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Kohlenstoff - Referat
Eigenschaften:
relat. Atommasse: 12,0107 Härte (Mohs): 10 (Diamant)
Ordnungszahl: 6 0,6 - 1,0 (Graphit)
Schmelzpunkt: 3547,1 °C (D) natürl. Häufigkeit: C-12 98,9%
Siedepunkt: 4830 °C (D) C-13 1,1%
Oxidationszahlen: 4, 2, -4 Elektronenkonfig.: [He]2s²sp²
Dichte: 3,514 g/cm³ (D) Atomradius: 77,2 pm
Elektronegativität: 2,55 (Pauling)
Kohlenstoff kommt in mehreren Modifikationen vor: Diamant, Graphit (hexagonal), Graphit (rhombisch), Chaoit, Kohlenstoff(VI) und Fullerit. Der Diamant kristallisiert im kubischen Kristallsystem. Er ist der härteste aller bekannten und natürlichen Stoffe, er besitzt die beste thermische Leitfähigkeit und die höchste Schmelztemperatur. 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 und 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 Kohlenstoffatomen bestehende Buckminsterfulleren. Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid, bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonoxid. Im Lichtbogen lässt sich aus Kohlenstoff und Wasserstoff Ethin herstellen. Mit Wasserdampf reagiert er bei Wärmezufuhr zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Dieses Gemisch wird auch als Wassergas bezeichnet. Mit Schwefel reagiert Kohlenstoff bei Rotglut zu Schwefelkohlenstoff, mit Stickstoff im Lichtbogen zu Dicyan und mit Silicium bei 2000°C zu Siliciumcarbid. 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.
Braunkohle Diamant Graphit
Steinkohle Fullrenenmodell
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. Der Graphit ist dagegen organischen Ursprungs. 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. 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. 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. 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 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 entdeckt.
Gewinnung und Herstellung:
Ausgangsprodukte für die Herstellung von Kohlenstoff sind die natürlichen Vorkommen, die thermisch zersetzt werden. Der Graphit für Elektroden wird 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. Diamanten können auch künstlich hergestellt werden.(Industriediamanten)
Verwendung:
Graphit: Tiegel, Öfen, Schmiermittel, Elektroden, Bleistiftminen
Aktivkohle: Adsorption von giftigen Gasen (Labor, Gasmasken) und zur Trinkwasserreinigung
Ruß: Herstellung von Tusche und Druckfarben
Carbonfasern (Graphitfasern): Fahrzeuge, Sportgeräte, medizinische Implatate
Diamanten: Bohrerspitzen, Schneidegeräte, Schmuck
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