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Kohlenstoff

Kohlenstoff (von urgerm. kul-a-, kul-ō(n)- ,Kohle‘) oder Carbon (von lat. carbō ,Holzkohle‘, latinisiert Carboneum oder Carbonium) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol C und der Ordnungszahl 6. Im Periodensystem steht es in der vierten Hauptgruppe bzw. der 14. IUPAC-Gruppe oder Kohlenstoffgruppe sowie der zweiten Periode.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Kohlenstoff, C, 6
Elementkategorie Nichtmetalle
Gruppe, Periode, Block 14, 2, p
Aussehen schwarz (Graphit)
farblos (Diamant)
gelbbraun (Lonsdaleit)
dunkelgrau (Chaoit)
CAS-Nummer


(Graphit)
(Diamant)

EG-Nummer 231-153-3
ECHA-InfoCard
Massenanteil an der Erdhülle 0,087 %
Atomar
Atommasse 12,011 (12,0096 – 12,0116) u
Atomradius (berechnet) 70 (67) pm
Kovalenter Radius 76 pm
Van-der-Waals-Radius 170 pm
Elektronenkonfiguration [He] 2s2 2p2
1. Ionisierungsenergie 11.2602880(11) eV1086.45 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 24.383154(16) eV2352.62 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 47.88778(25) eV4620.47 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 64.49352(19) eV6222.68 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie 392.090515(25) eV37831 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen 3 (u. a. Graphit (G) und Diamant (D))
Kristallstruktur G: hexagonal
D: kubisch flächenzentriert
Dichte G: 2,26 g/cm3
D: 3,51 g/cm3
Mohshärte G: 0,5
D: 10
Magnetismus diamagnetisch (D: Χm = −2,2 · 10−5;
G: χ m {\displaystyle \chi _{m}} bis −4,5 · 10−4)
Sublimationspunkt 3915 K (3642 °C)
Molares Volumen G: 5,31 · 10−6 m3/mol
D: 3,42 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungswärme Sublimation: 715 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit D: 18350 m·s−1
Spezifische Wärmekapazität G: 709 J/(kg · K)
D: 427 J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 4,81 eV
Chemisch
Oxidationszustände −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4
Elektronegativität 2,55 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
10C
{syn.} 19,255 s ε 3,648 10B
11C
{syn.} 20,39 min β+, ε 1,982 11B
12C
98,9 % Stabil
13C
1,1 % Stabil
14C
< 10−9 % 5730 a β 0,156 14N
15C
{syn.} 2,449 s β 9,772 15N
16C
{syn.} 0,747 s β 8,012 16N
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin-
Quanten-
zahl I
γ in
rad·T−1·s−1
Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
12C 0 0
13C 1/2 +6,728 · 107 0,0159 050,33
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze H:keine H-Sätze
P:keine P-Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Es kommt in der Natur sowohl in gediegener (reiner) Form (Diamant, Graphit, Chaoit) als auch chemisch gebunden (z. B. in Form von Carbiden, Carbonaten, Kohlenstoffdioxid, Erdöl, Erdgas und Kohle) vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung komplexer Moleküle und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff und seine Verbindungen zur Grundlage des Lebens auf der Erde.

Inhaltsverzeichnis

Hauptartikel: Kohlenstoffzyklus
Kohlenstoffzyklus: Die schwarzen Zahlen geben an, wie viele Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die violetten Zahlen geben an, wie viele Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr (Gt/a C) zwischen den einzelnen Speichern ausgetauscht werden.

Kohlenstoff ist ein essenzielles Element der Biosphäre; es ist in allen Lebewesen – nach Sauerstoff (Wasser) – dem Gewicht nach das bedeutendste Element. Alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.

Geologisch dagegen zählt Kohlenstoff nicht zu den häufigsten Elementen, denn in der Erdkruste beträgt der Massenanteil von Kohlenstoff nur 0,027 %.

In der unbelebten Natur findet sich Kohlenstoff sowohl elementar (Diamant, Graphit) als auch in Verbindungen. Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika (v. a. Südafrika und die Demokratische Republik Kongo) und Russland. Diamanten findet man häufig in vulkanischen Gesteinen wie Kimberlit. Graphit kommt relativ selten in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein vor. Die wichtigsten Vorkommen liegen in Indien und China.

Mehr als die Hälfte des Kohlenstoffs liegt in Form von anorganischem Carbonatgestein vor (ca. 2,8 · 1016 t). Carbonatgesteine sind weit verbreitet und bilden zum Teil Gebirge. Ein bekanntes Beispiel für Carbonat-Gebirge sind die Dolomiten in Italien. Die wichtigsten Carbonat-Mineralien sind Calciumcarbonat (Modifikationen: Kalkstein, Kreide, Marmor) CaCO3, Calcium-Magnesium-Carbonat (Dolomit) CaCO3 · MgCO3, Eisen(II)-carbonat (Eisenspat) FeCO3 und Zinkcarbonat (Zinkspat) ZnCO3.

Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen, sondern Mischungen vieler verschiedener organischer Verbindungen. Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher (Kohle) und tierischer (Erdöl, Erdgas) Überreste unter hohem Druck. Wichtige Kohlevorkommen liegen in den USA, China und Russland, ein bekanntes deutsches im Ruhrgebiet. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel (Irak, Saudi-Arabien). Weitere wichtige Ölvorkommen gibt es im Golf von Mexiko und in der Nordsee. Über festes Methanhydrat in der Tiefsee ist noch wenig bekannt.

Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als Kohlenstoffdioxid (kurz Kohlendioxid) vor. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen, bei der Atmung sowie vulkanisch und wird durch Photosynthese der Pflanzen verwertet. Auch in Wasser ist CO2 gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil im Meer). Mit Stand 2015 waren ca. 830 Mrd. Tonnen Kohlenstoff in der Atmosphäre vorhanden. Da durch die Verbrennung fossiler Energieträger seit Beginn der Industrialisierung den Stoffflüssen in der Umwelt zuvor langfristig gebundenes CO2 hinzugefügt wird, steigt der Anteil an der Zusammensetzung der Luft sukzessive an. 2015 betrug der Anteil 400 ppm bzw. 0,04 %; ein Anstieg von ca. 120 ppm gegenüber dem vorindustriellen Wert von 280 ppm. Insgesamt wurden seit Beginn der Industrialisierung ca. 530 Mrd. Tonnen Kohlenstoff durch fossile Energieträger freigesetzt, von denen etwa knapp die Hälfte in der Atmosphäre verblieb und jeweils gut ein Viertel von Ozeanen und Landökosystemen aufgenommen wurde.

Mengenmäßig ist der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Gesteinshülle (Lithosphäre) gespeichert. Alle anderen Vorkommen machen mengenmäßig nur etwa 1/1000 des Gesamt-Kohlenstoffs aus.

Phasendiagramm des Kohlenstoffs

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoff kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor. Alle Feststoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf die beiden Grundtypen Diamant und Graphit zurückführen.

Im Diamant ist Kohlenstoff dreidimensional kovalent gebunden. Diamant ist ein Isolator und transparent. Er ist das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt.

Im Graphit ist die kovalente Bindung innerhalb der Basalebenen stärker als die beim Diamant, während die Ebenen locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Die freien π-Elektronen sind verantwortlich für die tiefschwarze Farbe, die leichte Spaltbarkeit und die hohe Leitfähigkeit entlang der Basalebenen. Graphit dient als hochtemperaturbeständiges Dichtungsmaterial und Schmiermittel sowie als Grundstoff für Bleistiftminen.

Molvolumen von Graphit als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur
Molvolumen von Diamant als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur

Im Gegensatz zur landläufigen Meinung sind die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit jedoch keine Eigenschaft von Graphit an sich, sondern werden nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren gefunden. In Vakuen oder sehr trockener Atmosphäre steigt der Reibungskoeffizient von Graphit daher drastisch an.

Bei Normaldruck und Temperaturen unterhalb 4000 K ist Graphit die thermodynamisch stabile Modifikation des Kohlenstoff (siehe Phasendiagramm). Wegen der hohen Aktivierungsenergie ist auch Diamant bei Raumtemperatur stabil und wandelt sich erst oberhalb 500 °C merklich in Graphit um. Umgekehrt erfordert die Transformation von Graphit in Diamant einen Druck von mindestens 20.000 bar (2 GPa). Für eine ausreichend schnelle Reaktion sollte die Temperatur oberhalb von 1500 °C liegen, bei einem Druck von 60.000 bar entsprechend dem Phasendiagramm.

