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Kohlenstoff (lat. Carboneum) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente, sein Symbol ist C, es hat 4 Bindungen und seine Protonenzahl beträgt 6. Kohlenstoff ist der Grundbaustein aller organischen Verbindungen und damit aller lebenden Organismen. Kohlenstoffverbindungen sind eine der Grundlagen der Weltwirtschaft, fossile Brennstoffe wie Erdgas und Kohle dienen als Energieträger für die Strom- und Wärmeerzeugung, die Produkte der Erdölverarbeitung (Benzin, Diesel, Schweröle) sind für den Antrieb notwendig Verbrennungsmotoren. Produkte der chemischen Industrie auf Basis von Kohlenstoff gehören zum Alltag, seien es Kunststoffe, Kunstfasern, Farben oder Medikamente.
Formen von Kohlenstoff
Elementarer Kohlenstoff
Kohlenstoff ist ein typisches nichtmetallisches Element, das als Mineral in seinem elementaren Zustand in der Natur in zwei Grundmodifikationen vorkommt und in den letzten rund 20 Jahren eine dritte Modifikation im Labor entstanden ist:
Graphit besteht aus Kohlenstoff, der in sechseckigen Schuppen kristallisiert und zu den weichsten bekannten Mineralien zählt. Diese Eigenschaft wird z.B. genutzt bei der Herstellung von Bleistiften, bei denen eine gemahlene Mischung aus Graphit und Kalkstein den Grundbestandteil des zum Schreiben oder Zeichnen bestimmten Stifts bildet.
Diamant besteht aus Kohlenstoff, der in einem Würfelsystem kristallisiert, ist ein sehr wertvolles Mineral und gehört zu den härtesten Materialien. Das Gewicht von Diamanten wird in Karat angegeben, der größte bisher gefundene Diamant war der Cullinan, der im Rohzustand 3.106 Karat (621,2 g) wog, als er in Südafrika gefunden wurde.[1]
Fullerene sind neu entdeckte kugelförmige Moleküle, die aus fünf oder häufiger sechsgliedrigen Kreisen von Kohlenstoffatomen bestehen. Im Weltraum sind diese Moleküle kugelförmig angeordnet und äußerst widerstandsfähig gegen äußere physikalische Einflüsse. Das bisher stabilste bekannte Fulleren ist ein Molekül mit 60 Kohlenstoffatomen. Fullerene werden künstlich durch Laserpyrolyse organischer Verbindungen hergestellt. Robert F. Curl, Richard E. Smalley und Harold W. Kroto erhielten 1996 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Untersuchung der Eigenschaften von Fullerenen. Derzeit wird die Erforschung der Eigenschaften und Herstellungsmethoden von Fullerenen in vielen wissenschaftlichen Spitzeneinrichtungen auf der ganzen Welt sehr intensiv untersucht.
Graphen ähnelt Graphit, mit dem Unterschied, dass es das dünnste und härteste Material der Welt ist. Es wurde 2004 von Andre Geim und seinem Kollegen Konstantin Novoselov entdeckt. Die Elektronen von Graphen scheinen gegen die Physik zu verstoßen. Sie bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, ohne aneinander zu stoßen. Dies kann in Transistoren, Speichern oder Mikroprozessoren verwendet werden.
Vorkommen und Verwendung
Graphit
Graphit
Graphit ist ein Mineral, das an vielen Orten auf der Erde vorkommt. Einige der größten Graphitminen befinden sich in den USA (Texas und im Bundesstaat New York), Mexiko, Indien und Russland. Graphit ist zum Beispiel. auch Bestandteil von Ruß, der bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Da es sich jedoch um so kleine Partikel handelt, weist Ruß eher die Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff auf.
Graphit wird industriell hauptsächlich zur Herstellung von Bleistiften verwendet. Dabei wird es zunächst zusammen mit Kalkstein sehr fein gemahlen und dann in eine passende Form gepresst. In reiner Form, ohne Kalkstein, wird es für Maler und Grafiker zu Kohle gepresst.
