Kohlenstoff

Was ist Kohlenstoff?

Der Begriff Kohlenstoff (engl. carbon) stammt vom lateinischen Begriff carboneum. Das bedeutet so viel wie Kohle. So kannst du dir den Namen des Elements auch gut merken. Kohlenstoff erkennst du am Elementsymbol C.

Es ist eines der wichtigsten Elemente unserer Erde. Denn Kohlenstoff kommt in jedem lebendem Gewebe vor. Somit ist das Element C für alle Lebewesen essenziell und bewegt sich in einem ewigen Kreislauf (Kohlenstoffkreislauf ).

Das Besondere an Kohlenstoff ist, dass es in drei Modifikationen (Graphit, Diamant, Fullerene) vorliegen kann.

Kohlenstoff Steckbrief

Wir haben dir einige physikalische und chemische Eigenschaften von Kohlenstoff in einem Steckbrief zusammengestellt:

Kohlenstoff Eigenschaften

Das chemische Element C kommt in drei unterschiedlichen Erscheinungsformen vor. Du nennst sie Graphit, Diamant und Fullerene. Alle drei Modifikationen sind bei Zimmertemperatur stabil. Bei höheren Temperaturen verbrennen sie aber zuerst zu Kohlenstoffdioxid  (CO₂) und dann weiter zum giftigen Kohlenstoffmonoxid (CO).

Auch bei der Reaktion von Kohlenstoff mit Wasserdampf entsteht Kohlenstoffmonoxid:

Zudem wird auch noch Wasserstoff produziert.

Lässt du den Wasserstoff mit Kohlenstoff reagieren, erhältst du das Alkin Ethin:

Generell ist Kohlenstoff dazu in der Lage, in chemischen Verbindungen lange Ketten oder Ringe auszubilden (z.B. Kohlenwasserstoffe). Deshalb sind die meisten organischen Verbindungen aus Kohlenwasserstoffen aufgebaut. 

Kohlenstoff Modifikationen

Im Folgenden schauen wir uns die unterschiedlichen Modifikationen von Kohlenstoff genauer an. Dazu gehören:

• Graphit
• Diamant
• Fullerene
• Weitere Formen

Graphit

Graphit ist sehr weich und hat eine graue bis schwarze Farbe (schwarzer Kohlenstoff). Wenn du die Kohlenstoff-Form erhitzt, sublimiert sie. Das bedeutet, dass Graphit vom festen direkt in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht. Graphit ist extrem temperaturbeständig. Deshalb dient es auch sehr gut zur Herstellung feuerfester Gussformen. Aber der Kohlenstoff ist auch ein Grundstoff für Bleistiftminen. Die Kohlenstoff-Form kann also ohne Bedenken für alltägliche Dinge verwendet werden. Das liegt daran, dass Graphit nicht giftig ist. 

Graphit Struktur

Die Struktur von Graphit kannst du dir als mehrere Ebenen vorstellen. Die Ebenen sind über zwischenmolekulare Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte ) locker miteinander verbunden. Deshalb kann Graphit entlang der Ebenen gespalten werden. 

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Innerhalb der Ebenen findest du frei bewegliche Elektronen, weshalb Graphit elektrischen Strom und Wärme leiten kann. Zwischen den Ebenen kannst du aber kaum eine elektrische oder Wärmeleitfähigkeit beobachten. 

Graphit Herstellung

Natürlichen Graphit erhältst du aus Gestein-Lagerstätten. Dabei wird das Gestein zerkleinert und anschließend gereinigt.

Graphit kann auch als Elektrode genutzt werden. Um Graphit-Elektroden herzustellen, wird Petrolkoks unter hohem Druck und hohen Temperaturen in Elektroöfen behandelt.

Diamant

Der Diamant ist der härteste natürliche Stoff, der uns bekannt ist. Er ist die kristalline Modifikation des Kohlenstoffs. Du kannst Diamanten an ihrem Glitzern erkennen. Sie sind extrem stabil. Deshalb besitzt ein Diamant auch eine außergewöhnlich hohe Schmelztemperatur von bis zu 4440°C!

Aber können Diamanten eigentlich verbrennen? Die Verbrennung gelingt nur in Kombination mit Sauerstoff . Würdest du einen Diamant nur über einen Schweißbrenner halten, würde er nicht verbrennen. Er würde sich lediglich schwarz färben. Genauer gesagt entsteht dabei dann Graphit. 

Diamanten können unterschiedliche Farben wie rot, blau oder gelb haben. Die Farben kommen meistens daher, dass der Diamant mit anderen Atomen in Berührung kommt. So haben beispielsweise gelbe Diamanten ihre Farbe von Stickstoff . 