Kohlenstoff hat die höchste Temperaturbeständigkeit aller bekannten Materialien. Er sublimiert bei Normaldruck bei 3915 K (3642 °C), ohne vorher an Festigkeit einzubüßen. Der Tripelpunkt liegt bei (10,8 ± 0,2) MPa und (4600 ± 300) K.

Kohlenstoff ist diamagnetisch. Pyrolytisch abgeschiedener Graphit hat eine große Anisotropie in der magnetischen Suszeptibilität (parallel: χ m {\displaystyle \chi _{m}} = −85 · 10−6; senkrecht: χ m {\displaystyle \chi _{m}} = −450 · 10−6), Diamant ist dagegen isotrop ( χ m {\displaystyle \chi _{m}} = −22 · 10−6).

In seinen verschiedenen Modifikationen zeigt Kohlenstoff sehr unterschiedliche Eigenschaften. Kohlenstoff ist das härteste Element: als kristalliner Diamant wird auf der Härteskala nach Knoop der absolute Höchstwert von 90 GPa erreicht. In der Form des Graphits ist Kohlenstoff nach Rubidium und Cäsium mit 0,12 GPa das drittweichste Element. Kohlenstoff besitzt auch die höchste Wärmeleitfähigkeit, die bei Raumtemperatur weit über 2000 W/(m·K) liegt.

Chemische Eigenschaften

Molekularer Kohlenstoff weist aufgrund seiner stabilen Konfiguration eine geringe chemische Aktivität auf. Er kann eine Reaktion eingehen, wenn dem Atom zusätzliche Energie zugeführt wird und die Elektronen der Außenhülle abbrechen müssen. In diesem Moment wird die Wertigkeit des Elements 4, und aus diesem Grund hat Kohlenstoff in Verbindungen einen Oxidationsstufe von +2, +4 und −4. Alle Reaktionen von Kohlenstoff mit Metallen und Nichtmetallen finden bei hohen Temperaturen statt. Dieses Element kann sowohl ein Oxidationsmittel als auch ein Reduktionsmittel sein. Die reduzierenden Eigenschaften von Kohlenstoff sind stark, so dass das Element in der Metallindustrie verwendet wird.

Die Fähigkeit von Kohlenstoff, chemische Reaktionen einzugehen, hängt von Faktoren wie der Reaktionstemperatur, der allotropen Modifikation und dem Dispersionsgrad ab. Er reagiert nicht mit Laugen und Säuren und sehr selten mit Halogenen. Eine der Haupteigenschaften von Kohlenstoff ist die Fähigkeit des Elements, lange Ketten zwischen sich zu bilden. Die Ketten schließen sich zyklisch und es bilden sich Verzweigungen. Auf diese Weise entstehen millionenfach organische Verbindungen. Diese Verbindungen können auch andere Elemente enthalten: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Halogene oder Metalle.

Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms im Grundzustand

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt.

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 sanduhrförmigen Raum, jeweils eine Sanduhrhälfte links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystems platziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital (gemäß y- und z-Achse).

Diamant-Struktur (sp3)

Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.

Das 2s-Niveau kann mit den 3 2p-Niveaus hybridisieren und 4 energetisch gleichwertige sp3-Orbitale bilden. Dies kann man anschaulich so erklären, dass eines der s-Elektronen in das vorher leere p-Orbital gehoben wird und sich dabei die Orbitalenergien aller vier Orbitale der zweiten Stufe angleichen. Die neu entstehenden Orbitale besitzen eine langgestreckte, asymmetrische Tropfenform. Waren die Formen der p-Orbitale punktsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung vergrößert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden übersichtlichkeitshalber fortgelassen. Die vier sp3-Orbitale sind mit größtmöglichem Abstand zueinander symmetrisch im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines imaginären Tetraeders.

Überlappen sich die sp3-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur widerspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit-Struktur (sp2)

Drei sp2-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (trigonal) zueinander aus.

Sind nur 2 der 3 p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die so genannten sp2-Orbitale. Die sp2- Orbitale richten sich zweidimensional (als Fläche bzw. Ebene) aus; ober- und unterhalb dieser Fläche formt das übrigbleibende p-Orbital jeweils einen Orbitallappen. Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der xy-Ebene, liegen die sp2- Orbitale trigonal in der xy-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das unhybridisierte p-Orbital ist der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

sp2-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist trigonal; dies ist 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 beziehungsweise sp3-Orbitale und bilden ober- und unterhalb der sigma-Bindungsebene ein sogenanntes Elektronengas in Form atomrumpfunabhängiger („delokalisierter“) pi-Elektronen.

Chemisch spricht man 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 trigonalen sp2-Doppelbindung C=C nur um 260 kJ/mol höher. In einem hexagonalen Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol).

Dreifachbindung (sp1)

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete pi-Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, liegen die verbliebenen p-Orbitale auf den y- und z-Achsen. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Während sp3-Bindungen dreidimensionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale, bilden sp1-Bindungen höchstens eindimensionale (lineare) Ketten, wie zum Beispiel H–C≡C–C≡C–H.

a) Diamant, b) Graphit c) Lonsdaleit d) Buckminsterfulleren (C60) e) Fulleren C540 f) Fulleren C70 g) Amorpher Kohlenstoff h) Nanoröhrchen

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp3 und sp2: Diamant, Graphit und Fulleren.

Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

Modifikationen

Graphit

Hauptartikel: 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. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung.

Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr anisotrop: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, Wärmeleitung oder Ladungsübertragung von Kristallebene zu Kristallebene funktioniert hingegen relativ schlecht.

Diamant

Ein natürlicher Diamant im Tropfenschliff
Hauptartikel: Diamant

Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlücke von 5,45 eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen, während mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluss bei Temperaturen um 1500 °C in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ungefähr 700–800 °C zu Kohlendioxid.

Diamant gilt unter Normalbedingungen (1 bar, 25 °C) gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil

  1. die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
  2. bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluss der Umgebung – geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben – nicht berücksichtigt wurde/wird und schließlich
  3. Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, dass in einer Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

Lonsdaleit

Hauptartikel: Lonsdaleit

Lonsdaleit, auch als hexagonaler Diamant bezeichnet, ist eine sehr seltene Modifikation des Diamanten. Er entsteht, wenn Graphit durch Schockereignisse, das heißt hohen Druck und hohe Temperatur wie beispielsweise durch Impaktereignisse, in Diamant umgewandelt wird. Dabei bleibt der hexagonale Charakter der Kristallstruktur erhalten, jedes Kohlenstoffatom ist jedoch im Gegensatz zu Graphit an vier weitere kovalent gebunden.

Chaoit

Hauptartikel: Chaoit

Chaoit ist eine sehr seltene Modifikation, die ähnlich wie Graphit im hexagonalen Kristallsystem kristallisiert, jedoch mit anderen Gitterparametern und leicht abweichender Kristallstruktur. Er entsteht ähnlich wie Lonsdaleit durch Schock-Metamorphose in graphitischem Gneis.

Fullerene

Fulleren-C60-Kristalle
Hauptartikel: Fullerene

Ein reguläres hexagonales Wabenmuster, wie es die C-Atome in den Basalebenen des Graphits ausbilden, ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entstehen gekrümmte Flächen, die sich bei bestimmten relativen Anordnungen der Fünf- und Sechsringe zu geschlossenen Körpern „aufrollen“. In den Fullerenen sind derartige Strukturen realisiert. Die sp2-Bindungen liegen dabei nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur besteht nur noch aus Fünfecken und erfordert 20 Kohlenstoff-Atome, der dazugehörige Körper ist ein Pentagon-Dodekaeder. Dieses einfachste Fulleren ist bislang aber nur massenspektrometrisch nachgewiesen worden. Eines der stabilsten Fullerene besteht aus 60 Kohlenstoff-Atomen und enthält neben Sechsecken nur Fünfecke, die mit keinem anderen Fünfeck eine gemeinsame Kante besitzen. Das so entstehende Muster (abgestumpftes Ikosaeder, ein archimedischer Körper) gleicht dem Muster auf einem (altmodischen) Fußball. Es wird zu Ehren von Richard Buckminster Fuller als Buckminster-Fulleren bezeichnet. Die Molekül-„Kugeln“ der Fullerene sind untereinander über relativ schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen gebunden, ähnlich wie die Basalebenen im Graphit. Mittlerweile sind etliche Fullerene unterschiedlicher Größe isoliert und teilweise auch kristallisiert worden; sie können daher als echte Modifikation(en) gelten. Fullerene kommen vermutlich in allen Rußen vor, so zum Beispiel auch in dem Ruß über Kerzenflammen.

