Kohlenstoff – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff kommt in der Natur sowohl elementar als auch gebunden vor. Elementar findet man ihn als Graphit, als Diamant und in geringen Mengen als Fullerene. Gebunden steckt er in Carbonatgesteinen wie Kalkstein, Marmor und Dolomit, die riesige Mengen Kohlenstoff speichern. Die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas sind über Jahrmillionen aus abgestorbenen Pflanzen und Meeresorganismen entstanden. In der Atmosphäre liegt Kohlenstoff als Kohlenstoffdioxid vor, dessen Anteil heute bei rund vier Hundertstel Prozent liegt und durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe weiter steigt. Alle Lebewesen bestehen zu einem großen Teil aus Kohlenstoffverbindungen.

Diese Vorräte sind durch den Kohlenstoffkreislauf verbunden: Pflanzen binden Kohlenstoffdioxid durch Photosynthese, Tiere und Zersetzer geben es durch Atmung wieder ab, Ozeane nehmen es auf und lagern es als Carbonat ab. Gewonnen wird Kohlenstoff auf verschiedene Weise. Graphit wird in Minen abgebaut oder künstlich aus Petrolkoks hergestellt. Koks entsteht, wenn Steinkohle unter Luftabschluss erhitzt wird. Ruß gewinnt man durch unvollständige Verbrennung von Öl oder Gas. Aktivkohle entsteht aus Holz oder Kokosnussschalen, die verkohlt und dann mit Wasserdampf aktiviert werden, wodurch ein feines Porensystem mit riesiger innerer Oberfläche entsteht. Synthetische Diamanten wachsen bei hohem Druck und hoher Temperatur oder aus der Gasphase. Kohlenstoff ist seit dem Altertum bekannt, denn Holzkohle und Ruß nutzten schon die frühesten Kulturen.

Eigenschaften und Reaktionen

Kohlenstoff hat die Elektronenkonfiguration [He] 2s² 2p² und steht in Periode 2 und Gruppe 14. Seine vier Valenzelektronen bilden vier kovalente Bindungen, zu anderen Kohlenstoffatomen genauso bereitwillig wie zu Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff. Die Elektronegativität von 2,55 liegt in der Mitte der Skala, weshalb Kohlenstoff praktisch keine einfachen Ionen bildet, sondern Moleküle oder Netzwerke; nur in salzartigen Carbiden wie Calciumcarbid liegt er als Anion vor. Daraus ergibt sich die Vielfalt der organischen Chemie mit vielen Millionen bekannten Verbindungen.

Elementarer Kohlenstoff tritt in mehreren Modifikationen auf. Im Diamant ist jedes Atom tetraedrisch mit vier Nachbarn verbunden; das Ergebnis ist der härteste natürliche Stoff, durchsichtig und elektrisch isolierend, aber ein hervorragender Wärmeleiter. Im Graphit liegen Schichten aus Sechsecken übereinander, in denen jedes Atom nur drei Bindungen hat. Das vierte Elektron ist über die Schicht verteilt, deshalb leitet Graphit Strom, ist schwarz und weich, weil die Schichten leicht aneinander abgleiten. Eine einzelne solche Schicht heißt Graphen. Fullerene sind käfigförmige Moleküle, Nanoröhren aufgerollte Schichten. Kohlenstoff schmilzt unter Normaldruck nicht, sondern geht direkt in den Gaszustand über; Schmelzpunkt 3550 °C und Siedepunkt 3825 °C sind deshalb Richtwerte für besondere Bedingungen. Die Dichte von Graphit beträgt 2,267 g/cm³. Bei Raumtemperatur ist Kohlenstoff reaktionsträge, bei hoher Temperatur verbrennt er zu Kohlenstoffdioxid oder bei Sauerstoffmangel zu giftigem Kohlenstoffmonoxid. Glühender Kohlenstoff entzieht Metalloxiden den Sauerstoff; darauf und auf der Reduktion durch das dabei entstehende Kohlenstoffmonoxid beruht die Eisengewinnung im Hochofen. Das Isotop Kohlenstoff-14 ist radioaktiv und erlaubt die Altersbestimmung organischer Funde.

Verwendung in Alltag und Technik

Kohlenstoff begegnet dir überall. Bleistiftminen bestehen aus Graphit und Ton, Grillkohle aus verkohltem Holz, Autoreifen enthalten Ruß als Füllstoff, und Aktivkohle filtert Wasser, Luft und im Notfall Giftstoffe im Magen. Diamanten sind nicht nur Schmucksteine: Der größte Teil wird als Schleif- und Schneidwerkzeug genutzt, etwa in Bohrköpfen und Trennscheiben.

In der Industrie ist Koks unverzichtbar. Im Hochofen reduziert er Eisenerz zu Roheisen und liefert zugleich die Wärme. Stahl ist eine Legierung aus Eisen mit einem kleinen Anteil Kohlenstoff, der ihn hart macht. Graphit dient als Elektrodenmaterial in Lichtbogenöfen und Lithium-Ionen-Akkus, als Schmiermittel und als Moderator in Kernreaktoren. Kohlenstofffasern verstärken Kunststoffe und machen Fahrradrahmen, Flugzeugteile und Rennwagen leicht und steif. Die gesamte organische Chemie baut auf Kohlenstoff auf: Kunststoffe, Medikamente, Farbstoffe, Treibstoffe und Lösungsmittel werden aus Erdöl und Erdgas hergestellt. Neue Materialien wie Graphen und Nanoröhren versprechen extrem leitfähige und feste Werkstoffe. Zugleich ist Kohlenstoff Teil eines globalen Problems: Die Verbrennung fossiler Brennstoffe setzt Kohlenstoffdioxid frei, das als Treibhausgas die Erde erwärmt. Technologien zur Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoffdioxid und der Umstieg auf erneuerbare Energien sollen den Kreislauf wieder ins Gleichgewicht bringen.

Moleküle mit diesem Element

• Methan CH₄3D ansehen
• Ethan C₂H₆3D ansehen
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Kurz gefragt

Welches dieser Elemente besitzt die hoechste Elektronegativitaet?

Häufige Fragen