemsche Reakschonen sünd blots de veer buteren Elektronen vun de tweeten Schaal bedeeligt. De Wohrschienlichkeit, sik an en Steed optohollen is bi Elektronen in en s-Niveau as’n Kugel formt. Op en p-Niveau is se anisotrop un de Elektronen bewegt sik in en drapenförmigen Ruum mit elk en Drapen links un rechts vun de Mitt op de X-Ass, wenn man sik dat Atom in’n Oorsprung vun en karteesch Koordinatensystem vörstellt. Piel dorto staht de py- un pz-Orbitalen.
Demant (sp3) Struktur thumb|upright=0.8|Veer sp3-Orbitalen richt sik tetraedrisch in glieken Winkel to’nanner ut. Dat 2s-Niveau kann mit de 3 2p-Niveaus hybridiseeren un veer sp³-Orbitalen billn, de vun jemehr Energie her gliekweertig sünd. Dat kann een sik so verkloren, dat een vun de s-Elektronen in dat vörher leddige p-Orbital böhrt warrt, wobi sik de Energien vun de Orbitalen anglieken doot. Disse Orbitalen hebbt nu en langtogene asymmetrische Drapenform. Wiel de p-Orbitalen noch spegelsymmetrisch to’n Middelpunkt anordent weern, wiest sik de Hybridorbitalen nu külenordig in en Richt verlängert. Dat Bild wiest de Hööftkülen; de Nevenkülen sünd vun wegen de Översichtlichkeit weglaten worrn. De veer sp³-Orbitalen sünd symmetrisch mit den gröttst mööglichen Afstand in’n Ruum utricht un wiest in de Ecken vun en Tetraeder, den een sik vörstellen kann.
Wenn sik de sp³-Orbitalen vun Atomen överlappen doot, künnt se faste kovalente Binnen ingahn, de sik denn in de tetraedrischen Struktur wedderspegelt. Se billt dat Grundgerüst vun’t Demantgidder
Graphit (sp2) Struktur thumb|upright=0.8|Dree sp2-Orbitalen richt sik in en Even symmetrisch (hexagonal) to’nanner ut. Wenn blots twee vun de 3 mööglichen Orbitalen an’t Hybridiseeren bedeeligt sünd, denn kamt de so nöömten sp²-Orbitalen dorbi rut. Disse sp²- Orbitalen richt sik pielliek to dat överblevene p-Orbital ut. Wenn dat p-Orbital to’n Bispeel piel to de x-y-Even steiht, denn leegt de sp²-Orbitalen symmetrisch utricht in de x-y-Even un hebbt to’nanner den glieken Winkel vun 120°. Dat Bild wiest, woans een sik dat vörstellen mutt. Dat p-Orbital, dat nich hybridiseert is, is dorbi weglaten worrn.
Ok sp²-Kohlenstoff-Atomen künnt mitenanner kovalente Binnen ingahn, de denn in een Even leegt. Jemehr Struktur is hexagonal – dat is de Grundstruktur vun de Planarevenen vun’n Graphit. De fre’en p-Orbitalen künnt aver ok ünner’nanner wesselwirken. Se formt de π-Binnen mit düütlich lüttere Binnenenergien as de σ-Binnen vun de sp² oder sp³-Orbitalen.
Cheemsch warrt dorbi vun en Dubbelbinnen snackt. De Schrievwies C=C betütt den ünnerscheedlichen Charakter vun de beiden Binnen nich mit in. De Binnenenergie vun de demantordigen tetraedrischen sp³-Eenfachbinnen 'C-C' liggt bi 350 kJ/mol. De vun de graphitordigen hexagonalen sp²-DubbelbinnenC=C liggt blots üm 260 kJ/mol höger. In en Kohlenstoffring mit söss Kohlenstoffatomen warrt de π-Binnen bestänniger dör dat Delokaliseeren vun de Elektronen binnen den Ring (kiek ok bi Benzol).
Dreefack (sp1) Binnen Wenn blots een p-Orbital mit dat s-Orbital hybridiseert, entstaht twee linear anordente Binnenkülen. Wenn se an de x-Ass langs orienteert sünd, wiest de fre’en p-Orbitalen in y- un in z-Richt. Twee sp-hybridiseerte Atomen künnt en Kohlenstoff-Dreefackbinnen formen. En Bispeel is dat Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Dat heet also, dat sp³-Binnen dreedimensionale Strukturen formen doot, wiel sp²-Binnen tweedimensionale un sp¹-Binnen hööchstens eendimensonale Keden, as to’n Bispeel H-C≡C-C≡C-H billt.
Modifikatschonen thumb|upright=1.25|a) Demant, b) Graphit c) Lonsdaleit d) Buckminsterfullerenen (C60) e) C540 f) C70 g) Amorph Kohlenstoff h) Nanorühr Demant Hööftartikel: Demant De Kohlenstoff-Atomen, de sp³-kovalent tetragonal bunnen sünd, hebbt keen fre’en Elektronen. Dat Material is dorüm en elektrischen Isolater mit en Bandlück vun 5,45 eV, de sichtbor Licht nich absorbeert. Dat Doteeren mit Frömdatomen tüügt Tostännen in de Bandlück un ännert dormit de optischen un elektrischen Egenschoppen. So kummt to’n Bispeel de licht gele Farvtoon vun vele natürliche Demanten op Stickstoff torüchtoföhren, wiel Daiamant, de mit Bor doteert sünd, halfleiden sünd un en licht blaue Klöör opwiest. Ünner Luftafsluss wannelt sik Demant bi Temperaturen üm 1500 °C in Graphit üm. An de Luft verbrennt Demant al bi ruchweg 700–800 °C to Kohlenstoffdioxid.
