Bor  Silicium Stickstoff
 
 Kohlenstoff                                         6C
 engl. carbon, lat. carboneum ("Kohle")
 
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Relat. Atommasse   
Intervall (Hinweis) 
Ordnungszahl    
Schmelzpunkt    
Siedepunkt    
Oxidationszahlen     
Dichte    
Härte (Mohs)     
  
Elektronegativität    
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit  
 
12,011 
[12,0096; 12,0116] 
   
3550 °C (D)    
4830 °C (D)    
4, 2, -4    
3,15-3,53 g/cm³ (D)    
10 (Diamant)    
0,5 - 1,0 (Graphit)   
2,55 (Pauling)      
[He]2s²2p²   
C-12: 98,93%   
C-13: 1,07% 
 
 
      
 
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34 sek
Ein Diamant wird mit der Schweißbrennerflamme kurzzeitig bis zur Weißglut erhitzt. Wird er widerstehen?
    
Kohlenstoff ist nicht 
kennzeichnungspflichtig. 
  
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Gefahrenklassen - H-Sätze   
--  
 
 
CAS-Nummern  
Kohlenstoff: 7440-44-0 
Graphit: 7782-42-5 
Diamant: 7782-40-3 
Holzkohle: 64365-11-3
 
 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Rohdiamanten
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Fullerenlösung in Toluol
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Kohlenstoff kommt in mehreren Modifikationen vor. Der extrem harte Diamant und der sehr weiche Graphit unterscheiden sich in vielen Merkmalen und doch enthalten sie die gleiche Grundsubstanz. Die Fullerene kommen ebenfalls natürlich vor, beispielsweise im Shungit, einem schwarzen, kohleähnlichen Gestein oder in Meteoriten. Der Londsdaleit ist ein weicher Diamant mit der Mohshärte 3, der im hexagonalen Kristallsystem kristallisiert und einen meteorischen Ursprung hat.
Lit [63


Der Diamant kristallisiert im kubischen Kristallsystem. Er ist der härteste alle bekannten und natürlichen Stoffe, er besitzt die beste thermische Leitfähigkeit - sie ist bis zu fünfmal besser als Silber - und die höchste Schmelztemperatur aller Stoffe. Beim Erhitzen unter Luftabschluss geht er bei etwa 1500°C in den sehr weichen und schwarzen Graphit über. Die Verbrennung eines Diamanten gelingt nur im Sauerstoffstrom, beim bloßen Erhitzen mit einem Schweißbrenner färbt sich der Diamant an der Oberfläche dunkel, ohne zu verbrennen, was auf die Bildung von Graphit hinweist. Eine tatsächliche Verbrennung ist dem Autor auf diese Art und Weise nicht gelungen.


Kohlenstoff fällt in weiteren Formen bei der technischen Verarbeitung an: Dazu zählen Ruß, Aktivkohle, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Glaskohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoschaum oder amorpher Kohlenstoff.
Lit [35 Von technischer Bedeutung ist auch Graphen, eine zweidimensionale, wabenartige Kohlenstoffstruktur, bei der jedes Kohlenstoff-Atom mit drei weiteren Kohlenstoff-Atomen verknüpft ist. Die Kohlearten wie Steinkohle, Anthrazit oder Braunkohle bildeten sich im Lauf der Jahrtausende durch Umwandlung aus ehemaligen Lebewesen. 
   
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 und bilden farbige Lösungen. Sie zeigen ansonsten auch ein recht merkwürdiges Verhalten bei der Reaktion mit anderen Stoffen. Fullerene leiten wie der Diamant den elektrischen Strom nicht. Am bekanntesten ist das aus 60 Kohlenstoff-Atomen bestehende Buckminsterfulleren, das nach dem amerikanischen Ingenieur und Architekten Richard Buckminster Fuller (1895-1983), dem Erfinder von frei tragenden Kuppelkonstruktionen, benannt wurde. Lit [4]


 Aufbau eines C60-Buckminsterfullerens
 
 
 Die C-Atome bilden 15 fünfeckige und 20 sechseckige Ringe und sind auf der Oberfläche
einer (gedachten) Kugel von knapp einem Nanometer Durchmesser angeordnet.
 
 
Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid (CO2), bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonooxid (CO). Im Lichtbogen lässt sich aus Kohlenstoff und Wasserstoff Ethin herstellen: 

2 C  +  H2   C2H2  

Mit Wasserdampf reagiert glühender Kohlenstoff bei Wärmezufuhr zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff. Dieses Gemisch wird auch als Wassergas bezeichnet:  
  
C  +  H2  CO  +  H2       ΔHR = +131 kJ/mol 
  
Mit Schwefel reagiert Kohlenstoff bei Rotglut zu Schwefelkohlenstoff  CS2, mit Stickstoff im Lichtbogen zu Dicyan  C2N und mit Silicium bei 2000°C zu Siliciumcarbid  SiC. Das Element Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit, in chemischen Verbindungen lange Ketten und Ringstrukturen auszubilden, so auch 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.  
  
 

 Rußbildung und Verkohlung
 
 
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 Kohlenstoffhaltige Verbindungen rußen oder verkohlen beim Erhitzen.
 
