Periodensystem 
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| Eigenschaften:
Kohlenstoff kommt in mehreren Modifikationen vor: Diamant, a-Graphit (hexagonal), b-Graphit rhombisch), Chaoit, Kohlenstoff(VI) und Fullerit (siehe auch Vergleich Diamant und Graphit). Der Diamant kristallisiert im kubischen Kristallsystem. Er ist der härteste alle bekannten und natürlichen Stoffe, er besitzt die beste thermische Leitfähigkeit (fünfmal besser als Silber) und die höchste Schmelztemperatur aller Stoffe. Beim Erhitzen unter Luftabschluss geht er bei ca. 1500°C in den sehr weichen und schwarzen Graphit über.  Beim Verdampfen von Graphit bilden sich sogenannte Kohlenstoffcluster, die auch als Fullerene bezeichnet werden. Diese sind als einzige Kohlenstoffmodifikation in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich (rotviolette Farbe der Lösung) und zeigen ansonsten auch ein recht merkwürdiges Verhalten bei der Reaktion mit anderen Stoffen. Fullerene leiten wie der Diamant (im Gegensatz zum Graphit) den elektrischen Strom nicht. Am bekanntesten ist das aus 60 Kohlenstoffatomen bestehende Buckminsterfulleren, das nach dem amerikanischen Ingenieur und Architekten Richard Buckminster Fuller (1895-1983), dem Erfinder von frei tragenden Kuppelkonstruktionen, benannt wurde:  C (glühend) + H2O 
CO + H2 DHR
= +131 kJ/mol
Mit Schwefel reagiert Kohlenstoff bei Rotglut zu Schwefelkohlenstoff (CS2), mit Stickstoff im Lichtbogen zu Dicyan (C2N2) und mit Silicium bei 2000°C zu Siliciumcarbid (SiC). Das Element Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit, in chemischen Verbindungen lange Ketten und Ringstrukturen auszubilden, z.B. in den Kohlenwasserstoffen. Aus diesem Grund sind die meisten organischen Verbindungen in ihrem Grundgerüst aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, sie gelten als Kennzeichen für das Leben auf der Erde. siehe auch: Altersbestimmung nach der C-14-Methode bei Höhlenmalereien |
| Vorkommen:
In der Erdhülle kommen die Kohlenstoffatome mit einem Anteil von 0,087% vor. Im Mineralreich begegnet uns Kohlenstoff elementar als Diamant und als Graphit. Die Diamanten finden sich vor allem im alten Gestein von Vulkanschloten, dem Kimberlit. Die Hauptvorkommen liegen in Südafrika, im Kongo, in Russland und in Brasilien. Der Graphit ist dagegen organischen Ursprungs. Lagerstätten findet man in Sri Lanka, Madagaskar, Sibirien, Mexiko, USA oder Kanada. In Deutschland findet man ihn im Graphit-Bergwerk Kropfmühl im südlichen Bayerischen Wald (Nähe Hauzenberg). Dieses Bergwerk kann besichtigt werden und zeugt vom Graphitabbau in Deutschland.  Die chemischen Verbindungen des Kohlenstoffs kennzeichnen sämtliche Lebewesen auf der Erde. Die fossilen Brennstoffe Erdöl, Erdgas und Kohle und die zahlreichen, darin enthaltenen Kohlenstoffverbindungen sind aus ihnen im Laufe der Jahrmillionen entstanden. Erdöl und Erdgas wurden durch die Umsetzung anaerober Bakterien gebildet (Grafik). Braunkohle und Steinkohle enthalten dagegen einen hohen Anteil an elementarem Kohlenstoff. Sie bildeten sich durch Umwandlung aus Pflanzenresten. Bei der Steinkohle ist der "Inkohlungs-Prozess" weiter fortgeschritten und durch Sedimente weiter verfestigt als bei der Braunkohle. Braunkohlevorkommen finden sich in Ostdeutschland, am Niederrhein, in den USA und in Kanada, Steinkohle dagegen im Saar- und Ruhrgebiet, in Belgien, im Zentralmassiv Frankreichs, in Großbritannien, in Nordamerika, in Asien und in Australien.   Der weitaus größte Anteil an chemisch gebundenem Kohlenstoff ist im Mineralreich in den Carbonaten vorhanden (Calcit, Baryt). Der Kohlenstoffkreislauf ist ein wichtiger Bestandteil des Ökosystems der Erde. Die Verfeuerung fossiler Brennstoffe durch den Menschen erhöht den Kohlenstoffdioxidanteil in der Atmosphäre, was zur Beschleunigung des natürlichen Treibhauseffekts führt und damit gravierende Klimaveränderungen verursacht.  |
| Geschichtliches:
