Kohlenstoff

Eigenschaften des Elements

Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur

Dichte in bei 25 °C	Grafit: 2,26; Diamant: 3,51
Härte nach Mohs	Grafit: 0,6 - 1,0; Diamant: 10
Schallgeschwindigkeit in	18350
Schmelztemperatur in °C	Grafit: 3730; Diamant: > 3550
spezifische Schmelzwärme in	8750
Siedetemperatur in °C	4830
spezifische Verdampfungswärme in	59166
Standardentropie S0 in	6
Wärmeleitfähigkeit in bei 27 °C	Grafit: 5,7; Diamant: 990 - 2320
spezifische Wärmekapazität in	Diamant: 0,519
Volumenausdehnungskoeffizient in 10- 3
spez. elektrischer Widerstand in	Grafit: 0,01375; Diamant: 0,01
Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre, Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe)	0,087

Isotope des Elements 

Ordnungs- zahl Z	Massen- zahl A	Atommasse in u	Häufigkeit in %	Art der Strahlung und Energie in MeV	Halbwerts- zeit
6	10	10,016	künstlich	β : 1,9	19 s
	11	11,011 432	künstlich	β : 1,0	20,5 min.
	12	12,000 000	98,9%
	13	13,003 354	1,1%
	14	14,003 242		β : 0,2	5,7 · 103 a
	15	15,010 600		β : 4,5	2,3 s

Weitere Eigenschaften

Kohlenstoff tritt in drei Modifikationen auf, die sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften stark voneinander unterscheiden.

Diamant

Die kristalline Modifikation des Kohlenstoffs ist außerordentlich stabil. Reiner Diamant, der nur aus Kohlenstoffatomen besteht, ist farblos, klar durchscheinend und bricht das Licht in allen Regenbogenfarben (Diamantglanz). Durch enthaltene Fremdatome, z. B. Mangan, Eisen oder Aluminium, können verschiedene Färbungen auftreten. Wegen der sehr stabilen Anordnung der Atome ist diese Modifikation nicht nur außerordentlich hart und spröde, sondern auch chemisch sehr stabil und beständig gegenüber Säuren, Laugen oder anderen aggressiven Stoffen. Diamant ist nicht elektrisch leitfähig. Erst beim Erhitzen auf über 1 500 °C wandelt sich Diamant unter Luftabschluss in Grafit um.

Grafit

Grafit erscheint fettig, ist sehr weich und schuppig und besitzt eine graue bis schwarze Farbe. Weil sich innerhalb des Kristallgitters frei bewegliche Elektronen befinden, kann Grafit den elektrischen Strom leiten. Auch der Kohlenstoff im Grafit ist bei Normbedingungen recht reaktionsträge und reagiert bei Zimmertemperatur nur mit einem einzigen Partner, Fluor, dem aggressivsten Element des Periodensystems. Grafit ist aus Schichten von C-Ringen aufgebaut.

Fullerene (Fullerit)

Diese Modifikation des Kohlenstoffs wurde erst 1985 entdeckt. Fullerene entstehen beim Verdampfen von Grafit. Sie weisen elastische Eigenschaften auf.

Bei höheren Temperaturen reagiert elementarer Kohlenstoff mit Sauerstoff (Verbrennung). Ist Sauerstoff im Überschuss vorhanden, entsteht Kohlenstoffdioxid, herrscht Sauerstoffmangel, so bildet sich Kohlenstoffmonooxid. Mit Wasser reagiert Kohlenstoff oberhalb 800 °C zu «Wassergas», einem Stoffgemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff. Bei starkem Erhitzen setzt sich Kohlenstoff mit Schwefel zu Carbondisulfid, auch als Schwefelkohlenstoff bezeichnet, um. Ebenfalls bei Zufuhr thermischer Energie entstehen aus Kohlenstoff und einigen Metallen salzartige Stoffen, die Carbide (z. B. Calciumcarbid).

Entdeckung

Schon seit Urzeiten ist den Menschen Kohlenstoff bekannt. Als Brennmaterial diente Holzkohle und als Zeichenmaterial fanden sowohl Holz- als auch Knochen- und Blutkohle sowie Ruß ihre Verwendung. Doch erst 1787 erkannt der französische Chemiker LAVOISIER, dass es sich beim Kohlenstoff um ein chemisches Element handelt. Neun Jahre später gelang es S. TENANNT erstmals das Element künstlich herzustellen. Aus glühendem Kalk und Phosphordämpfen gewann er Kohlenstoff und Calciumphosphat. 1807 bewiesen die Engländer W. ALLEN und W. H. PEPYS, dass sowohl Diamanten als auch Grafit nur aus Kohlenstoff bestehen. «Carbo» bedeutet im Lateinischen «Holzkohle». Von diesem Begriff leitet sich der Elementname «Carboneum» ab. Das deutsche «Kohlenstoff» wiederum ist eine Ableitung von Kohle.