 
Beim Verbrennen von kohlenstoffhaltigen Verbindungen erhält man je nach Kohlenstoffgehalt ein Rußen und eine Verkohlung. Beim Erhitzen von Holz entsteht Holzkohle. Wird die Verbrennung einer Kerzenflamme gestört, beispielsweise durch das Halten einer Porzellanschale in die Flamme, erfolgt nur eine unvollständige Verbrennung. Den dabei entstehenden Ruß könnte man noch weiter mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid verbrennen.
   
Physiologie 
Kohlenstoff ist neben dem Sauerstoff und dem Wasserstoff das bedeutendste Bioelement im menschlichen Körper. Die aus Kohlenstoff (und anderen Biolementen) aufgebauten Kohlenhydrate liefern Energie. Kohlenstoffreicher Brennstoff (Stärke) und Sauerstoff werden von den Pflanzen bei der Fotosynthese gebildet. Die Tiere verbrennen die Kohlenhydrate beim Atmungsprozess mit Sauerstoff wieder zu Kohlenstoffdioxid (und Wasser). Beim Kalkkreislauf spielt der Kohlenstoff ebenfalls eine bedeutende Rolle. So ist dieses Bioelement einem ewigen Kreislauf unterworfen. Im menschlichen Körper finden sich die Kohlenstoffatome in tausenden von weiteren organischen Verbindungen, so auch bei den Fetten, Eiweißen, Vitaminen oder Enzymen. Calciumcarbonat, ein Salz der Kohlensäure ist ein wesentlicher Gerüststoff für den Knochenbau.  
 
 
Bioelemente im menschlichen Körper
  
 
 
 
 
  
Vorkommen 
In der Erdhülle kommen die Kohlenstoffatome mit einem Anteil von 0,087% vor. Im Mineralreich begegnet uns Kohlenstoff elementar im harten Diamant, im weichen Graphit, im diamantartigen, aber weichen Londsdaleit, im graphitähnlichen Chaoit, sowie in Form der Fullerene im anthrazitähnlichen Shungit und in Meteoriten. 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.  
   
 
 Graphit aus Pfaffenreut/Deutschland
 
 
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 Graphit ist eine Modifikation des Kohlenstoffs.
   
  
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 Anthrazit, der auch Glanzkohle genannt wird, ist die hochwertigste Form von Kohle. Er besitzt eine hohe Härte und den höchsten Heizwert. 
   
   
 Natürlich vorkommende Kohlesorten
 
 
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 Der Anthrazit besitzt den höchsten Heizwert.
   
    
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.  
   
 
 Kohlenstoffkreislauf
  
 Durch das Verfeuern der fossilen Brennstoffe und durch Waldrodung werden 7 Gigatonnen
(Milliarden Tonnen) Kohlenstoff in die Atmosphäre eingebracht. Dadurch erhöht sich die
Nettozufuhr momentan (21.Jhdt.) um 3 Gigatonnen pro Jahr.  Lit [32]
   
 
Geschichte 
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 
  
 
 Höhlenmalereien in Altamira
 
 
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 Die Höhlenmalereien in Altamira sind bis zu 14000 Jahre alt.
 
  
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. 
  
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.  
   
 
 Henri Moissan mit seiner Apparatur
 
 
 
 
 
 Mit dieser Apparatur gelang es Moissan erstmals synthetische Diamanten herzustellen.
 
 
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. Graphit-Elektroden sind elektrisch gut leitfähig und werden in Elektrostahlöfen, in Carbidöfen und bei der Schmelzfluss-Elektrolyse, aber auch als Kohlebürsten bei Elektromotoren oder als Kohlegrieß in Mikrophonen eingesetzt.   
   
 
 Graphit und Bleistift
 
 
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 Bleistiftminen bestehen aus weichem, kompaktem Graphit.
 
   
Die Aufzählung gibt nur einen kleinen Überblick von der vielfältigen und universellen Verwendung des Kohlenstoffs in der Technik. 
  • 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  
 
 Graphenstruktur
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
  
  
 
 
 
 
 
 
 Im Graphen bilden die Kohlenstoff-Atome eine wabenartige, sechseckige Struktur.
 
 
Graphen ist eine einlagige (oder mehrlagige) Kohlenstoff-Struktur, bei der die Kohlenstoff-Atome in einer Wabe jeweils mit drei weiteren Kohlenstoff-Atomen vernetzt sind. Die einfachste Form zur Herstellung von dünnen Kohlenstoffschichten in der Dimension der Nanochemie ist das Abziehen einer Schicht mit Hilfe eines Klebstreifens von einem Graphitblock. Aber auch beim Schreiben mit einem Bleistift auf einem Blatt Papier entstehen schon vergleichbar dünne Schichten, in denen die Kohlenstoff-Atome in einer sechseckigen Wabenstruktur angeordnet sind. Die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov bekamen im Jahr 2010 den Nobelpreis für Physik für die Herstellung und den Nachweis des Graphens. Lit [84]  Dieses Material ist extrem stabil, es ermöglicht aber auch die Herstellung von Computerchips mit einer viel höheren Taktrate im Vergleich zu Computerchips auf Siliciumbasis. [Lit 85]
 
Experimente - Medien  
Altersbestimmung nach der C-14-Methode 
Demonstrationen mit Kohlenstoffdioxid 
Demonstrationen mit Trockeneis 
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