Strukturformel von Cyclo[18]carbon

Cyclo[18]carbon

Hauptartikel: Cyclo(18)carbon

Cyclo[18]carbon ist eine 2019 entdeckte cyclische Modifikation des Kohlenstoffs mit der Summenformel C18, die bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt stabil ist.

Weitere Formen des Kohlenstoffs

Amorpher Kohlenstoff

In amorphem Kohlenstoff (a-C) sind die Atome ohne langreichweitige Ordnung vernetzt. Das Material lässt sich mit nahezu beliebigen sp2:sp3-Hybridisierungsverhältnissen herstellen, wobei die Materialeigenschaften fließend von denen des Graphits zu denen des Diamanten übergehen. In der Industrie wird in diesem Fall häufig der Begriff Diamond-like Coating oder Diamond-like Carbon (DLC) verwendet. Bei einem sp3-Hybridisierungsanteil von über 70 % spricht man von tetraedrisch amorphem Kohlenstoff (ta-C). Dieses Material zeichnet sich durch hohen elektrischen Widerstand, extreme Härte und optische Transparenz aus. Die Herstellung kann mittels PVD- oder PECVD-Methoden erfolgen. Das Material wird dabei als Schicht abgeschieden (amorphe Kohlenstoffschicht).

Kohlenstoff-Fasern

Hauptartikel: Kohlenstofffaser

Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff. Isotrope Fasern verhalten sich ähnlich wie polykristalliner Graphit und besitzen nur geringe Festigkeiten. Fasermatten und -bündel werden für Wärmedichtungen eingesetzt. Durch Strecken bei der Herstellung ist es möglich, die Basalebenen entlang der Faserachse auszurichten. Man erhält hochfeste Fasern mit Eigenschaften, die den theoretischen Werten von Graphit entlang der Basalebenen nahekommen. Anisotrope Kohlenstofffasern sind leicht, außerordentlich steif und fest und werden in Verbundwerkstoffen genutzt.

Glaskohlenstoff

Ein großes Stück Glas-Kohlenstoff.
Hauptartikel: Glaskohlenstoff

Glaskohlenstoff („Glassy Carbon“) ist ein hochtechnologischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige und keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint. Im Gegensatz zu Graphit besitzt Glaskohlenstoff eine fullerenartige Mikrostruktur. Dadurch ergibt sich eine große Vielfalt positiver Materialeigenschaften. Die Leitfähigkeit ist zum Beispiel geringer als bei Graphit.

Graphen

Hauptartikel: Graphen
Graphen-Modell

Als Graphen bezeichnet man eine Graphit-Basalebene von sp2-hybridisiertem Kohlenstoff. Man erhält die dünnen Schichten durch chemisches Spalten von Graphit. Eingebettet in Kunststoffen eignet es sich als Ausgangsmaterial für neue Verbundwerkstoffe oder für Untersuchungen von zweidimensionalen Kristallen, außerdem wird an Anwendungen in der Elektronik geforscht.

Aktivkohle

Hauptartikel: Aktivkohle

Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert gelöste Stoffe in geringer Konzentration aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

Ruß

Hauptartikel: 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.

Kohlenstoffnanoröhren

Hauptartikel: Kohlenstoffnanoröhre

Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp2-hybridisierte 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).

Carbon nanobuds

Hauptartikel: Carbon nanobud

Carbon nanobuds kombinieren die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen.

Kohlenstoffnanoschaum

Hauptartikel: Kohlenstoffnanoschaum

Kohlenstoffnanoschaum, ein Aerogel, ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Graphitebenen. Er ähnelt dem Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren vernetzten Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern.

Davon zu unterscheiden ist Kohlenstoff-Aerogel, das aus zusammengewachsenen Nanopartikeln besteht. Seine Dichte liegt bei 200 bis 1000 kg/m3.

Aerographit

Hauptartikel: Aerographit

Aerographit besteht aus einem Netzwerk poröser Kohlenstoffröhrchen und ist mit einer Dichte von 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter einer der leichtesten Feststoffe der Welt. Aerographit lässt sich um bis zu 95 % komprimieren und wieder in die ursprüngliche Form auseinanderziehen.

Nicht-graphitischer Kohlenstoff

„Nicht-graphitischer Kohlenstoff besteht aus Schichten von hexagonal angeordneten, sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Diese Schichten sind ohne jegliche dreidimensionale Fernordnung annähernd parallel gestapelt.“ Dieses Material besteht aus gegeneinander verdrehten und verschobenen Stapeln aus Graphenschichten. Diese Anordnung wird auch als turbostratisch bezeichnet. Hierbei kann der Abstand der Schichten untereinander deutlich von dem in Graphit gefundenen Schichtabstand abweichen. Die Mikrostrukturanalyse des Materials ist unter anderem mittels WAXS möglich, aufgrund der durch die signifikante Unordnung bedingten breiten und sich überlappenden Maxima können jedoch Standard-Verfahren wie die Scherrer-Gleichung nicht angewandt werden.

Carbin (Perlenketten)

Hauptartikel: Carbin

Innerhalb doppelwandiger Nanoröhrchen ist es im Jahre 2016 gelungen, als Carbin bezeichnete geradlinige Ketten zu synthetisieren, die aus mehr als 6000 Atomen bestehen.

Q-carbon

Hauptartikel: Q-Carbon

Q-Carbon ist eine künstlich hergestellte diamantartige allotrope Form des Kohlenstoffs, die als ferromagnetisch und härter als Diamant beschrieben wird.

Kohlenstoff ist das Element, das nach Wasserstoff die meisten Verbindungen aller Elemente bilden kann (Wasserstoff steht an erster Stelle, weil die meisten Kohlenstoffverbindungen auch Wasserstoff enthalten). Besonderheiten des Kohlenstoffs sind es, Ketten und Ringe mit sich selbst und anderen Elementen sowie Doppel- und Dreifachbindungen unter Beteiligung von π-Orbitalen zu bilden. Aufgrund seiner mittelstarken Elektronegativität hat er ein gutes Bindungsvermögen sowohl zu elektropositiveren als auch zu elektronegativeren Elementen. Alle Oxidationsstufen von −IV bis +IV kommen in der Natur in anorganischen oder organischen Verbindungen vor.

Kohlenstoffverbindungen werden traditionell bis auf wenige Ausnahmen zur organischen Chemie gezählt; diese wird auch manchmal als Chemie des Kohlenstoffs bezeichnet. 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. Zu den einfachsten organischen Verbindungen zählen die Alkane Methan und Ethan.