Vorkommen/Herstellung

Kohlenstoff ist eines der relativ häufig vorkommenden Elemente. In der Natur kann man das Element als reinen Kohlenstoff in sogenannter «gediegener Form» als Diamant und Grafit antreffen. Vor allem alte Vulkanschlote sind häufige Fundorte von Diamanten. Durch sehr hohe Temperaturen und Druck entstanden die wertvollen Steine hier im Verlaufe der Erdgeschichte. Durch Erosion und Verwitterung gelangen sie schließlich von dort auch in angeschwemmte Kieselerde und an Meeresstrände. Die bedeutendsten Fundorte von Diamanten befinden sich in Kimberley in der Republik Südafrika. Nach diesem Fundort wurde die diamantenhaltige Gesteinsart auch «Kimberlit» genannt. Auch im Kongo, in Yakutien und Sibirien in Russland, in Australien sowie in Brasilien gibt es größere Diamantenvorkommen. Grafit entstand aus organischen Substanzen, die im Verlaufe vieler Jahrmillionen umgewandelt wurden. Natürliche Grafitlagerstätten findet man in Sibirien, Sri Lanka, Madagaskar, Mexiko, Kanada und in den USA.
Viel verbreiteter ist Kohlenstoff jedoch in gebundener Form. In der Erdkruste finden sich Stein- und Braunkohle, die pflanzlichen Ursprungs sind, sowie Erdgas und Erdöl aus tierischem Material. Am häufigsten findet man das Element jedoch in mineralisierter Form in Carbonaten. Carbonate sind die Salze der Kohlensäure. Wichtige gesteinsbildende Carbonate sind z. B. Calciumcarbonat in Form von Kalkstein, Kreide oder Marmor (CaCO₃), Magnesiumcarbonat als Magnesit (MgCO₃), Calcium-Magnesiumcarbonat als Dolomit (CaCO₃ x MgCO₃), Eisencarbonat als Siderit (FeCO₃). Kohlenstoff kommt in Form von Carbonat-Ionen auch im Wasser, als Ergebnis von Verwitterungsprozessen vor. Die Grundbausteine des Lebens wie Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette oder Celluose und Lignin sowie alle anderen organischen Stoffe sind Kohlenstoffverbindungen. Das Leben auf der Erde existiert auf der Basis von Kohlenstoff. Der Kohlenstoffkreislauf ist der wichtigste Kreislauf überhaupt. In der Erdatmosphäre schließlich kommt Kohlenstoff gasförmig als Kohlenstoffdioxid und in geringem Maß auch Kohlenstoffmonooxid und als Methan vor.
Grafit wird aus grafithaltigen Mineralien in Bergwerken abgebaut und anschließend gereinigt. Allerdings reichen die Vorkommen nicht aus. Reinen Kohlenstoff gewinnt man aus Erdöl, Erdgas oder Kohle, durch Zersetzung unter Hitzeeinfluss. Diamanten werden wie Grafit in Bergwerken und Minen abgebaut. Die ursprünglichen «Rohdiamanten» können bei entsprechender Größe und Reinheit geschliffen und zu Schmuckdiamanten verarbeitet werden. Die geschliffenen Steine nennt man Brillianten. Weit wichtiger sind aber die Industriediamanten. Industriediamanten können synthetisch hergestellt werden. Grafit wird in flüssigen Schwermetallen gelöst und bei etwa 1800 °C und einem Druck von 10 GPa zu winzigen Diamantkristallen (höchstens 1 mm Durchmesser) umgewandelt.