Eine weitere wichtige Verwendung von Graphit liegt in der metallurgischen Industrie. Aufgrund seiner sehr guten Hitzebeständigkeit werden daraus Behälter hergestellt, die sogenannten Formen, in die geschmolzene Metalle und deren Legierungen gegossen werden. Dies verhindert eine Kontamination der Metallschmelze mit dem Metall, aus dem die Form hergestellt werden müsste. Auch Elektroden für die elektrolytische Herstellung von Aluminium aus geschmolzenem Bauxit und Kryolith oder für die Herstellung von Silizium aus geschmolzenem Siliziumdioxid werden aus Graphit hergestellt.
Glasgraphit[
Eine künstlich hergestellte Form von Graphit ist z.B. Glaskohlenstoff, der sich durch hohe Dichte, geringe Porosität und sehr gute chemische und mechanische Beständigkeit auszeichnet. In der Praxis wird es durch eine präzise kontrollierte Langzeitzersetzung organischer Substanzen auf der Oberfläche von Normalgraphit bei hohen Temperaturen (pyrolytisch) hergestellt.
Dank der außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Glasgraphit nimmt sein praktischer Einsatz trotz seines hohen Preises immer weiter zu.
Wichtig für die Elektrochemie ist die Tatsache, dass Glasgraphit-Elektrodenoberflächen chemisch hochbeständig sind und auf ihnen ein hohes positives Potential erreicht werden kann, ohne dass sie sich wie bei normalen Metallelektroden auflösen. Dies kann sowohl in der analytischen Chemie zur Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften organischer Moleküle als auch zur präparativen Oxidation bei der Herstellung bestimmter Verbindungen genutzt werden.
Bei der Analysemethode GFAAS (Atomabsorptionsspektrometrie mit flammenloser Zerstäubung) wird die analysierte Probe in einer Küvette verdampft, die sich innerhalb weniger Sekunden auf eine Temperatur von etwa 3°000°C erhitzt. Das Bedecken der Innenfläche dieser Küvette mit Glasgraphit erhöht die Widerstandsfähigkeit erheblich und erweitert die Einsatzmöglichkeiten im Vergleich zu einer klassischen Graphitküvette.
In der Metallurgie werden mit Glasgraphit überzogene Rohre zur Reinigung von Metallen im Zonenschmelzverfahren eingesetzt, bei dem der gesamte Prozess abläuft.
Laborwerkzeuge mit einer Oberfläche aus Glasgraphit erreichen die gleiche oder sogar eine bessere chemische Beständigkeit als Werkzeuge aus Platin oder seiner Legierung mit Rhodium.
Bernstein
Bernsteinanhänger mit eingebetteten Fossilien
Eine Sonderform des Kohlenstoffminerals stellt Bernstein dar – mineralisierte Überreste tertiären Harzes, die etwa 50 Millionen Jahre alt sind. Die durchschnittliche chemische Zusammensetzung von Bernstein wurde mit C10H16O ermittelt. Die Grundfarbe von Bernstein ist goldgelb, wir finden aber auch ganz transparente, rote, kaffeefarbene und weiße Sorten.
Man findet es in Europa als versteinertes Harz von Kiefern und in Mittelamerika und Mexiko, wo es das Harz des tropischen Holzes Copal ist.
Die Bedeutung von Bernstein liegt vor allem in der Herstellung von Schmuck und Dekorationsartikeln. Das wohl bedeutendste Projekt auf diesem Gebiet war das berühmte Bernsteinzimmer, ein mit wunderschönen, kunstvoll bearbeiteten Bernsteinblöcken ausgekleideter Raum im St. Petersburger Zarenpalast. Während des Zweiten Weltkriegs demontierten deutsche Besatzungstruppen das Bernsteinzimmer und brachten es an einen unbekannten Ort. Bis heute ist die Suche nach diesem Kulturdenkmal erfolglos.
Eine weitere Bedeutung von Bernstein ist paläontologischer Natur. Die Körper tertiärer Insekten, Pollen damaliger Pflanzen und andere Artefakte sind in der Masse der Bernsteinfunde sehr oft perfekt erhalten.
Interessant ist, dass Bernstein bisher nicht künstlich hergestellt wurde, obwohl seine chemische Zusammensetzung und der zu erwartende Entstehungsprozess bekannt sind.