| Kohlenstoff 6C | ||||||
| engl. Carbon, lat. carboneum („Kohle“) | ||||||
*) Diamant schmilzt bei 3800 bis 4440 °C – je nach Quelle [Lit 3, 5] – und einem Druck zwischen 127 bar und 130000 bar. |
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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. Die Fullerene kommen ebenfalls natürlich vor, beispielsweise
in Meteoriten oder im Shungit, einem schwarzen, kohleähnlichen Gestein.
Der Londsdaleit ist ein weicher Diamant mit der Mohshärte 3, der im hexagonalen Kristallsystem kristallisiert und einen meteorischen Ursprung hat. Lit [63]
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 Sauerstoff-Strom, beim 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.
Es existiert Kohlenstoff, der schwache ferromagnetische Eigenschaften aufweist. Die Kohlenstoffmodifikationen Graphit und Diamant sind diamagnetisch. Sie werden von einem Supermagneten leicht abgestoßen. Der Graphit ist stärker diamagnetisch als der Diamant. Der Diamagnetismus erklärt das Phänomen, warum man ein Graphit-Plättchen über mehreren Neodym-Super-Magneten schweben lassen kann.
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. 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 bilden farbige Lösungen. Sie zeigen
ansonsten auch ein recht merkwürdiges Verhalten bei der Reaktion mit
anderen Stoffen. Fullerene leiten wie der
Diamant den elektrischen Strom nicht. Am bekanntesten
ist das aus 60 Kohlenstoff-Atomen bestehende Buckminsterfulleren, das nach
dem amerikanischen Ingenieur und Architekten Richard Buckminster Fuller
(1895–1983), dem Erfinder von frei tragenden Kuppelkonstruktionen, benannt wurde. Lit [4]
Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid CO2, bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonooxid CO. Im Lichtbogen lässt sich aus Kohlenstoff und Wasserstoff Ethin herstellen:
2 C + H2 
C2H2 Mit Wasserdampf reagiert
glühender Kohlenstoff bei Wärmezufuhr zu Kohlenstoffmonooxid
und Wasserstoff. Dieses Gemisch wird auch als Wassergas bezeichnet:
C + H2O 
CO + H2 ΔHR = +131 kJ/mol Mit Schwefel reagiert Kohlenstoff bei Rotglut zu Schwefelkohlenstoff CS2,
mit Stickstoff im Lichtbogen zu Dicyan C2N2 und mit Silicium bei 2000 °C zu Siliciumcarbid SiC. Das Element Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit, in chemischen
Verbindungen lange Ketten und Ringstrukturen auszubilden, so auch in den
Kohlenwasserstoffen. Aus diesem Grund sind die meisten organischen Verbindungen
in ihrem Grundgerüst aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, sie gelten als
Kennzeichen für das Leben auf der Erde.
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. |
| 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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Häufigkeit häufig
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. Holzkohle ist zusammen mit Rußschwarz das älteste Pigment überhaupt. Rußschwarz wurde durch Verbrennen von Kohlenstoffverbindungen erzeugt. Geeignet dafür waren zum Beispiel Pflanzenöle, Kerne, Harz oder Pech.
Die Chalyber lebten mit dem Beginn der Eisenzeit um 1400 vor Christus an der Südküste des Schwarzen Meeres. Sie verhütteten Eisenerz mit Hilfe der Holzkohle, die sie aus dem Holz der Gebirgswälder des nordostanatolischen Gebirges gewannen. [Lit. 135] Die Römer waren mit der Eisenverhüttung schon vertraut. Die Eisengewinnung in Europa im industriellen Umfang entstand etwa im 7. Jahrhundert nach Christus in der Steiermark, später auch in Thüringen und in Sachsen. Die Verkohlung des Buchenholzes zu Holzkohle erfolgte bereits im Mittelalter in aufgeschichteten Meilern: Das aufgehäufte Holz wurde luftdicht abgedeckt und entzündet. Die Luftzufuhr wurde durch den Köhler so reguliert, dass das Holz nicht vollständig verbrannte, sondern nur verkohlte und die leicht flüchtigen Bestandteile des Holzes verdampften. Ein weißer, dichter Rauch zeigte an, dass der Verkohlungsprozess noch im Gang war. Wurde er hell und bläulich, war der Prozess abgeschlossen. Die Kohlenmeiler waren der Grund, warum schon im Mittelalter zur Eisenverhüttung ganze Wälder abgeholzt wurden.
Als chemisches Element wurde der Kohlenstoff erst durch Antoine Lavoisier
um 1787 charakterisiert. Im Jahr 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 Jahr 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 etwa 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 Jahr 1996 den Nobelpreis für Chemie. |
| 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
200 Milligramm. 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 etwa 10 GPa in flüssigen Metallen wie Eisen, Nickel oder Tantal bei etwa 1800 °C gelöst. Die Metalle wirken als Katalysator und es entstehen Diamantkristalle von maximal 1,2 Millimeter Durchmesser. In der Zwischenzeit ist es auch gelungen, Diamant-Einkristalle zu produzieren. Dabei werden Pressen verwendet, die bis zu 20000 Tonnen Druckkraft erzeugen können. |
| 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 Steckbrief |
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