Verwendung

Kohlenstoff (Grafit) ist ein Element mit guter Wärmeleitfähigkeit und chemischer Stabilität sowie großer Beständigkeit gegenüber Hitze. Auf Grund dieser Eigenschaften wird es in Form von Naturgrafit für feuerfeste Produkte wie Ofenauskleidungen oder Schmelztiegel verwendet. Aber auch in Bleistiften und Schmiermitteln findet Grafit seinen Einsatz, da der Stoff auf Grund der Verschiebbarkeit der Schichten fettig wirkt und graue Farbe abgibt. In der Technik wird der Elektrografit für Elektrodenmaterial in Elektrostahlöfen oder bei der Schmelzflusselektrolyse verwendet. In Form von Elektrografit setzt man ihn als Neutronenreflektor in Kernreaktoren ein. In der Raumfahrt findet sich Pyrografit, welcher als thermisches Isolationsmaterial, z. B. für Hitzeschilder an Raketen oder Raumgleitern, eingesetzt wird. Ruß wird bei der Herstellung von Tuschen und Druckereifarben gebraucht. Diamanten dienen nicht nur in geschliffener Form als Brillianten zur Schmuckherstellung. Viel wichtiger sind die Industriediamanten. Diese werden im technischen Bereich eingesetzt. Hier kommen sie als Glasschneidewerkzeuge, auf Diamantbohrern oder als Achsenlager für Präzisionsinstrumente vor. Koks, ein Material mit sehr hohem Kohlenstoffgehalt, ist wichtig für verschiedenste chemische Prozesse, z. B. in der Stahlherstellung. Fein verteilter Kohlenstoff kann Gifte adsorbieren. In Form von Kohletabletten zum Einnehmen bei Durchfall oder auch in Gasmasken wird Aktivkohle eingesetzt.

Wichtige Verbindungen

- Oxide, wie Kohlenstoffmonooxid (CO - Ausgangsstoff für viele großtechnische Synthesen, z. B. zur Methanolsynthese oder zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen) und Kohlenstoffdioxid (CO₂ - Kühlmittel in der Kältetechnik, wegen seinen inerten Eigenschaften als Feuerlöschmittel und Schutzgas, Treibgas, wichtiger Ausgangsstoff für Carbonate, Harnstoff oder Carbonsäuren)
- Salze der Kohlensäure, wie z. B. Kaliumcarbonat (Pottasche, K₂CO₃ Treibmittel), Calciumcarbonat (CaCO₃ als Marmor, Kalkstein, Kalkspat gesteinsbildend), Natriumcarbonat
(Na₂CO₃ - Flussmittel in der Glasindustrie
- Carbonfasern (fest, dehnungselastisch und ausgesprochen leicht - Hightech-Baustoffe)

organische Verbindungen:

Unzählig sind die Verbindungen des Kohlenstoffs in den organischen Stoffen. Die einfachste Form sind die Kohlenwasserstoffe, in denen sich die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff verbunden haben. Der einfachste Kohlenwasserstoff ist Methan. In Verbindung mit dem Element Sauerstoff können Alkohole, Aldehyde, Carbonsäuren oder Ketone entstehen. Kommt zusätzlich noch das Element Stickstoff hinzu, kann die Amino-Gruppe enthalten sein. Dann bilden sich Aminosäuren, aus denen sich Eiweiße zusammensetzen. Alle organischen Stoffe auf der Erde basieren auf dem Kohlenstoff.

Bau

Diamant

Diese Modifikation des Kohlenstoffs besitzt ein ausgesprochen stabiles Gitter, in dem jedes Kohlenstoffatom von vier weiteren Kohlenstoffatomen umgeben ist.

Grafit

Bei dieser Modifikation des Kohlenstoffs können die Kohlenstoffatome in rhomboedrischer und hexagonaler Form angeordnet sein. Dadurch entsteht ein Kristallgitter, in dem sich Schichten übereinanderliegender Sechserringe befinden.

Fullerene

Fullerene sind räumlich geschlossene kugelförmige Gebilde. Es gibt vielzählige Möglichkeiten der Anordnung von bis zu mehreren Hundert Kohlenstoffatomen. Sehr stabil ist das «Buckminsterfulleren» mit 60 Kohlenstoffatomen. Es wird aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken gebildet. In ihrem Innern können auch andere Atome oder Verbindungen eingelagert sein.

Nanotubes (Nanoröhren)

1991 wurde eine weitere Modifikation des Kohlenstoffs nachgewiesen. Ihre Struktur sieht so aus, als wenn eine Schicht des Grafitkristalls zu einer Röhre zusammengerollt ist. Solche Nanotubes können bis zu 1000 Mikrometer lang werden und haben einen Durchmesser von bis zu 100 Nanometer. Sie sind extrem elastisch und zugfest, einige sind leitend oder halbleitend, Eigenschaften, die besonders für die Mikroelektronik und die Computerindustrie interessant sind. Ihr Einsatz ist jedoch noch sehr kostspielig, denn diese Kohlenstoffmodifikation kostet noch 10-mal soviel wie Gold.