Nur relativ wenige Kohlenstoffverbindungen werden traditionell zu den anorganischen Verbindungen gestellt, darunter mengenmäßig am bedeutendsten die Sauerstoff-Verbindungen:

  • Carbide, Kohlenstoff-Element-Verbindungen des Typs ExCy, bei denen der Kohlenstoff der elektronegativere Reaktionspartner ist. Viele Metalle können Carbide bilden, die teilweise sehr hart sind und für Schneidwerkzeuge (z. B. Wolframcarbid) verwendet werden.
  • Kohlenstoffdioxid CO2 ist ein durch viele Verbrennungsvorgänge entstehendes Treibhausgas. Es wird von den meisten Lebewesen ausgeatmet und von Pflanzen in der Photosynthese verwendet. Kohlenstoffdioxid ist inzwischen zu etwa 0,04 % Bestandteil der Atmosphäre, in der vorindustriellen Aera betrug der Anteil 0,028 %.
  • Kohlensäure H2CO3 ist ein metastabiles Produkt aus Wasser und im Wasser gelöstem CO2; eine mittelstarke Säure, die aber bezüglich der ständigen Umwandlung zwischen Kohlensäure und gelöstem CO2 meist mit dem CO2 zusammengefasst wird.
  • Carbonate E2+ CO32− sind die zweiwertigen Salze der Kohlensäure. Die beiden bekanntesten Carbonate sind Natriumcarbonat, Trivialname Soda, ein wichtiger Grundstoff für die Glasherstellung, und Calciumcarbonat, aus dem z. B. Muscheln, Schnecken ihre Schalen aufbauen und das Steinkorallen abscheiden. Das von ihnen und durch andere Prozesse über lange Zeiträume gebildete Calciumcarbonat bildet heute ganze Gebirge (siehe: Kalkstein). Calciumcarbonat ist weiterhin ein wichtiger Baustoff.
  • Kohlenstoff-Schwefel-Verbindungen, von denen die bekannteste Verbindung Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS2), eine sehr giftige Flüssigkeit, ist.
  • Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen, wie die Cyanide, deren bekanntester Vertreter Kaliumcyanid ein sehr starkes, die Atmung blockierendes Gift ist. Viele andere Cyanide sind ähnlich giftig.
14C-Kreislauf

Es sind insgesamt 15 Isotope zwischen 8C und 23C des Kohlenstoffs bekannt. Von diesen sind zwei, die Isotope 12C und 13C stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größeren Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist 12C mit 98,93 %, 13C hat einen Anteil von 1,07 %. Die langlebigsten instabilen Isotope sind 11C, das mit einer Halbwertszeit von 20,364 Minuten unter β+-Strahlung in 11B übergeht und 14C, das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren unter Betazerfall zu 14N zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.

12C ist laut Definition der Bezugspunkt für die Einheit der Atommasse. 13C kann man in NMR-spektroskopischen Untersuchungen detektieren, da es, anders als 12C, über ein magnetisches Moment verfügt. Das Verhältnis dieser beiden Isotope heißt Δ13C und wird in der Geochemie, Paläoklimatologie und Paläozeanographie benutzt.

14C entsteht durch die Reaktion von 14N mit kosmischer Strahlung. Lebewesen, die am Kohlenstoffzyklus teilnehmen, zeigen den gleichen Anteil an 14C bezüglich der gesamten enthaltenen Kohlenstoffmenge wie die Atmosphäre. Nach dem Ende des Stoffwechsels, also beispielsweise nach der Fällung eines Baums, verringert sich dieser Anteil allmählich durch den radioaktiven Zerfall. Die Bestimmung des Anteils von 14C zum gesamten Kohlenstoffgehalt erlaubt daher eine Altersbestimmung an Gegenständen aus organischem Material, die Radiokarbonmethode, die vor allem in der Archäologie Verwendung findet.

Aus Erdgas oder Erdöl gewonnenes, und aus dem Erdmantel stammendes CO2 enthält so gut wie kein 14C, das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zerfällt, im Vergleich zum CO2 aus der Luft, wo das 14C-Isotop laufend nachgebildet wird. 14C kann daher als eine Art Tracer verwendet werden, um mithilfe von Szintillationsspektrometern den Weg oder den Gehalt von Molekülen, die auf Erdöl basieren oder aus dem Erdmantel stammen, in Pflanzen zu bestimmen. Beispielsweise den CO2-Transport in der Atmungskette.

Das kurzlebige Isotop 11C findet Anwendung als PET-Nuklid. Dazu wird es an einem Zyklotron erzeugt und mittels geeigneter chemischer Verfahren zu Radiopharmaka wie [11C]-Cholin umgesetzt.

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Kohlenstoff
kohlenstoff, chemisches, element, symbol, ordnungszahl, sprache, beobachten, bearbeiten, urgerm, kohle, oder, carbon, carbō, holzkohle, latinisiert, carboneum, oder, carbonium, chemisches, element, elementsymbol, ordnungszahl, periodensystem, steht, vierten, h. Kohlenstoff chemisches Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6 Sprache Beobachten Bearbeiten Kohlenstoff von urgerm kul a kul ō n Kohle oder Carbon von lat carbō Holzkohle latinisiert Carboneum oder Carbonium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol C und der Ordnungszahl 6 Im Periodensystem steht es in der vierten Hauptgruppe bzw der 14 IUPAC Gruppe oder Kohlenstoffgruppe sowie der zweiten Periode Eigenschaften He 2s2 2p2 6 C PeriodensystemAllgemeinName Symbol Ordnungszahl Kohlenstoff C 6Elementkategorie NichtmetalleGruppe Periode Block 14 2 pAussehen schwarz Graphit farblos Diamant gelbbraun Lonsdaleit dunkelgrau Chaoit CAS Nummer 7440 44 0 7782 42 5 Graphit 7782 40 3 Diamant EG Nummer 231 153 3ECHA InfoCard 100 028 321Massenanteil an der Erdhulle 0 087 1 Atomar 2 Atommasse 12 011 12 0096 12 0116 3 4 uAtomradius berechnet 70 67 pmKovalenter Radius 76 pmVan der Waals Radius 170 pmElektronenkonfiguration He 2s2 2p21 Ionisierungsenergie 11 260 288 0 11 eV 5 1 086 45 kJ mol 6 2 Ionisierungsenergie 24 383 154 16 eV 5 2 352 62 kJ mol 6 3 Ionisierungsenergie 47 88778 25 eV 5 4 620 47 kJ mol 6 4 Ionisierungsenergie 64 49352 19 eV 5 6 222 68 kJ mol 6 5 Ionisierungsenergie 392 090 515 25 eV 5 37 831 kJ mol 6 Physikalisch 2 Aggregatzustand festModifikationen 3 u a Graphit G und Diamant D Kristallstruktur G hexagonal D kubisch flachenzentriertDichte G 2 26 g cm3 D 3 51 g cm3 7 Mohsharte G 0 5 D 10Magnetismus diamagnetisch D Xm 2 2 10 5 8 G x m displaystyle chi m bis 4 5 10 4 9 Sublimationspunkt 3915 10 K 3642 C Molares Volumen G 5 31 10 6 m3 mol D 3 42 10 6 m3 mol 1Verdampfungswarme Sublimation 715 kJ molSchallgeschwindigkeit D 18350 m s 1Spezifische Warmekapazitat G 709 J kg K 11 D 427 J kg 1 K 1Austrittsarbeit 4 81 eVChemisch 2 Oxidationszustande 4 3 2 1 0 1 2 3 4Elektronegativitat 2 55 Pauling Skala IsotopeIsotop NH t1 2 ZA ZE MeV ZP10C syn 19 255 s e 3 648 10B11C syn 20 39 min b e 1 982 11B12C 98 9 Stabil13C 1 1 Stabil14C lt 10 9 5730 a b 0 156 14N15C syn 2 449 s b 9 772 15N16C syn 0 747 s b 8 012 16NWeitere Isotope siehe Liste der IsotopeNMR Eigenschaften Spin Quanten zahl I g in rad T 1 s 1 Er 1H fL bei B 4 7 T in MHz12C 0 0 13C 1 2 6 728 107 0 0159 0 50 33SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnung 12 keine GHS PiktogrammeH und P Satze H keine H SatzeP keine P Satze 12 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Es kommt in der Natur sowohl in gediegener reiner Form Diamant Graphit Chaoit als auch chemisch gebunden z B in Form von Carbiden Carbonaten Kohlenstoffdioxid Erdol Erdgas und Kohle vor Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration halbgefullte L Schale besitzt es die Fahigkeit zur Bildung komplexer Molekule und weist von allen chemischen Elementen die grosste Vielfalt an chemischen Verbindungen auf Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff und seine Verbindungen zur Grundlage des Lebens auf der Erde Inhaltsverzeichnis 1 Vorkommen 2 Eigenschaften 2 1 Physikalische Eigenschaften 2 2 Chemische Eigenschaften 3 Atommodell des Kohlenstoffs 3 1 Diamant Struktur sp3 3 2 Graphit Struktur sp2 3 3 Dreifachbindung sp1 4 Erscheinungsformen des Kohlenstoffs 4 1 Modifikationen 4 1 1 Graphit 4 1 2 Diamant 4 1 3 Lonsdaleit 4 1 4 Chaoit 4 1 5 Fullerene 4 1 6 Cyclo 18 carbon 4 2 Weitere Formen des Kohlenstoffs 4 2 1 Amorpher Kohlenstoff 4 2 2 Kohlenstoff Fasern 4 2 3 Glaskohlenstoff 4 2 4 Graphen 4 2 5 Aktivkohle 4 2 6 Russ 4 2 7 Kohlenstoffnanorohren 4 2 8 Carbon nanobuds 4 2 9 Kohlenstoffnanoschaum 4 2 10 Aerographit 4 2 11 Nicht graphitischer Kohlenstoff 4 2 12 Carbin Perlenketten 4 2 13 Q carbon 5 Verbindungen 6 Isotope 7 Literatur 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseVorkommen Hauptartikel Kohlenstoffzyklus Kohlenstoffzyklus Die schwarzen Zahlen geben an wie viele Gigatonnen Kohlenstoff Gt C in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind Die violetten Zahlen geben an wie viele Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr Gt a C zwischen den einzelnen Speichern ausgetauscht werden Kohlenstoff ist ein essenzielles Element der Biosphare es ist in allen Lebewesen nach Sauerstoff Wasser dem Gewicht nach das bedeutendste Element Alles lebende Gewebe ist aus organischen Kohlenstoffverbindungen aufgebaut Geologisch dagegen zahlt Kohlenstoff nicht zu den haufigsten Elementen denn in der Erdkruste betragt der Massenanteil von Kohlenstoff nur 0 027 13 In der unbelebten Natur findet sich Kohlenstoff sowohl elementar Diamant Graphit als auch in Verbindungen Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika v a Sudafrika und die Demokratische Republik Kongo und Russland Diamanten findet man haufig in vulkanischen Gesteinen wie Kimberlit Graphit kommt relativ selten in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein vor Die wichtigsten Vorkommen liegen in Indien und China Mehr als die Halfte des Kohlenstoffs liegt in Form von anorganischem Carbonatgestein vor 13 ca 2 8 1016 t Carbonatgesteine sind weit verbreitet und bilden zum Teil Gebirge Ein bekanntes Beispiel fur Carbonat Gebirge sind die Dolomiten in Italien Die wichtigsten Carbonat Mineralien sind Calciumcarbonat Modifikationen Kalkstein Kreide Marmor CaCO3 Calcium Magnesium Carbonat Dolomit CaCO3 MgCO3 Eisen II carbonat Eisenspat FeCO3 und Zinkcarbonat Zinkspat ZnCO3 Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Rohstoffe Kohle Erdol und Erdgas Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen sondern Mischungen vieler verschiedener organischer Verbindungen Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher Kohle und tierischer Erdol Erdgas Uberreste unter hohem Druck Wichtige Kohlevorkommen liegen in den USA China und Russland ein bekanntes deutsches im Ruhrgebiet Die wichtigsten Erdolvorrate liegen auf der arabischen Halbinsel Irak Saudi Arabien Weitere wichtige Olvorkommen gibt es im Golf von Mexiko und in der Nordsee Uber festes Methanhydrat in der Tiefsee ist noch wenig bekannt Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als Kohlenstoffdioxid kurz Kohlendioxid vor Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen bei der Atmung sowie vulkanisch und wird durch Photosynthese der Pflanzen verwertet Auch in Wasser ist CO2 gelost ca 0 01 Massenanteil im Meer Mit Stand 2015 waren ca 830 Mrd Tonnen Kohlenstoff in der Atmosphare vorhanden Da durch die Verbrennung fossiler Energietrager seit Beginn der Industrialisierung den Stoffflussen in der Umwelt zuvor langfristig gebundenes CO2 hinzugefugt wird steigt der Anteil an der Zusammensetzung der Luft sukzessive an 2015 betrug der Anteil 400 ppm bzw 0 04 ein Anstieg von ca 120 ppm gegenuber dem vorindustriellen Wert von 280 ppm Insgesamt wurden seit Beginn der Industrialisierung ca 530 Mrd Tonnen Kohlenstoff durch fossile Energietrager freigesetzt von denen etwa knapp die Halfte in der Atmosphare verblieb und jeweils gut ein Viertel von Ozeanen und Landokosystemen aufgenommen wurde 14 Mengenmassig ist der uberwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Gesteinshulle Lithosphare gespeichert Alle anderen Vorkommen machen mengenmassig nur etwa 1 1000 des Gesamt Kohlenstoffs aus Eigenschaften Phasendiagramm des Kohlenstoffs Physikalische Eigenschaften Kohlenstoff kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor Alle Feststoffe auf Kohlenstoff Basis lassen sich auf die beiden Grundtypen Diamant und Graphit zuruckfuhren Im Diamant ist Kohlenstoff dreidimensional kovalent gebunden Diamant ist ein Isolator und transparent Er ist das harteste bekannte naturliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt Im Graphit ist die kovalente Bindung innerhalb der Basalebenen starker als die beim Diamant wahrend die Ebenen locker uber Van der Waals Krafte gebunden sind Die freien p Elektronen sind verantwortlich fur die tiefschwarze Farbe die leichte Spaltbarkeit und die hohe Leitfahigkeit entlang der Basalebenen Graphit dient als hochtemperaturbestandiges Dichtungsmaterial und Schmiermittel sowie als Grundstoff fur Bleistiftminen Molvolumen von Graphit als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur Molvolumen von Diamant als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur Im Gegensatz zur landlaufigen Meinung sind die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit jedoch keine Eigenschaft von Graphit an sich sondern werden nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren gefunden In Vakuen oder sehr trockener Atmosphare steigt der Reibungskoeffizient von Graphit daher drastisch an 15 Bei Normaldruck und Temperaturen unterhalb 4000 K ist Graphit die thermodynamisch stabile Modifikation des Kohlenstoff siehe Phasendiagramm Wegen der hohen Aktivierungsenergie ist auch Diamant bei Raumtemperatur stabil und wandelt sich erst oberhalb 500 C merklich in Graphit um Umgekehrt erfordert die Transformation von Graphit in Diamant einen Druck von mindestens 20 000 bar 2 GPa Fur eine ausreichend schnelle Reaktion sollte die Temperatur oberhalb von 1500 C liegen bei einem Druck von 60 000 bar entsprechend dem Phasendiagramm Kohlenstoff hat die hochste Temperaturbestandigkeit aller bekannten Materialien Er sublimiert bei Normaldruck bei 3915 K 3642 C 10 ohne vorher an Festigkeit einzubussen Der Tripelpunkt liegt bei 10 8 0 2 MPa und 4600 300 K 16 17 Kohlenstoff ist diamagnetisch Pyrolytisch abgeschiedener Graphit hat eine grosse Anisotropie in der magnetischen Suszeptibilitat parallel x m displaystyle chi m 85 10 6 senkrecht x m displaystyle chi m 450 10 6 9 Diamant ist dagegen isotrop x m displaystyle chi m 22 10 6 In seinen verschiedenen Modifikationen zeigt Kohlenstoff sehr unterschiedliche Eigenschaften Kohlenstoff ist das harteste Element als kristalliner Diamant wird auf der Harteskala nach Knoop der absolute Hochstwert von 90 GPa erreicht In der Form des Graphits ist Kohlenstoff nach Rubidium und Casium mit 0 12 GPa das drittweichste Element Kohlenstoff besitzt auch die hochste Warmeleitfahigkeit die bei Raumtemperatur weit uber 2000 W m K liegt 18 Chemische Eigenschaften Molekularer Kohlenstoff weist aufgrund seiner stabilen Konfiguration eine geringe chemische Aktivitat auf Er kann eine Reaktion eingehen wenn dem Atom zusatzliche Energie zugefuhrt wird und die Elektronen der Aussenhulle abbrechen mussen In diesem Moment wird die Wertigkeit des Elements 4 und aus diesem Grund hat Kohlenstoff in Verbindungen einen Oxidationsstufe von 2 4 und 4 Alle Reaktionen von Kohlenstoff mit Metallen und Nichtmetallen finden bei hohen Temperaturen statt Dieses Element kann sowohl ein Oxidationsmittel als auch ein Reduktionsmittel sein Die reduzierenden Eigenschaften von Kohlenstoff sind stark so dass das Element in der Metallindustrie verwendet wird Die Fahigkeit von Kohlenstoff chemische Reaktionen einzugehen hangt von Faktoren wie der Reaktionstemperatur der allotropen Modifikation und dem Dispersionsgrad ab Er reagiert nicht mit Laugen und Sauren und sehr selten mit Halogenen Eine der Haupteigenschaften von Kohlenstoff ist die Fahigkeit des Elements lange Ketten zwischen sich zu bilden Die Ketten schliessen sich zyklisch und es bilden sich Verzweigungen Auf diese Weise entstehen millionenfach organische Verbindungen Diese Verbindungen konnen auch andere Elemente enthalten Sauerstoff Stickstoff Schwefel Phosphor Halogene oder Metalle 19 Atommodell des Kohlenstoffs Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms im Grundzustand Das Modell der Atom und Molekulorbitale veranschaulicht wie es zu der unterschiedlichen Auspragung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt 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 ausseren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s Niveau ist kugelformig In einem p Niveau ist sie anisotrop Die Elektronen bevolkern einen sanduhrformigen Raum jeweils eine Sanduhrhalfte links und rechts vom Zentrum entlang der x Achse wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystems platziert vorstellt Senkrecht dazu stehen das py und pz Orbital gemass y und z Achse Diamant Struktur sp3 Vier sp3 Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus Das 2s Niveau kann mit den 3 2p Niveaus hybridisieren und 4 energetisch gleichwertige sp3 Orbitale bilden Dies kann man anschaulich so erklaren dass eines der s Elektronen in das vorher leere p Orbital gehoben wird und sich dabei die Orbitalenergien aller vier Orbitale der zweiten Stufe angleichen Die neu entstehenden Orbitale besitzen eine langgestreckte asymmetrische Tropfenform Waren die Formen der p Orbitale punktsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung vergrossert Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen die Nebenkeulen wurden ubersichtlichkeitshalber fortgelassen Die vier sp3 Orbitale sind mit grosstmoglichem Abstand zueinander symmetrisch im Raum orientiert sie zeigen in die Ecken eines imaginaren Tetraeders Uberlappen sich die sp3 Orbitale von Atomen konnen sie feste kovalente Bindungen bilden die dann die tetraedrische Struktur widerspiegeln Sie bilden das Grundgerust des Diamantgitters siehe Kristallstruktur dort Graphit Struktur sp2 Drei sp2 Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch trigonal zueinander aus Sind nur 2 der 3 p Orbitale an der Hybridisierung beteiligt entstehen die so genannten sp2 Orbitale Die sp2 Orbitale richten sich zweidimensional als Flache bzw Ebene aus ober und unterhalb dieser Flache formt das ubrigbleibende p Orbital jeweils einen Orbitallappen Steht beispielsweise das p Orbital senkrecht auf der xy Ebene liegen die sp2 Orbitale trigonal in der xy Ebene Sie haben den gleichen Winkel von 120 zueinander Das Bild links veranschaulicht die Situation Das unhybridisierte p Orbital ist der Ubersichtlichkeit halber weggelassen sp2 Kohlenstoff Atome konnen miteinander kovalente Bindungen bilden die dann in einer Ebene liegen Ihre Struktur ist trigonal dies ist die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits siehe Kristallgitterstruktur dort Die ubriggebliebenen p Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander Sie formen die pi Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma Bindungen der sp2 beziehungsweise sp3 Orbitale und bilden ober und unterhalb der sigma Bindungsebene ein sogenanntes Elektronengas in Form atomrumpfunabhangiger delokalisierter pi Elektronen Chemisch spricht man von einer Doppelbindung Die Schreibweise C C vernachlassigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3 Einfachbindung C C liegt bei 350 kJ mol die der graphitartigen trigonalen sp2 Doppelbindung C C nur um 260 kJ mol hoher In einem hexagonalen Kohlenstoff Ring mit sechs Kohlenstoff Atomen stabilisiert sich die pi Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings mehr dazu siehe Benzol Dreifachbindung sp1 Wenn nur ein p Orbital mit dem s Orbital hybridisiert ergeben sich zwei linear angeordnete pi Bindungskeulen Orientieren wir sie entlang der x Achse liegen die verbliebenen p Orbitale auf den y und z Achsen Zwei sp hybridisierte Atome konnen eine Kohlenstoff Dreifachbindung formen Ein Beispiel ist das Gas Ethin Acetylen HC CH Wahrend sp3 Bindungen dreidimensionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale bilden sp1 Bindungen hochstens eindimensionale lineare Ketten wie zum Beispiel H C C C C H Erscheinungsformen des Kohlenstoffs a Diamant b Graphit c Lonsdaleit d Buckminsterfulleren C60 e Fulleren C540 f Fulleren C70 g Amorpher Kohlenstoff h Nanorohrchen Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen basierend auf den Bindungsstrukturen sp3 und sp2 Diamant Graphit und Fulleren Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs Modifikationen Graphit Hauptartikel Graphit Die sp2 kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff Atome formen hochfeste Ebenen Die Ebenen untereinander sind nur locker uber Van der Waals Krafte gebunden Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen Da die Ebenen so dunn sind tritt ihre ausserordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung Wegen dieser Struktur verhalt sich Graphit sehr anisotrop Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfahig Warmeleitung oder Ladungsubertragung von Kristallebene zu Kristallebene funktioniert hingegen relativ schlecht Diamant Ein naturlicher Diamant im Tropfenschliff Hauptartikel Diamant Die sp3 kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff Atome besitzen keine freien Elektronen Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlucke von 5 45 eV der sichtbares Licht nicht absorbiert Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustande in der Bandlucke und verandert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften So ist der gelbliche Ton vieler naturlicher Diamanten auf Stickstoff zuruckzufuhren wahrend mit Bor dotierte Diamanten blaulich aussehen und halbleitend