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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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| Kohlenstoff
kommt in mehreren Modifikationen vor. Der extrem harte Diamant und der
sehr weiche Graphit unterscheiden sich in vielen Merkmalen und doch enthalten
sie die gleiche Grundsubstanz (>Vergleich Diamant
und Graphit). Die Fullerene kommen ebenfalls natürlich vor, beispielsweise
im Shungit, einem schwarzen, kohleähnlichen Gestein oder in Meteoriten.
Der Londsdaleit ist ein weicher Diamant (Mohshärte 3), der im hexagonalen
Kristallsystem kristallisiert und einen meteorischen Ursprung hat.
Lit [63]
Kohlenstoff fällt in weiteren Formen bei der technischen Verarbeitung an: Dazu zählen Ruß, Aktivkohle, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Glaskohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoschaum oder amorpher Kohlenstoff. Lit [35] Von technischer Bedeutung ist auch Graphen, eine zweidimensionale, wabenartige Kohlenstoffstruktur, bei der jedes Kohlenstoff-Atom mit drei weiteren Kohlenstoff-Atomen verknüpft ist. Die Kohlearten wie Steinkohle, Anthrazit oder Braunkohle bildeten sich im Lauf der Jahrtausende durch Umwandlung aus ehemaligen Lebewesen. Der Diamant kristallisiert im kubischen Kristallsystem. Er ist der härteste alle bekannten und natürlichen Stoffe, er besitzt die beste thermische Leitfähigkeit - sie ist bis zu fünfmal besser als Silber - und die höchste Schmelztemperatur aller Stoffe. Beim Erhitzen unter Luftabschluss geht er bei etwa 1500°C in den sehr weichen und schwarzen Graphit über. Die Verbrennung eines Diamanten gelingt nur im Sauerstoffstrom, beim bloßen Erhitzen mit einem Schweißbrenner färbt sich der Diamant an der Oberfläche dunkel, ohne zu verbrennen, was auf die Bildung von Graphit hinweist. Eine tatsächliche Verbrennung ist dem Autor auf diese Art und Weise nicht gelungen.
Beim Verdampfen von Graphit bilden sich sogenannte Kohlenstoffcluster, die auch als Fullerene bezeichnet werden. Diese sind als einzige Kohlenstoffmodifikation in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich und zeigen ansonsten auch ein recht merkwürdiges Verhalten bei der Reaktion mit anderen Stoffen.
Fullerene leiten wie der
Diamant (im Gegensatz zum Graphit) den elektrischen Strom nicht. Am bekanntesten
ist das aus 60 Kohlenstoffatomen bestehende Buckminsterfulleren, das nach
dem amerikanischen Ingenieur und Architekten Richard Buckminster Fuller
(1895-1983), dem Erfinder von frei tragenden Kuppelkonstruktionen, benannt
wurde: Lit [4]
2 C + H2 Mit Wasserdampf reagiert
glühender Kohlenstoff bei Wärmezufuhr zu Kohlenstoffmonooxid
und Wasserstoff. Dieses Gemisch wird auch als Wassergas bezeichnet:
Beim Verbrennen von kohlenstoffhaltigen Verbindungen erhält man je nach Kohlenstoffgehalt ein Rußen und eine Verkohlung. Beim Erhitzen von Holz entsteht Holzkohle. Wird die Verbrennung einer Kerzenflamme gestört, beispielsweise durch das Halten einer Porzellanschale in die Flamme, erfolgt nur eine unvollständige Verbrennung. Den dabei entstehenden Ruß könnte man noch weiter mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid verbrennen. |
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Physiologie |
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Kohlenstoff
ist neben dem Sauerstoff und dem Wasserstoff
das bedeutendste Bioelement im menschlichen Körper. Die aus Kohlenstoff
(und anderen Biolementen) aufgebauten Kohlenhydrate
liefern Energie. Kohlenstoffreicher Brennstoff (Stärke) und Sauerstoff
werden von den Pflanzen bei der Fotosynthese gebildet. Die Tiere verbrennen
die Kohlenhydrate beim Atmungsprozess mit Sauerstoff wieder zu Kohlenstoffdioxid
(und Wasser). Beim Kalkkreislauf spielt
der Kohlenstoff ebenfalls eine bedeutende Rolle. So ist dieses Bioelement
einem ewigen Kreislauf unterworfen. Im menschlichen Körper finden
sich die Kohlenstoffatome in tausenden von weiteren organischen Verbindungen,
so auch bei den Fetten, Eiweißen,
Vitaminen oder Enzymen.
Calciumcarbonat, ein Salz der Kohlensäure
ist ein wesentlicher Gerüststoff für den Knochenbau.
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Vorkommen |
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In
der Erdhülle kommen die Kohlenstoffatome mit einem Anteil von 0,087%
vor. Im Mineralreich begegnet uns Kohlenstoff elementar im harten Diamant,
im weichen Graphit, im diamantartigen,
aber weichen Londsdaleit, im graphitähnlichen Chaoit, sowie in Form
der Fullerene im anthrazitähnlichen Shungit und in Meteoriten. Die
Diamanten finden sich vor allem im alten Gestein von Vulkanschloten, dem
Kimberlit. Die Hauptvorkommen liegen in Südafrika, im Kongo, in Russland
und in Brasilien. Der Graphit ist dagegen organischen Ursprungs. Lagerstätten
findet man in Sri Lanka, Madagaskar, Sibirien, Mexiko, USA oder Kanada.
In Deutschland findet man ihn im Graphit-Bergwerk Kropfmühl im südlichen
Bayerischen Wald (Nähe Hauzenberg). Dieses Bergwerk kann besichtigt
werden und zeugt vom Graphitabbau in Deutschland.
Die chemischen Verbindungen des Kohlenstoffs kennzeichnen sämtliche Lebewesen auf der Erde. Die fossilen Brennstoffe Erdöl, Erdgas und Kohle und die zahlreichen, darin enthaltenen Kohlenstoffverbindungen sind aus ihnen im Laufe der Jahrmillionen entstanden. Erdöl und Erdgas wurden durch die Umsetzung anaerober Bakterien gebildet (Grafik). Braunkohle und Steinkohle enthalten dagegen einen hohen Anteil an elementarem Kohlenstoff. Sie bildeten sich durch Umwandlung aus Pflanzenresten. Bei der Steinkohle ist der "Inkohlungs-Prozess" weiter fortgeschritten und durch Sedimente weiter verfestigt als bei der Braunkohle. Braunkohlevorkommen finden sich in Ostdeutschland, am Niederrhein, in den USA und in Kanada, Steinkohle dagegen im Saar- und Ruhrgebiet, in Belgien, im Zentralmassiv Frankreichs, in Großbritannien, in Nordamerika, in Asien und in Australien. Der Anthrazit, der auch Glanzkohle genannt wird, ist die hochwertigste Form von Kohle. Er besitzt eine hohe Härte und den höchsten Heizwert.
Der weitaus größte Anteil an chemisch gebundenem Kohlenstoff ist im Mineralreich in den Carbonaten vorhanden (Calcit, Baryt). Der Kohlenstoffkreislauf ist ein wichtiger Bestandteil des Ökosystems der Erde. Die Verfeuerung fossiler Brennstoffe durch den Menschen erhöht den Kohlenstoffdioxidanteil in der Atmosphäre, was zur Beschleunigung des natürlichen Treibhauseffekts führt und damit gravierende Klimaveränderungen verursacht.
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Geschichte |
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Kohle
von Knochen, Horn und Zahnbein oder die Holzkohle des Wachholders dienten
schon den Höhlenmalern vor mehr als 30000
Jahren zur Herstellung von schwarzen Pigmenten.
Erst Antoine Lavoisier, charakterisierte den Kohlenstoff als Element (1787). Im Jahre 1796 stellte Smithson Tennant als erster künstlichen Kohlenstoff her, indem er Phosphordämpfe über glühenden Kalk leitete und dabei Calciumphosphat und Kohlenstoff erhielt. Nach weiteren zehn Jahren (1807) bewiesen die englischen Chemiker William Allen und William Haseldine Pepys, dass Diamant und Graphit aus reinem Kohlenstoff aufgebaut sind. Der lateinische Name "Carboneum" leitet sich von "carbo", die "Holzkohle" ab. Das deutsche Wort Kohlenstoff bezieht sich auf "Kohle". Das chemische Symbol "C" führte J.J. Berzelius im Jahre 1814 ein. Als man an der Rice University (Houston, USA) ab 1980 Ruß untersuchte, der beim Verdampfen von Kohle im elektrischen Lichtbogen (im Vakuum, bei ca. 6000°C) entstand, entdeckte man bei elektronenmikroskopischen Untersuchungen kugelige Gebilde. Die als "Fullerene" bezeichneten Moleküle wurden 1985 von Dr. Robert F. Curl, Sir Harald W. Kroto und Richard E. Smalley unter Mitarbeit der Studenten J. R. Heath und S. C. O'Brien entdeckt. Die drei Erstgenannten erhielten für diese Entdeckung im Jahre 1996 den Nobelpreis für Chemie. |
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Herstellung |
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| Ausgangsprodukte
für die technische Herstellung von reinem Kohlenstoff sind vor allem
die natürlichen Vorkommen wie Kohle, Erdöl und Erdgas, die thermisch
zersetzt werden. Der Graphit für Elektroden wird nach einem 1896 von
Edward Goodrich Acheson (1856-1931) entwickelten Verfahren aus gepulvertem
Petrolkoks unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen in Elektroöfen
hergestellt. Natürlichen Graphit erhält man aus den Lagerstätten.