Kohle von Knochen, Horn und Zahnbein oder die Holzkohle des Wachholders dienten schon den Höhlenmalern vor mehr als 30000 Jahren zur Herstellung von schwarzen Pigmenten.  Erst Antoine Lavoisier, charakterisierte den Kohlenstoff als Element (1787). Im Jahre 1796 stellte Smithson Tennant als erster künstlichen Kohlenstoff her, indem er Phosphordämpfe über glühenden Kalk leitete und dabei Calciumphosphat und Kohlenstoff erhielt. Nach weiteren zehn Jahren (1807) bewiesen die englischen Chemiker William Allen und William Haseldine Pepys, dass Diamant und Graphit aus reinem Kohlenstoff aufgebaut sind. Der lateinische Name "Carboneum" leitet sich von "carbo", die "Holzkohle" ab. Das deutsche Wort Kohlenstoff bezieht sich auf "Kohle". Das chemische Symbol "C" führte J.J. Berzelius im Jahre 1814 ein. Als man an der Rice University (Houston, USA) ab 1980 Ruß untersuchte, der beim Verdampfen von Kohle im elektrischen Lichtbogen (im Vakuum, bei ca. 6000°C) entstand, entdeckte man bei elektronenmikroskopischen Untersuchungen kugelige Gebilde. Die als "Fullerene" bezeichneten Moleküle wurden 1985 von Dr. Robert F. Curl, Sir Harald W. Kroto und Richard E. Smalley unter Mitarbeit der Studenten J. R. Heath und S. C. O'Brien entdeckt. Die drei Erstgenannten erhielten für diese Entdeckung im Jahre 1996 den Nobelpreis für Chemie. |
| Gewinnung und Herstellung:
Ausgangsprodukte für die technische Herstellung von reinem Kohlenstoff sind vor allem die natürlichen Vorkommen wie Kohle, Erdöl und Erdgas, die thermisch zersetzt werden. Der Graphit für Elektroden wird nach einem 1896 von Edward Goodrich Acheson (1856-1931) entwickelten Verfahren aus gepulvertem Petrolkoks unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen in Elektroöfen hergestellt. Natürlichen Graphit erhält man aus den Lagerstätten. Das Gestein wird zerkleinert und durch Flotation gereinigt. Der Abbau von Diamanten aus ihren Lagerstätten bringt eine Vielzahl an Rohsteinen hervor, von denen ein großer Teil für Industriezwecke und ein kleinerer Anteil für die Schmuckindustrie verarbeitet wird. Die Qualität eines guten Schmuckdiamanten hängt von vier Faktoren ab: colour (Farbe), clarity (Reinheit), cut (Schliff) und carat (Gewicht). Ein "Karat" entspricht 200mg. Der größte je gefundene Diamant ist der 1905 in der Premiermine (Südafrika) gefundene "Cullinan" mit 3106 Karat. Die Herstellung von künstlichen Diamanten gelang erstmals Henri Moissan im Jahre 1893 und wird seit 1955 industriell betrieben. Moissan löste Kohlenstoff in Eisen- und Silberschmelzen auf und entdeckte nach der Abkühlung winzige Splitter, die "stark lichtbrechend (...) sind, die Korunde ritzen können und mit unbedeutenden Ascheresten zu Kohlendioxid verbrennen". Spätere Untersuchungen ergaben, dass es sich bei Moissans Gebilde um Metall-Kohlenstoff-Verbindungen handelte, die auch als Carbide bezeichnet werden. Heute wird der künstliche "Moissanit" als perfekte Imitation für Diamanten in Schmuck eingesetzt. Im Gegensatz zum ebenfalls künstlichen Diamantersatz "Zirkon" (Zirkoniumoxid) wurde der Moissanit zum Ärger zahlreicher Händler und Käufer von den vor 1998 eingesetzten Diamantprüfgeräten als echt eingestuft.   Beim industriellen Verfahren wird Graphit bei einem Druck von ca. 10 GPa in flüssigen Metallen wie Eisen, Nickel oder Tantal bei ca. 1800°C gelöst. Die Metalle wirken als Katalysator und es entstehen Diamantkristalle von maximal 1,2 mm Durchmesser. In der Zwischenzeit ist es auch gelungen, Diamant-Einkristalle zu produzieren. Dabei werden Pressen verwendet, die bis zu 20000 Tonnen Druckkraft erzeugen können. |
| Verwendung:
Aufgrund seiner guten thermischen Leitfähigkeit und chemischen Widerstandsfähigkeit wird Graphit vor allem zur Herstellung von feuerfesten Schmelztiegeln, Gussformen und Ofenauskleidungen verwendet. Der weiche Graphit dient als Pulver zur Herstellung von Schmiermitteln und kompakt zur Herstellung von Bleistiftminen. Graphitelektroden sind elektrisch gut leitfähig und werden in Elektrostahlöfen, in Carbidöfen und bei der Schmelzflusselektrolyse, aber auch als Kohlebürsten bei Elektromotoren oder als Kohlegrieß in Mikrophonen eingesetzt.  Graphit: Tiegel, Öfen, Schmiermittel, Elektroden, Bleistiftminen Koks: Hochofenprozess und Heizmaterial Ruß: Herstellung von Tusche und Druckfarben Aktivkohle: Adsorption von giftigen Gasen (Labor, Gasmasken) und zur Trinkwasserreinigung Carbonfasern (Graphitfasern): Fahrzeuge, Sportgeräte, medizinische Implatate Diamanten: Bohrerspitzen, Schneidegeräte, Schmuck |
| Copyright: Thomas Seilnacht |