sind Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluss bei Temperaturen um 1500 C in Graphit um Er verbrennt bereits bei ungefahr 700 800 C zu Kohlendioxid Diamant gilt unter Normalbedingungen 1 bar 25 C gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher weil die thermodynamische Stabilitat zu niedrigen P T Bedingungen lediglich extrapoliert ist bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluss der Umgebung geringe Spuren von Verunreinigungen die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen konnen bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben nicht berucksichtigt wurde wird 20 21 und schliesslich Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen dass in einer Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren Lonsdaleit Hauptartikel Lonsdaleit Lonsdaleit auch als hexagonaler Diamant bezeichnet ist eine sehr seltene Modifikation des Diamanten Er entsteht wenn Graphit durch Schockereignisse das heisst hohen Druck und hohe Temperatur wie beispielsweise durch Impaktereignisse in Diamant umgewandelt wird Dabei bleibt der hexagonale Charakter der Kristallstruktur erhalten jedes Kohlenstoffatom ist jedoch im Gegensatz zu Graphit an vier weitere kovalent gebunden Chaoit Hauptartikel Chaoit Chaoit ist eine sehr seltene Modifikation die ahnlich wie Graphit im hexagonalen Kristallsystem kristallisiert jedoch mit anderen Gitterparametern und leicht abweichender Kristallstruktur Er entsteht ahnlich wie Lonsdaleit durch Schock Metamorphose in graphitischem Gneis Fullerene Fulleren C60 Kristalle Hauptartikel Fullerene Ein regulares hexagonales Wabenmuster wie es die C Atome in den Basalebenen des Graphits ausbilden ist planar Ersetzt man einige Sechsecke durch Funfecke entstehen gekrummte Flachen die sich bei bestimmten relativen Anordnungen der Funf und Sechsringe zu geschlossenen Korpern aufrollen In den Fullerenen sind derartige Strukturen realisiert Die sp2 Bindungen liegen dabei nicht mehr in einer Ebene sondern bilden ein raumlich geschlossenes Gebilde Die kleinste mogliche Struktur besteht nur noch aus Funfecken und erfordert 20 Kohlenstoff Atome der dazugehorige Korper ist ein Pentagon Dodekaeder Dieses einfachste Fulleren ist bislang aber nur massenspektrometrisch nachgewiesen worden Eines der stabilsten Fullerene besteht aus 60 Kohlenstoff Atomen und enthalt neben Sechsecken nur Funfecke die mit keinem anderen Funfeck eine gemeinsame Kante besitzen Das so entstehende Muster abgestumpftes Ikosaeder ein archimedischer Korper gleicht dem Muster auf einem altmodischen Fussball Es wird zu Ehren von Richard Buckminster Fuller als Buckminster Fulleren bezeichnet Die Molekul Kugeln der Fullerene sind untereinander uber relativ schwache Van der Waals Wechselwirkungen gebunden ahnlich wie die Basalebenen im Graphit Mittlerweile sind etliche Fullerene unterschiedlicher Grosse isoliert und teilweise auch kristallisiert worden sie konnen daher als echte Modifikation en gelten Fullerene kommen vermutlich in allen Russen vor so zum Beispiel auch in dem Russ uber Kerzenflammen Strukturformel von Cyclo 18 carbon Cyclo 18 carbon Hauptartikel Cyclo 18 carbon Cyclo 18 carbon ist eine 2019 entdeckte cyclische Modifikation des Kohlenstoffs mit der Summenformel C18 die bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt stabil ist 22 Weitere Formen des Kohlenstoffs Amorpher Kohlenstoff In amorphem Kohlenstoff a C sind die Atome ohne langreichweitige Ordnung vernetzt Das Material lasst sich mit nahezu beliebigen sp2 sp3 Hybridisierungsverhaltnissen herstellen wobei die Materialeigenschaften fliessend von denen des Graphits zu denen des Diamanten ubergehen In der Industrie wird in diesem Fall haufig der Begriff Diamond like Coating oder Diamond like Carbon DLC verwendet Bei einem sp3 Hybridisierungsanteil von uber 70 spricht man von tetraedrisch amorphem Kohlenstoff ta C Dieses Material zeichnet sich durch hohen elektrischen Widerstand extreme Harte und optische Transparenz aus Die Herstellung kann mittels PVD oder PECVD Methoden erfolgen Das Material wird dabei als Schicht abgeschieden amorphe Kohlenstoffschicht Kohlenstoff Fasern Hauptartikel Kohlenstofffaser Kohlenstoff Fasern bestehen aus graphitartig sp2 gebundenem Kohlenstoff Isotrope Fasern verhalten sich ahnlich wie polykristalliner Graphit und besitzen nur geringe Festigkeiten Fasermatten und bundel werden fur Warmedichtungen eingesetzt Durch Strecken bei der Herstellung ist es moglich die Basalebenen entlang der Faserachse auszurichten Man erhalt hochfeste Fasern mit Eigenschaften die den theoretischen Werten von Graphit entlang der Basalebenen nahekommen Anisotrope Kohlenstofffasern sind leicht ausserordentlich steif und fest und werden in Verbundwerkstoffen genutzt Glaskohlenstoff Ein grosses Stuck Glas Kohlenstoff Hauptartikel Glaskohlenstoff Glaskohlenstoff Glassy Carbon ist ein hochtechnologischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff der glasartige und keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint Im Gegensatz zu Graphit besitzt Glaskohlenstoff eine fullerenartige Mikrostruktur Dadurch ergibt sich eine grosse Vielfalt positiver Materialeigenschaften Die Leitfahigkeit ist zum Beispiel geringer als bei Graphit Graphen Hauptartikel Graphen Graphen Modell Als Graphen bezeichnet man eine Graphit Basalebene von sp2 hybridisiertem Kohlenstoff Man erhalt die dunnen Schichten durch chemisches Spalten von Graphit Eingebettet in Kunststoffen eignet es sich als Ausgangsmaterial fur neue Verbundwerkstoffe oder fur Untersuchungen von zweidimensionalen Kristallen ausserdem wird an Anwendungen in der Elektronik geforscht Aktivkohle Hauptartikel Aktivkohle Aktivkohle Behutsames Graphitieren von organischen Materialien wie zum Beispiel Kokosnuss Schalen fuhrt zu einem porosen Kohlenstoff Die Hohlraume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr grosse innere Oberflache Aktivkohle filtert geloste Stoffe in geringer Konzentration aus Flussigkeiten und kann Gase adsorbieren Russ Hauptartikel 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 grosserer Graphit Verbande verhindern Kohlenstoffnanorohren Hauptartikel Kohlenstoffnanorohre Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete sp2 hybridisierte Kohlenstoffatome Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit die zu einem Zylinder aufgerollt wird Die entstandene Rohre kann zusatzlich noch verdreht sein wodurch sich die elektrischen Eigenschaften andern Es konnen mehrere einwandige Rohren konzentrisch ineinander liegen so dass man von multiwalled carbon nanotubes MWCNT spricht im Gegensatz zu single walled carbon nanotubes SWCNT Carbon nanobuds Hauptartikel Carbon nanobud Carbon nanobuds kombinieren die Eigenschaften von Kohlenstoffnanorohren und Fullerenen Kohlenstoffnanoschaum Hauptartikel Kohlenstoffnanoschaum Kohlenstoffnanoschaum ein Aerogel ist eine zufallig orientierte netzartige Anordnung von Kohlenstoff Graphitebenen Er ahnelt dem Glaskohlenstoff nur mit deutlich grosseren vernetzten Hohlraumen Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern Davon zu unterscheiden ist Kohlenstoff Aerogel das aus zusammengewachsenen Nanopartikeln besteht Seine Dichte liegt bei 200 bis 1000 kg m3 Aerographit Hauptartikel Aerographit Aerographit besteht aus einem Netzwerk poroser Kohlenstoffrohrchen und ist mit einer Dichte von 0 2 Milligramm pro Kubikzentimeter einer der leichtesten Feststoffe der Welt Aerographit lasst sich um bis zu 95 komprimieren und wieder in die ursprungliche Form auseinanderziehen Nicht graphitischer Kohlenstoff Nicht graphitischer Kohlenstoff besteht aus Schichten von hexagonal angeordneten sp2 hybridisierten Kohlenstoffatomen Diese Schichten sind ohne jegliche dreidimensionale Fernordnung annahernd parallel gestapelt 23 Dieses Material besteht aus gegeneinander verdrehten und verschobenen Stapeln aus Graphenschichten Diese Anordnung wird auch als turbostratisch bezeichnet Hierbei kann der Abstand der Schichten untereinander deutlich von dem in Graphit gefundenen Schichtabstand abweichen Die Mikrostrukturanalyse des Materials ist unter anderem mittels WAXS moglich aufgrund der durch die signifikante Unordnung bedingten breiten und sich uberlappenden Maxima konnen jedoch Standard Verfahren wie die Scherrer Gleichung nicht angewandt werden Carbin Perlenketten Hauptartikel Carbin Innerhalb doppelwandiger Nanorohrchen ist es im Jahre 2016 gelungen als Carbin bezeichnete geradlinige Ketten zu synthetisieren die aus mehr als 6000 Atomen bestehen 24 Q carbon Hauptartikel Q Carbon Q Carbon ist eine kunstlich hergestellte diamantartige