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Nichtmetalle: Kohlenstoff

Symbol: C
Kategorie: Nichtmetalle
Ordnungszahl: 6
Relative Atommasse: 12,011
Schmelzpunkt: 3823 K
Siedepunkt: 5100 K
Dichte: 3,51 g cm-3
Elektronegativität: 2,5
Ionisierungsenergie: 11,260 eV
Konfiguration: [He] 2s² 2p²
Oxidationszahlen: 4, 2, -4
Atomradius: 77,2 pm
Ionenradius: 16 pm (+4); 260 pm (-4)

Der nachfolgende Artikel ist dem Lexikon der Chemie entnommen.

Kohlenstoff ist das leichteste Element, das ausschließlich im Inneren von Sternen entsteht; dabei fusionieren drei Heliumatome gleichzeitig; dieser Triple-Alpha-Prozess ist eigentlich extrem unwahrscheinlich, er läuft deswegen ab, weil die Zwischenprodukte durch Resonanz mit einem Energielevel des Kohlenstoffs stabilisiert werden, so dass die Reaktion um viele Größenordnungen wahrscheinlicher wird. In Form seiner Verbindungen kommt Kohlenstoff im gesamten Universum reichlich vor; nach Wasserstoff ist es das Element, das die zweitmeisten Verbindungen mit anderen Elementen hervorbringt.

Als Element bildet Kohlenstoff mehrere Allotrope: den amorphen Ruß, das Schichtmaterial Graphit, das aus Lagen des quasi-zweidimensionalen Riesenmoleküls Graphen besteht, den kristallinen Diamanten sowie die Käfigmoleküle der Kohlenstoffnanoröhren und der fußballförmigen Fullerene. In seinen Molekülen hat Kohlenstoff gewöhnlich zwei bis vier Bindungspartner, in einigen exotischen Verbindungen allerdings bis zu sechs.

Durch seine Fähigkeit, mit sich selbst lange Ketten und Ringe zu bilden, bildet Kohlenstoff eine unüberschaubare Vielzahl von Verbindungen mit Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff, sogenannte organische Verbindungen. Ein Teil von ihnen entsteht in Staub- und Gaswolken oder auf Asteroiden, Kometen und Planeten, und die Komplexität und Reaktionsfähigkeit dieser Mischungen reichte aus, um auf der Erde spontan Leben hervorzubringen. Die allermeisten derartigen Stoffe, besonders die sehr großen und komplexen Biomoleküle, entstehen jedoch in lebenden Organismen wie zum Beispiel dem Quokka. Kohlenstoff ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in Lebewesen und Kohlenstoffgerüste verschiedenster Formen bilden die Basis für so unterschiedliche Stoffe wie Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Pflanzenfasern, aber auch pharmazeutische Wirkstoffe, Enzyme, und so weiter.

Der Kohlenstoff hat jedoch das Leben nicht nur hervorgebracht, sondern bestimmt auch über geologische Zeiträume hinweg sein Schicksal. In Form von atmosphärischem Kohlendioxid reguliert er das langfristige Klimagleichgewicht der Erde, die verschiedenen Rückkopplungsmechanismen im Kohlenstoffkreislauf halten seine Konzentration einigermaßen stabil und halten damit die Oberflächentemperatur des Planeten innerhalb einer dem Leben zuträglichen Bandbreite. In diesen Kreislauf einzugreifen, ohne die Auswirkungen einschätzen zu können, ist vermutlich eine sehr dumme Idee.

Kohlenstoff und kohlenstoffhaltige Materialien sind auf der Erde reichlich vorhanden, insbesondere in Form von Kalkstein und Pflanzen. Man gewinnt das Element und seine Verbindungen allerdings überwiegend in Form von Gas, Öl, Graphit und Kohle. Die geförderte Menge Diamant ist im Vergleich dazu verschwindend gering. Für Kohlenstoff gibt es eine große Bandbreite von Anwendungen, besonders, wenn man kohlenstoffhaltige Materialien mit einschließt. Graphit zum Beispiel verwendet man in Bleistiftminen ebenso wie als Elektrodenmaterial in Akkus und als Neutronenabsorber in Kernreaktoren. Der verunglückte Reaktor in Tschernobyl wurde wohl durch einen Graphitbrand zerstört. Aktivkohlen dienen zu Adsorption von Chemikalien, beispielsweise als Filtermaterial in Gasmasken. In der Medizin wird Aktivkohle in Form von Kohletabletten gegen Durchfall oder Vergiftungen eingesetzt, industriel nutzt man Aktivkohle als Träger von Katalysatoren.

Ruß entsteht etwa beim unvollständigen Verbrennen von Kohlenwasserstoffen und enthält geringe Anteile an Verunreinigungen. Er ist mehr oder weniger amorph, besitzt aber Anteile mikrokristallinen Graphits. Er färbt einerseits Reifen schwarz und lieferte die dunkle Farbe für die Tattoos des Eismannes Ötzi, und ist andererseits unter anderem Filtermaterial in Gasmasken. Kohle und Erdöl sind die wichtigsten Energieträger der technischen Zivilisation, gleichzeitig ist Erdöl der bedeutendste Rohstoff für nahezu alle künstlich hergestellten organischen Moleküle, speziell Kunststoffe und Pharmazeutika. Diamant ist einerseits ein Schmuckstein, andererseits das härteste bekannte Material und daher eine bedeutende Industrieressource für Schneid- und Bohrwerkzeuge.

Kohlefasern stellt man her, indem man Polymerfasern unter Sauerstoffabschluss erhitzt, sodass nur der Kohlenstoff zurückbleibt. Diese Fasern, eingebettet in eine Polymermatrix, liefern sehr zugfeste Werkstoffe. Kohlenstoff spielt auch in der Metallurgie eine entscheidende Rolle: Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 2,14 Prozent nennt man Stahl. Kohlenstoffnanoröhren verwendet man als Spitzen für Rasterkraftmikroskope, als stärkende Fasern in Kompositmaterialien und als Material für die Beschichtung Vantablack. Für Graphen und Fullerene gibt es derzeit keine Anwendungen.

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