Ünner Normalbedingen (1 bar, 25 °C) gellt Demant as metabestännige Form vun’n Kohlenstoff. Dat is na ne’ere Forscherarbeiten aver nich mehr seker, vun wegen dat de thermodynaamsche Bestännigkeit to siete P-T-Bedingen blots extrapoleert is, bi Ünnersöken vun’t Gliekgewicht de Influss vun’t Ümfeld – lütte Sporen vun Verunreinigen, de ünner de hüütigen Detekschoonsgrenz leegt, künnt al düchtige Utwirken op de Gliekgewichtslaag vun en Reakschoon hebben – nich beacht worrn sündM. A. Carpenter: Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach. In: Stability of Minerals. Chapman & Hall, London 1992; oder E. Salje: Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals. Cambridge University Press, Cambridge 1990., Experimenten vun chinees’sche Wetenschoppler wiest, dat in en Reakschoon twüschen metallsch Natrium un Magnesiumcarbonat Kohlenstoff un Demant bestännig blangenenanner bestaht.
En bannig rore Modifikatschoon vun’n Demant is de Lonsdaleit, de ok hexagonal Demant nöömt warrt. Disse Form kummt tostannen, wenn Graphit dör en Schockvörgang, also bi hogen Durck un hoge Temperaturen as bi’n Impakt, in Demant ümwannelt warrt. De hexagonale Charakter vun de Kristallstruktur blifft dorbi bestahn, man in’n Gegensatz to Graphit is nu jeed Kohlenstoffatom an veer annere kovalent bunnen.
Graphit Hööftartikel: Graphit De Kohlenstoff-Atomen, de sp²-kovalent hexagonal bunnen sünd, billt bannig faste Evenen. Ünnerenanner sünd disse Evenen man blots rööd över de swacken Van-der-Waals-Kräft bunnen. Makroskopisch kummt dorüm dat Splitten langs de Planareven an’n düütlichsten rut. Vun wegen dat de Even so dünn sünd, markt een vun jemehr bannige Fastigkeit kuum wat.
Dör disse Struktur is Graphit en düchtig anisotrop Mineral: An de Kristallevenen langs verhollt sik Graphit as en düchtig goden Leider för Warms un för elektrischen Stroom. De Leddanlaag is dorgegen teemlich slecht vun een Even to de nächsten.
Fullerenen thumb|C60 Fullren-Kristallen Hööftartikel: Fulleren En regulär hexagonal Wavenmuster, as dat de Kohelnstoffatomen in de Evenen vun’n Graphit utbillt, is flachig. Wenn een nu een poor vun de Sössecken dör Fiefecken uttuuscht, kamt dorbi krümmte Flachen rut, de in sünnere Anorden vun de Fief- un Sössringen slatene Körpers billt. De Fullerenen sünd solke Strukturen. Dorbi leegt de sp²-Binnen nich mehr in een Even, man se billt en rüümlich afslatene Figur. De lüttste möögliche Struktur besteiht dorbi blots noch ut Fiefecken un bruukt twintig Kohlenstoffatomen. De Figur, de dorbi tostannen kummt, is en Pentagon-Dodekaeder. Dit eenfachste Fulleren is bit hüüt blots dör Massenspektrometrie nawiest worrn.
En vun de bestännigsten Fullerenen bestieht ut sösstig Kohlenstoffatomen un bargt blangen Sössecken blots Fiefecken, de mit keen anner’t Fiefeck en gemeensome Kant hebbt. Dat Muster (en afstumpten Ikosaeder) gliekt en Football na olle Oort. De Struktur warrt to Ehren vun Richard Buckminster Fuller ok as Buckminster-Fulleren betekent. De Molekül-Kugeln vun de Fullerenen sünd ünnerenanner över temmlich swacke Van-der-Waals-Kräft bunnen, jüst so as de Basalevenen vun’n Graphit. In de Twüschentiet sünd ’n Reeg vun Fullerenen mit ünnerscheedliche Grötten isoleert un deelwies ok kristalliseert worrn. Man kann jem dorüm as richtige Modifikatschonen ansehn. Fullerenen kamt wohrschienlich in all Orden vun Sott vör, t. B. ok in’n Sott vun Kersenflammen.
Annere Formen Amorph Kohlenstoff In’n amorphen Kohlenstoff (a-C) sünd de Atomen ahn wietrecken Orden vernett. Dat Material kann mit all möögliche sp²:sp³-Proportschonen synthetiseert warrn, wobi de Egenschoppen vun’t Material langsom vun’n Graphit to de vun’n Demant övergaht. In de Industrie warrt dorför faken de Utdruck Diamond like Coating oder Diamond like Carbon (DLC) bruukt.