Diamanten werden häufig in der Schmuckindustrie in unterschiedlichen Größen als Edelsteine verwendet (Industriediamant). Dabei handelt es sich um geschliffene Diamanten (Brillianten) und nicht um ungeschliffene (Rohdiamant). Diamanten sind deshalb so beliebt, weil sie eine hohe Reinheit besitzen.

Diamant Struktur

Die hohe Stabilität der Kohlenstoff-Form kommt von der besonderen Anordnung der Kohlenstoffatome. Denn du findest sie alle in einem dreidimensionalen, stabilen Gitter. Dabei ist jedes einzelne Kohlenstoffatom durch vier Elektronenpaarbindungen (kovalente Bindung ) miteinander verbunden.

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Diamant Herstellung

Wie entstehen Diamanten? Sie können – genauso wie Graphit – in Lagerstätten abgebaut werden. Du findest Diamanten vor allem in alten Gesteinen Afrikas. 

Fullerene

Fullerene beschreiben die dritte Modifikation von Kohlenstoff. Fullerene sind die einzige Kohlenstoff-Modifikation, die in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich sind. Sie zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass sie sehr elastisch sind. Es gibt unterschiedliche Arten von Fullerenen. Sie kommen wahrscheinlich in allen Rußen vor, beispielsweise also in dem Ruß über der Kerzenflamme. Ruß wird unter anderem zur Herstellung von Tusche verwendet. 

Fullerene Struktur

Bei Fullerenen sind die Kohlenstoffatome in Fünf- bzw. Sechsecken angeordnet. Ihre Struktur erinnert daher oft an einen Fußball. Am bekanntesten ist das Buckminsterfulleren. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen. Die einzelnen Moleküle sind über schwache Van-der-Waals-Kräfte verbunden (ähnlich wie bei Graphit).

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Fullerene Herstellung

Die Kohlenstoff-Modifikation entsteht beim Verdampfen von Graphit. Dabei bilden sich die charakteristischen Fünf- und Sechsecke. 

Alle drei Kohlenstoff-Modifikationen haben also unterschiedliche Strukturen und Eigenschaften. Das hängt unter anderem mit einer verschiedenen Hybridisierung (Verschmelzung der Orbitale) des Kohlenstoffs zusammen.

Wenn du nicht mehr genau weißt, was die Hybridisierung ist, schau dir unser Video dazu an!

Weitere Formen des Kohlenstoffs

Neben den drei Modifikationen gibt es noch weitere Formen des Elements. Dazu zählt:

• Amorpher Kohlenstoff: Hat Materialeigenschaften von Graphit und Diamant. Die Kohlenstoff-Form zeichnet sich durch einen hohen elektrischen Widerstand aus. 
• Ruß: Hat ähnliche Eigenschaften wie Graphit. Er kann als Füllstoff in der Gummiindustrie (Autoreifen) dienen. 
• Aktivkohle: Die Struktur ähnelt einem Schwamm. Daher kann Aktivkohle giftige Stoffe aufsaugen. 
• Steinkohle / Braunkohle: Haben sich im Laufe der Jahre durch Umwandlung ehemaliger Lebewesen gebildet.
• Kohlenstofffasern: Bestimmte Arten der Fasern sind sehr leicht, steif und fest. Deshalb werden sie für Verbundwerkstoffe (Werkstoff aus mindestens zwei Stoffen) genutzt. 
• Glaskohlenstoff: Vereint die Eigenschaften von Glas und Graphit. 
• Graphen: Von großer technischer Bedeutung. Wird unter anderem für die Untersuchung zweidimensionaler Diamanten verwendet. 
• Kohlenstoffnanoröhrchen: Die kannst du dir wie eine Schicht von Graphit vorstellen, die zu einem Zylinder aufgerollt ist. Die Nanoröhrchen werden z.B. bei Displays eingesetzt. 

Kohlenstoff Vorkommen

Kohlenstoff ist in allen Lebewesen, also auch in unserem Körper, enthalten. Genauer gesagt in allen lebenden Geweben. Das bedeutet, sämtliche Proteine, Fette oder Kohlenhydrate enthalten das chemische Element C. Die Kohlenhydrate liefern unserem Körper Energie. Zudem ist Calciumcarbonat (CaCO₃) ein wichtiger Gerüststoff für den Knochenbau. Daher ist Kohlenstoff eines der notwendigsten Elemente. 

Es ist auch in Form von Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu ca. 0,03 % in unserer Luft enthalten. Das Element ist also auch an unserem Atmungsprozess beteiligt. 