allotrope Form des Kohlenstoffs die als ferromagnetisch und harter als Diamant beschrieben wird VerbindungenKohlenstoff ist das Element das nach Wasserstoff die meisten Verbindungen aller Elemente bilden kann Wasserstoff steht an erster Stelle weil die meisten Kohlenstoffverbindungen auch Wasserstoff enthalten Besonderheiten des Kohlenstoffs sind es Ketten und Ringe mit sich selbst und anderen Elementen sowie Doppel und Dreifachbindungen unter Beteiligung von p Orbitalen zu bilden Aufgrund seiner mittelstarken Elektronegativitat hat er ein gutes Bindungsvermogen sowohl zu elektropositiveren als auch zu elektronegativeren Elementen Alle Oxidationsstufen von IV bis IV kommen in der Natur in anorganischen oder organischen Verbindungen vor Kohlenstoffverbindungen werden traditionell bis auf wenige Ausnahmen zur organischen Chemie gezahlt diese wird auch manchmal als Chemie des Kohlenstoffs bezeichnet Die organische Chemie umfasst aufgrund der Fahigkeit 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 Zu den einfachsten organischen Verbindungen zahlen die Alkane Methan und Ethan Nur relativ wenige Kohlenstoffverbindungen werden traditionell zu den anorganischen Verbindungen gestellt darunter mengenmassig am bedeutendsten die Sauerstoff Verbindungen Carbide Kohlenstoff Element Verbindungen des Typs ExCy bei denen der Kohlenstoff der elektronegativere Reaktionspartner ist Viele Metalle konnen Carbide bilden die teilweise sehr hart sind und fur Schneidwerkzeuge z B Wolframcarbid verwendet werden Kohlenstoffmonoxid CO ist ein sehr giftiges Gas das stark reduzierend wirkt und bei der Metallverhuttung z B Eisen eine wichtige Rolle spielt Kohlenstoffdioxid CO2 ist ein durch viele Verbrennungsvorgange entstehendes Treibhausgas Es wird von den meisten Lebewesen ausgeatmet und von Pflanzen in der Photosynthese verwendet Kohlenstoffdioxid ist inzwischen zu etwa 0 04 Bestandteil der Atmosphare in der vorindustriellen Aera betrug der Anteil 0 028 Kohlensaure H2CO3 ist ein metastabiles Produkt aus Wasser und im Wasser gelostem CO2 eine mittelstarke Saure die aber bezuglich der standigen Umwandlung zwischen Kohlensaure und gelostem CO2 meist mit dem CO2 zusammengefasst wird Suboxide wie Trikohlenstoffdioxid Malonsaureanhydrid C3O2 Tetrakohlenstoffdioxid C4O2 Pentakohlenstoffdioxid C5O2 Oxalsaureanhydrid C4O6 und Mellitsaureanhydrid C12O9 Hydrogencarbonate oder Bicarbonate E HCO3 deren bekanntester Vertreter Natriumhydrogencarbonat unter anderem als Backtriebmittel verwendet wird Carbonate E2 CO32 sind die zweiwertigen Salze der Kohlensaure Die beiden bekanntesten Carbonate sind Natriumcarbonat Trivialname Soda ein wichtiger Grundstoff fur die Glasherstellung und Calciumcarbonat aus dem z B Muscheln Schnecken ihre Schalen aufbauen und das Steinkorallen abscheiden Das von ihnen und durch andere Prozesse uber lange Zeitraume gebildete Calciumcarbonat bildet heute ganze Gebirge siehe Kalkstein Calciumcarbonat ist weiterhin ein wichtiger Baustoff Kohlenstoff Schwefel Verbindungen von denen die bekannteste Verbindung Kohlenstoffdisulfid Schwefelkohlenstoff CS2 eine sehr giftige Flussigkeit ist Kohlenstoff Stickstoff Verbindungen wie die Cyanide deren bekanntester Vertreter Kaliumcyanid ein sehr starkes die Atmung blockierendes Gift ist Viele andere Cyanide sind ahnlich giftig Isotope 14C Kreislauf Es sind insgesamt 15 Isotope zwischen 8C und 23C des Kohlenstoffs bekannt Von diesen sind zwei die Isotope 12C und 13C stabil und kommen in der Natur vor Das Isotop mit dem grosseren Anteil an der naturlichen Isotopenzusammensetzung ist 12C mit 98 93 13C hat einen Anteil von 1 07 Die langlebigsten instabilen Isotope sind 11C das mit einer Halbwertszeit von 20 364 Minuten unter b Strahlung in 11B ubergeht und 14C das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren unter Betazerfall zu 14N zerfallt Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden 25 12C ist laut Definition der Bezugspunkt fur die Einheit der Atommasse 13C kann man in NMR spektroskopischen Untersuchungen detektieren da es anders als 12C uber ein magnetisches Moment verfugt Das Verhaltnis dieser beiden Isotope heisst D13C und wird in der Geochemie Palaoklimatologie und Palaozeanographie benutzt 14C entsteht durch die Reaktion von 14N mit kosmischer Strahlung Lebewesen die am Kohlenstoffzyklus teilnehmen zeigen den gleichen Anteil an 14C bezuglich der gesamten enthaltenen Kohlenstoffmenge wie die Atmosphare Nach dem Ende des Stoffwechsels also beispielsweise nach der Fallung eines Baums verringert sich dieser Anteil allmahlich durch den radioaktiven Zerfall Die Bestimmung des Anteils von 14C zum gesamten Kohlenstoffgehalt erlaubt daher eine Altersbestimmung an Gegenstanden aus organischem Material die Radiokarbonmethode die vor allem in der Archaologie Verwendung findet Aus Erdgas oder Erdol gewonnenes und aus dem Erdmantel stammendes CO2 enthalt so gut wie kein 14C das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zerfallt im Vergleich zum CO2 aus der Luft wo das 14C Isotop laufend nachgebildet wird 14C kann daher als eine Art Tracer verwendet werden um mithilfe von Szintillationsspektrometern den Weg oder den Gehalt von Molekulen die auf Erdol basieren oder aus dem Erdmantel stammen in Pflanzen zu bestimmen Beispielsweise den CO2 Transport in der Atmungskette Das kurzlebige Isotop 11C findet Anwendung als PET Nuklid Dazu wird es an einem Zyklotron erzeugt und mittels geeigneter chemischer Verfahren zu Radiopharmaka wie 11C Cholin umgesetzt LiteraturA F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 861 918 N N Greenwood A Earnshaw Chemie der Elemente 1 Auflage VCH Verlagsgesellschaft Weinheim 1988 ISBN 3 527 26169 9 S 327 419 Weblinks Wiktionary Kohlenstoff Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Commons Kohlenstoff Album mit Bildern Videos und Audiodateien Wikibooks Praktikum Anorganische Chemie Kohlenstoff Lern und Lehrmaterialien Wikibooks Wikijunior Die Elemente Elemente Kohlenstoff Lern und LehrmaterialienEinzelnachweise Harry H Binder Lexikon der chemischen Elemente S Hirzel Verlag Stuttgart 1999 ISBN 3 7776 0736 3 Die Werte fur die Eigenschaften Infobox sind wenn nicht anders angegeben aus www webelements com Kohlenstoff entnommen Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements ortlich schwanken kann ergibt sich fur das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich Siehe Michael E Wieser Tyler B Coplen Atomic weights of the elements 2009 IUPAC Technical Report In Pure and Applied Chemistry 2010 S 1 doi 10 1351 PAC REP 10 09 14 IUPAC Standard Atomic Weights Revised 2013 a b c d e Eintrag zu carbon in Kramida A Ralchenko Yu Reader J und NIST ASD Team 2019 NIST Atomic Spectra Database ver 5 7 1 Hrsg NIST Gaithersburg MD doi 10 18434 T4W30F https physics nist gov asd Abgerufen am 11 Juni 2020 a b c d e Eintrag zu carbon bei WebElements https www webelements com abgerufen am 11 Juni 2020 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 864 Robert C Weast Hrsg CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Chemical Rubber Publishing Company Boca Raton 1990 ISBN 0 8493 0470 9 S E 129 bis E 145 Werte dort sind auf g mol bezogen und in cgs Einheiten angegeben Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete masseinheitslose SI Wert a b M D Simon A K Geim Diamagnetic levitation Flying frogs and floating magnets In Journal of Applied Physics 87 2000 S 6200 6204 doi 10 1063 1 372654 a b David R Lide Hrsg CRC Handbook of Chemistry and Physics 90 Auflage Internet Version 2010 CRC Press Taylor and Francis Boca Raton FL Properties of the Elements and Inorganic Compounds S 4 8 David R Lide Hrsg CRC Handbook of Chemistry and Physics 90 Auflage Internet Version 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pac199567030473 Non graphitic carbons consists of layers of hexagonally arranged sp2 carbon atoms that are stacked nearly parallel without any three dimensional long range order Chemie Rekordlange Kohlenstoff als Perlenkette auf orf at 4 April 2016 abgerufen am 4 April 2016 G Audi F G Kondev Meng Wang W J Huang S Naimi The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties In Chinese Physics C 41 2017 S 030001 doi 10 1088 1674 1137 41 3 030001 Volltext Periodensystem der Elemente H HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts OgAlkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Ubergangsmetalle Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Halogene Edelgase Chemie unbekannt Normdaten Sachbegriff GND 4164538 8 OGND AKS LCCN 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