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Kohlenstoff,

 

lateinisch Carboneum, chemisches Symbol C, ein chemisches Element aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems. Kohlenstoff ist ein Nichtmetall, das in reiner Form in zwei Modifikationen, als kubischer Diamant und als hexagonaler Graphit, vorkommt; eine weitere Modifikation (Carbine) gilt als umstritten. Diamant wandelt sich beim Erhitzen unter Luftabschluss auf 1 650-1 800 ºC spontan in den bei normalem Druck stabilen Graphit um; der umgekehrte Prozess ist nur bei hohem Druck (35-50 kbar) und hoher Temperatur (1 200-1 600 ºC) möglich (Diamantsynthese). Künstliches Graphit bildet sich stets bei der thermischen Zersetzung kohlenstoffreicher Substanzen wie Kohle, Erdöl, Erdgas oder deren Produkte (je nach Verfahren bei 600-3 000 ºC). Technisch wichtig sind besonders der aus Petrolkoks hergestellte und für Elektroden von Elektrostahlöfen und für Schmelzflusselektrolyseverfahren verwendete Elektrographit sowie der durch thermische Zersetzung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen (Methan, Propan, Propen) bei 800-3 000 ºC gewonnene, u. a. für thermische Isolationen in der Raketentechnik sowie zum Beschichten von Kernbrennstoffteilchen verwendete Pyrographit. Graphitstruktur haben auch die durch Pyrolyse organischer Fasern hergestellten Kohlenstofffasern. Fein vernetzte Graphitkriställchen verschiedener Größe und Struktur liegen im Glanzkohlenstoff, im Ruß und im Koks (bis etwa 98 % Kohlenstoff) vor, besonders feinkristalliner, porenreicher, zum Teil amorpher Kohlenstoff in der Aktivkohle. Die natürlich vorkommenden Kohlen enthalten dagegen nur wenig reinen Kohlenstoff und bestehen im Wesentlichen aus komplizierten Verbindungen des Kohlenstoffs mit Wasserstoff und Sauerstoff. (Kohle, Tabelle)

 

Kohlenstoff ist chemisch sehr reaktionsträge. Bei normaler Temperatur reagiert er nur mit Fluor, bei höherer Temperatur setzt er sich mit zahlreichen Elementen und Verbindungen um, z. B. mit Sauerstoff (Kohlenoxid, Kohlendioxid) und Schwefel (Schwefelkohlenstoff) sowie mit Silicium, Bor und verschiedenen Metallen (Carbide). In den Kohlenstoffverbindungen liegt der Kohlenstoff (mit wenigen Ausnahmen, z. B. bei den salzartigen Carbiden) in kovalenter Bindung (chemische Bindung) vor, wobei er entsprechend seinen vier Außenelektronen vier Bindungen eingehen kann. Von überragender Bedeutung für die Entstehung der Kohlenstoffverbindungen ist die Fähigkeit des Kohlenstoffs, durch Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen mit sich selbst Ketten und Ringe von beliebiger Länge und Anordnung zu bilden. Diese Eigenschaft stellt die Grundlage der organischen Chemie mit ihren unübersehbar zahlreichen Verbindungen dar. Grundkörper der organischen Verbindungen sind die Kohlenwasserstoffe, von denen sich durch Ersatz von Wasserstoffatomen durch funktionelle Gruppen die weiteren Verbindungsgruppen wie Alkohole, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Amine, auch Kohlenhydrate, Fette, Proteine usw. ableiten. Zu den Kohlenstoffverbindungen, die in den Bereich der anorganischen Chemie gehören, zählen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlensäure, Schwefelkohlenstoff, die Carbide und die Carbonyle.

 

Kohlenstoff kommt in der Natur in elementarem Zustand als Diamant und als Graphit vor, jedoch sind Lagerstätten sehr selten. Chemisch gebunden findet sich Kohlenstoff als Hauptbestandteil von Kohle, Erdöl und Erdgas. In Form von Kohlendioxid kommt Kohlenstoff frei in der Atmosphäre, v. a. aber gelöst im Meerwasser vor (Kohlenstoffkreislauf). Die Hauptmenge des Kohlenstoffs liegt gebunden in Form von gesteinsbildenden Carbonatmineralen vor (in der Erdkruste in den Sedimentgesteinen), z. B. als Calciumcarbonat, CaCO₃ (Kalkstein), Magnesiumcarbonat, MgCO₃ (Magnesit), und Calciummagnesiumcarbonat, CaMg(CO₃)₂ (Dolomit).

 

Die Masse des Isotops ¹²C, das 98,89 % des natürlichen Kohlenstoffs bildet, wird seit 1961 als Bezugsmasse für die Atommasse verwendet. Das Isotop ¹⁴C, das sich aus Stickstoff ¹⁴N unter dem Einfluss der Höhenstrahlung bildet, ist ein radioaktiver Betastrahler (Halbwertszeit 5 730 Jahre); es wird zur Altersbestimmung nach der Radiokarbonmethode verwendet.

 

Geschichte:

 

1772 verbrannte A. L. de Lavoisier Diamanten unter einem Brennglas und fand, dass der Diamant chemisch der Kohle gleicht. 1779 zeigte K. W. Scheele, dass auch Graphit wie Kohle zu Kohlendioxid verbrannt werden kann. Da Diamant und Graphit kristallographisch sehr verschieden sind, suchte man intensiv nach möglichen chemischen Unterschieden. Erst nach Arbeiten der britische Wissenschaftler William Allen (* 1770, ✝ 1843) und William Haseldine Pepys (* 1775, ✝ 1856), um 1807, sowie von H. Davy, um 1814, galt als gesichert, dass Diamant und Graphit aus reinem Kohlenstoff bestehen.