Das Gestein wird zerkleinert und durch Flotation gereinigt.
Der Abbau von Diamanten aus ihren Lagerstätten bringt eine Vielzahl an Rohsteinen hervor, von denen ein großer Teil für Industriezwecke und ein kleinerer Anteil für die Schmuckindustrie verarbeitet wird. Die Qualität eines guten Schmuckdiamanten hängt von vier Faktoren ab: colour (Farbe), clarity (Reinheit), cut (Schliff) und carat (Gewicht). Ein "Karat" entspricht 200mg. Der größte je gefundene Diamant ist der 1905 in der Premiermine (Südafrika) gefundene "Cullinan" mit 3106 Karat.
Die Herstellung von künstlichen Diamanten gelang erstmals Henri Moissan im Jahre 1893 und wird seit 1955 industriell betrieben. Moissan löste Kohlenstoff in Eisen- und Silberschmelzen auf und entdeckte nach der Abkühlung winzige Splitter, die "stark lichtbrechend (...) sind, die Korunde ritzen können und mit unbedeutenden Ascheresten zu Kohlendioxid verbrennen". Spätere Untersuchungen ergaben, dass es sich bei Moissans Gebilde um Metall-Kohlenstoff-Verbindungen handelte, die auch als Carbide bezeichnet werden. Heute wird der künstliche "Moissanit" als perfekte Imitation für Diamanten in Schmuck eingesetzt. Im Gegensatz zum ebenfalls künstlichen Diamantersatz "Zirkon" (Zirkoniumoxid) wurde der Moissanit zum Ärger zahlreicher Händler und Käufer von den vor 1998 eingesetzten Diamantprüfgeräten als echt eingestuft. Beim industriellen Verfahren wird Graphit bei einem Druck von ca. 10 GPa in flüssigen Metallen wie Eisen, Nickel oder Tantal bei ca. 1800°C gelöst. Die Metalle wirken als Katalysator und es entstehen Diamantkristalle von maximal 1,2 mm Durchmesser. In der Zwischenzeit ist es auch gelungen, Diamant-Einkristalle zu produzieren. Dabei werden Pressen verwendet, die bis zu 20000 Tonnen Druckkraft erzeugen können. |
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Verwendung |
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Aufgrund
seiner guten thermischen Leitfähigkeit und chemischen Widerstandsfähigkeit
wird Graphit vor allem zur Herstellung von feuerfesten Schmelztiegeln,
Gussformen und Ofenauskleidungen verwendet. Der weiche Graphit dient als
Pulver zur Herstellung von Schmiermitteln und kompakt zur Herstellung von
Bleistiftminen. Graphit-Elektroden sind elektrisch gut leitfähig und
werden in Elektrostahlöfen, in Carbidöfen und bei der Schmelzfluss-Elektrolyse,
aber auch als Kohlebürsten bei Elektromotoren oder als Kohlegrieß
in Mikrophonen eingesetzt.
Die Aufzählung gibt nur einen kleinen Überblick von der vielfältigen und universellen Verwendung des Kohlenstoffs in der Technik.
Graphen ist eine einlagige (oder mehrlagige) Kohlenstoff-Struktur, bei der die Kohlenstoff-Atome in einer Wabe jeweils mit drei weiteren Kohlenstoff-Atomen vernetzt sind. Die einfachste Form zur Herstellung von dünnen Kohlenstoffschichten in der Dimension der Nanochemie ist das Abziehen einer Schicht mit Hilfe eines Klebstreifens von einem Graphitblock. Aber auch beim Schreiben mit einem Bleistift auf einem Blatt Papier entstehen schon vergleichbar dünne Schichten, in denen die Kohlenstoff-Atome in einer sechseckigen Wabenstruktur angeordnet sind. Die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov bekamen im Jahr 2010 den Nobelpreis für Physik für die Herstellung und den Nachweis des Graphens. Lit [84] Dieses Material ist extrem stabil, es ermöglicht aber auch die Herstellung von Computerchips mit einer viel höheren Taktrate im Vergleich zu Computerchips auf Siliciumbasis. [Lit 85] |
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Kohlenstoffverbindungen im Portrait |
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| Copyright: Thomas Seilnacht |
C2H2
CO + H2 ΔHR
= +131 kJ/mol