Auch für Pflanzen spielt das Element eine wichtige Rolle, da sie Kohlendioxid für ihre Photosynthese benötigen. Durch CO₂ und Wasser stellen sie dann weitere kohlenstoffhaltige Verbindungen her (Glucose). Die werden wiederum von Tieren aufgenommen. So entsteht ein ewiger Kreislauf des Elements, den du ganz einfach Kohlenstoffkreislauf nennst. 

Mehr als die Hälfte des natürlich vorkommenden Kohlenstoffs findest du allerdings in Form von Carbonatgestein. Sie sind sehr weit verbreitet und bilden zum Teil sogar Gebirge (Dolomiten in Italien).  In der Erdkruste ist Kohlenstoff aber nur zu 0,027 % vorhanden. Dort befinden sich jedoch Mineralien wie weiches Graphit und harter Diamant. Die Diamanten kannst du vor allem in alten Gesteinen in Afrika beobachten. Graphit-Bergwerke hingegen gibt es auch in Deutschland. 

Auch die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas bestehen zum Teil aus dem Element C. 

Kohlenstoff Verwendung

Je nach Form des Kohlenstoffs kannst du es für unterschiedliche Dinge verwenden. Wir haben dir einige Beispiele aufgelistet: 

• Graphit: Aufgrund seiner thermischen Leitfähigkeit und chemischen Widerstandsfähigkeit kann die Modifikation für verschiedenste Sachen benutzt werden:
  • Dazu gehört die Herstellung von feuerfesten Schmiertiegeln, Gussformen und Ofenauskleidungen.
  • Auch als Dichtematerial und Schmiermittel kann es dienen. 
  • Graphit ist außerdem ein Grundstoff für Bleistiftminen. 
  • In Elektrostahlöfen werden Graphit-Elektroden (Kathode / Anode) eingesetzt. 
  • In Form von Fasern findet das Element Anwendung in Fahrzeugen, Sportgeräten und medizinischen Implantaten. 
• Diamant: Die Erscheinungsform des Kohlenstoffs wird häufig als Schmuckstein verwendet. Aber Diamanten können auch Teil eines Werkzeugs sein, beispielsweise als Bohrerspitze oder Glasschneider. 
• Ruß: Ihn kannst du zur Herstellung von Tusche und Druckfarben nutzen.
• Koks: Der poröse, kohlenstoffhaltige Brennstoff wird als Heizmaterial eingesetzt. Außerdem wird er im Hochofenprozess als Rohstoff verwendet.
• Aktivkohle: Sie kann Giftstoffe, Bakterien und deren Toxine aufsaugen. Zudem dient Aktivkohle zur Trinkwasserreinigung.

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Wichtige Kohlenstoffverbindungen

Da das Element in allen Lebewesen vorkommt, werden nahezu alle seine Verbindungen zu den organischen Verbindungen gezählt. Es gibt aber auch ein paar wenige anorganische Kohlenstoffverbindungen. Schauen wir uns für beide am besten ein paar Beispiele an.

Organische Kohlenstoffverbindungen

• Alkohole : Hier sind ein oder mehrere C-Atome mit der Hydroxygruppe (OH) verbunden. Beispiele für Alkohole sind Methanol (CH₃OH) oder Ethanol (C₂H₅OH).
• Aldehyde / Ketone : Auch bei den Kohlenstoffverbindungen findest du eine funktionelle Gruppe. Entweder die Aldehydgruppe (H-C=O) oder die Ketogruppe (R₁-C(=O)-R₂). 
• Kohlenwasserstoffe : Sie besitzen keine funktionelle Gruppe. Stattdessen sind – wie der Name schon verrät – hier die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff (H) miteinander verbunden. Beispiele dafür sind Alkane wie Methan (CH₄).

Anorganische Kohlenstoffverbindungen

• Kohlensäure: Die Säure hat die Summenformel H₂CO₃. Sie besteht also aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Es handelt sich um eine mittelstarke Säure, die du über dein Trinkwasser zu dir nehmen kannst. 
• Kohlenstoffmonoxid: Hierbei handelt es sich um eine Verbindung aus den chemischen Elementen Sauerstoff und Kohlenstoff (CO). Kohlenstoffmonoxid ist ein sehr giftiges Gas.
• Kohlenstoffdioxid: Auch Kohlendioxid ist eine Verbindung aus C und O. Es hat nämlich die Formel CO₂. Es handelt sich zwar um ein Treibhausgas, ist aber trotzdem unerlässlich für die Erde und ihre Lebewesen.

Warum Kohlenstoffdioxid gleichzeitig notwendig und gefährlich sein kann, erfährst du in unserem Beitrag dazu!