Kohlenstoff
Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle oder lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element.
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Allgemein | |||||||||||||||||||||||||
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Name, Symbol, Ordnungszahl | Kohlenstoff, C, 6 | ||||||||||||||||||||||||
Serie | Nichtmetalle | ||||||||||||||||||||||||
Gruppe, Periode, Block | 14 (IVA), 2, p | ||||||||||||||||||||||||
Dichte, Mohshärte | 2267 kg/m3, 0,5 (Graphit) 10,0 (Diamant) | ||||||||||||||||||||||||
Aussehen | schwarz (Graphit) farblos (Diamant) | ||||||||||||||||||||||||
Atomar | |||||||||||||||||||||||||
Atomgewicht | 12,0107 amu | ||||||||||||||||||||||||
Atomradius (berechnet) | 70 (67) pm | ||||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 77 pm | ||||||||||||||||||||||||
van der Waals-Radius | 170 pm | ||||||||||||||||||||||||
Elektronenkonfiguration | [He]22s22p2 | ||||||||||||||||||||||||
e- 's pro Energieniveau | 2, 4 | ||||||||||||||||||||||||
Oxidationszustände (Oxid) | 4, 2 (leicht sauer) | ||||||||||||||||||||||||
Kristallstruktur | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||
Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||
Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (unmagnetisch) | ||||||||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | 3773 K (3500 °C) | ||||||||||||||||||||||||
Siedepunkt | 5100 K (4827 °C) | ||||||||||||||||||||||||
Molares Volumen | 5,29 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||
Verdampfungswärme | 355,8 kJ/mol (sublimiert) | ||||||||||||||||||||||||
Schmelzwärme | k. A. (sublimiert) | ||||||||||||||||||||||||
Dampfdruck | 0 Pa | ||||||||||||||||||||||||
Schallgeschwindigkeit | 18350 m/s | ||||||||||||||||||||||||
Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||
Elektronegativität | 2,55 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||
Spezifische Wärmekapazität | 710 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||
Elektrische Leitfähigkeit | 0,061 · 106/m Ohm | ||||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 129 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||
1. Ionisierungsenergie | 1086,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
2. Ionisierungsenergie | 2352,6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
3. Ionisierungsenergie | 4620,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
4. Ionisierungsenergie | 6222,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
5. Ionisierungsenergie | 37831 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
6. Ionisierungsenergie | 47277,0 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||
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SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. |
Modifikationen des Kohlenstoff
Elementarer Kohlenstoff kommt in zwei Modifikationen vor: Diamant und
Graphit. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
Graphit ist ein guter elektrischer Halbleiter von tiefschwarzer Farbe. Er
ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel.
Diamant ist ein sehr guter Isolator und transparent. Diamant ist das härteste
bekannte Material und wird als Schleifmittel eingesetzt.
Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese Grundtypen
zurückführen (s. u.).
Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem Schalenmodell
besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale. Das 2s-Niveau der zweiten
Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das 2px- und 2py-
Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung.
Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist
kugelförmig. In einem p-Niveau ist sie anisotrop. Die
Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen
links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im
Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem plaziert vorstellt. Senkrecht
dazu stehen das py- und pz-Orbital.
Wird ein Kohlenstoff-Atom in einen angeregten Zustand versetzt, hybridisieren
die s und p Niveaus und bilden gemeinsam neue
Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für die Elektronen aus. Beteiligen sich das s-
und
alle drei p-Orbitale, spricht man von einer sp3 Hybridisierung. Die
Orbitale nehmen eine langgestreckte Tropfenform an. War sie bei den p-
Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt
keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die
Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen.
Überlappen sich die sp3-Orbitale angeregter Atome, bilden sie feste
kovalente Bindungen. Sie bilden das Grundgerüst des
Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)
Beteiligen sich nur 2 der p-Orbitale an der Hybridisierung, entstehen die
sog. sp2-Orbitale. Die sp2-
Orbitale richten sich senkrecht zum übriggebliebenen p-Orbital aus. Steht
z.B. das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die sp2-
Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120°
zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das p-Orbital
ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden.
Angeregte sp2-Kohlenstoff-Atome reagieren miteinander und bilden feste kovalente
Bindungen, aber nur in einer Ebene. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die
Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur
dort). Die übriggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls
untereinander. Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren
Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp2 bzw. sp3-
Orbitale.
Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als
die gesamte anorganische Chemie. Auch die Biochemie ist ein Teil der
organischen Kohlenstoffchemie.Atommodell des Kohlenstoffs
Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der
unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt.Diamant (sp3) Struktur
Die vier sp3-Orbitale orientieren sich symmetrisch zueinander im Raum,
sie nehmen die Form eines Tetraeders an.Graphit (sp2) Struktur
Chemisch spechen wir von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C
vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3-Einfachbindung 'C-C'
liegt bei 350 kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen sp2-Doppelbindung C-C
nur um 260 kJ/mol höher.
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung
durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe
Benzol).Dreifach (sp1) Bindung
Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, formen
sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der
x-Achse, zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei Atome
formen eine Kohlenstoff-Dreifachbindung. Die pi-Bindung lokalisiert die
Elektronen zwischen den beiden Atomen, weitere Atome können nicht in den
Verband aufgenommen werden. Das Gas Acetylen HC --- CH ist die
größtmögliche Struktur auf Basis der sp1-Bindung.Erscheinungsformen des Kohlenstoffs
Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den
Bindungsstrukturen sp3, sp2 und sp1. sp1 tritt makroskopisch
nicht in Erscheinung. Unterschiede in der Anordnung von sp2-gebundenen
Kohlenstoff-Atomen werden manchesmal als gesonderte (makroskopische)
Modifikation bezeichnet.Diamant
Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien
Elektronen. Das Material ist deshalb ein Isolator, das Licht nicht
absorbiert. Diamant ist metastabil, unter schonenden Bedingungen wandelt er
sich bei hohen Temperaturen um in Graphit.
(siehe Diamant).Graphit
Die sp2-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste
Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über
Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die
Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Die Festigkeit der Ebenen tritt nicht
in Erscheinung, dafür sind sie zu dünn (siehe Graphit).Fullerene
Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch
Fünfecke, entsteht eine räumliche Struktur, ein Fußball-Molekül. Hier
liegen die sp2-Bindungen
nicht in einer Ebene, sondern sind räumlich zu einer
Kugel geformt sind. Die kleinste mögliche Fußballstruktur erfordert 60
Kohlenstoff-Atome. Die Molekülkugeln untereinander binden sich über eine
schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung, genauso wie
beim Graphit (siehe Fulleren).Kohlenstoffnanoröhren
Die vierte Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp2-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT). (siehe Kohlenstoffnanoröhren)Kohlenstoffnanoschaum
Die fünfte Form von Kohlenstoff ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, die einen durchschnittlichen Durchmesser von je sechs bis neun Nanometern besitzen. Sie hat mit zwei Milligramm/Kubikzentimeter die niedrigste Dichte aller bekannten Feststoffe und weist als erste Form reinen Kohlenstoffs bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf, wenn auch nur für wenige Stunden nach der Herstellung. Bei weniger als 90 Kelvin wird sie wieder magnetisiert. Der Stoff ist ein Halbleiter.Kohlenstoff-Fasern
Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff.
In einer Idealfaser liegen die Grapitlagen
geordnet wie in einer langen Papierrolle vor, die Graphitebenen orientiert
entlang der Faserachse. In Wirklichkeit sind die
Ebenen stark gestört und bilden nur lokale Ordnungen aus. Das Maß der Störung
beeinflusst die Festigkeit (siehe Kohlenstofffaser).Ruß
Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß,
desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen-
oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die
Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern (siehe Ruß)Glaskohlenstoff
Glasartiger Kohlenstoff ist eine Sonderform des Grapits. Im Graphit liegen
die Ebenen wohlgeordnet in Stapeln von Basalebenen. Beim Glaskohlenstoff sind
die Ebenen immer noch parallel gestapelt, aber nur auf mikroskopischer Skala.
Anschaulich ist ein Stapel Papier ein Beispiel für Graphit. Große Bögen von
mehrlagigem Papier, gepresst zu einem Quader, kommen der Struktur von
Glaskohlenstoff nahe (siehe Graphit).Kohlenstoff-Verbindungen
Einige Verbindungen des Kohlenstoffs gehören zur anorganischen Chemie:
Anorganische Verbindungen, in denen Kohlenstoff vorkommt:
Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen, hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Zwischen der Erde, ihren Ozeanen und der Erdatmosphäre findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt. Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus.