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Kohlenstoff

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Kohlenstoff,  6 C.
Graphit-und-Diamant-mit-Skala.jpg
Graphit (links) und Diamant (rechts), zwei Allotrope aus Kohlenstoff
Kohlenstoff
AllotropeGraphit , Diamant , andere
Aussehen
  • Graphit: schwarz, metallisch aussehend
  • Diamant: klar
Standardatomgewicht A r, Standard (C) [12.009612.0116 ] konventionell: 12.011
Kohlenstoff im Periodensystem
WasserstoffHelium
LithiumBerylliumBorKohlenstoffStickstoffSauerstoffFluorNeon
NatriumMagnesiumAluminiumSiliziumPhosphorSchwefelChlorArgon
KaliumKalziumScandiumTitanVanadiumChromManganEisenKobaltNickelKupferZinkGalliumGermaniumArsenSelenBromKrypton
RubidiumStrontiumYttriumZirkoniumNiobMolybdänTechnetiumRutheniumRhodiumPalladiumSilberCadmiumIndiumZinnAntimonTellurJodXenon
CäsiumBariumLanthanCerPraseodymNeodymPromethiumSamariumEuropiumGadoliniumTerbiumDysprosiumHolmiumErbiumThuliumYtterbiumLutetiumHafniumTantalWolframRheniumOsmiumIridiumPlatinGoldQuecksilber (Element)ThalliumFührenWismutPoloniumAstatineRadon
FranciumRadiumAktiniumThoriumProtactiniumUranNeptuniumPlutoniumAmericiumCuriumBerkeliumCaliforniumEinsteiniumFermiumMendeleviumNobeliumLawrenciumRutherfordiumDubniumSeaborgiumBohriumHassiumMeitneriumDarmstadtiumRöntgeniumCoperniciumNihoniumFleroviumMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
-

C

Si
BorKohlenstoffStickstoff
Ordnungszahl ( Z )6
GruppeGruppe 14 (Kohlenstoffgruppe)
ZeitraumZeitraum 2
Block  p-Block
Elektronenkonfiguration[ He ] 2s 2 2p 2
Elektronen pro Schale2, 4
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STPsolide
Sublimationspunkt3915 K (3642 ° C, 6588 ° F)
Dichte (in der Nähe von  RT )amorph: 1,8–2,1 g / cm 3 [1]
Graphit: 2,267 g / cm 3
Diamant: 3,515 g / cm 3
Dreifacher Punkt4600 K, 10.800 kPa [2] [3]
SchmelzwärmeGraphit: 117  kJ / mol
Molare WärmekapazitätGraphit: 8,517 J / (mol · K)
Diamant: 6,155 J / (mol · K)
Atomeigenschaften
Oxidationszustände-4 , -3 , -2 , -1 , 0 , +1 , [4] +2 , +3 , [5] +4 [6] (ein leicht saures Oxid)
ElektronegativitätPauling-Skala: 2,55
Ionisierungsenergien
  • 1. 1086,5 kJ / mol
  • 2. 2352,6 kJ / mol
  • 3. 4620,5 kJ / mol
  • ( mehr )
Kovalenter Radiussp 15 : 77 Uhr
sp 14 : 73 Uhr
sp: 69  Uhr
Van der Waals Radius170 Uhr
Spektrallinien von Kohlenstoff
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommenursprünglich
KristallstrukturGraphit: einfache hexagonale

(schwarz)
KristallstrukturDiamant: flächenzentrierten Diamant-Kubik

(klar)
Schallgeschwindigkeit dünner StabDiamant: 18.350 m / s (bei 20 ° C)
WärmeausdehnungDiamant: 0,8 um / (m · K) (bei 25ºC) [7]
WärmeleitfähigkeitGraphit: 119–165 W / (m · K)
Diamant: 900–2300 W / (m · K)
Elektrischer widerstandGraphit: 7,837 µΩ · m [8]
Magnetische Bestellungdiamagnetisch [9]
Magnetische Suszeptibilität–5,9 · 10 –6 (graph.) Cm 3 / mol [10]
ElastizitätsmodulDiamant: 1050 GPa [7]
SchubmodulDiamant: 478 GPa [7]
VolumenmodulDiamant: 442 GPa [7]
QUERKONTRAKTIONSZAHLDiamant: 0,1 [7]
Mohs HärteGraphit: 1–2
Diamant: 10
CAS-Nummer
  • Graphit: 7782-42-5
  • Diamant: 7782-40-3
Geschichte
EntdeckungÄgypter und Sumerer [11] (3750 v. Chr.)
Anerkannt als Element vonAntoine Lavoisier [12] (1789)
Haupt Isotope von Kohlenstoff
IsotopFülleHalbwertszeit ( t 1/2 )ZerfallsmodusProdukt
11 C.syn20 Minutenβ +11 B.
12 C.98,9%stabil
13 C.1,1%stabil
14 C.Spur5730 yβ -14 N.
Kategorie Kategorie: Kohlenstoff
| Verweise

Kohlenstoff (aus dem Lateinischen : Carbo "Kohle") ist ein chemisches Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6. Er ist nichtmetallisch und vierwertig und stellt vier Elektronen zur Verfügung, um kovalente chemische Bindungen zu bilden . Es gehört zur Gruppe 14 des Periodensystems. [13] Kohlenstoff macht nur etwa 0,025 Prozent der Erdkruste aus. [14] Drei Isotope kommen auf natürliche Weise vor, wobei 12 ° C und 13 ° C stabil sind, während 14 ° C a istRadionuklid , das mit einer Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren zerfällt. [15] Kohlenstoff ist eines der wenigen seit der Antike bekannten Elemente . [16]

Kohlenstoff ist das 15. am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste und das vierthäufigste Element im Universum nach Wasserstoff , Helium und Sauerstoff . Die Fülle an Kohlenstoff, seine einzigartige Vielfalt an organischen Verbindungen und seine ungewöhnliche Fähigkeit, Polymere bei den auf der Erde üblichen Temperaturen zu bilden, ermöglichen es diesem Element, als gemeinsames Element allen bekannten Lebens zu dienen . Es ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element im menschlichen Körper (etwa 18,5%). [17]

Die Kohlenstoffatome können auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden, was zu verschiedenen Allotropen von Kohlenstoff führt . Die bekanntesten Allotrope sind Graphit , Diamant und Buckminsterfulleren . [18] Die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff variieren stark mit der allotropen Form. Zum Beispiel ist Graphit undurchsichtig und schwarz, während Diamant hochtransparent ist . Graphit ist weich genug, um auf Papier einen Streifen zu bilden (daher der Name vom griechischen Verb "γράφειν", was "schreiben" bedeutet), während Diamant das härteste natürlich vorkommende Material ist, das bekannt ist. Graphit ist ein guter elektrischer Leiterwährend Diamant eine geringe elektrische Leitfähigkeit hat . Unter normalen Bedingungen, Diamant, Kohlenstoff - Nanoröhrchen und Graphen haben die höchsten Wärmeleitfähigkeiten von allen bekannten Materialien . Alle Kohlenstoff-Allotrope sind unter normalen Bedingungen Feststoffe, wobei Graphit bei Standardtemperatur und -druck die thermodynamisch stabilste Form ist. Sie sind chemisch beständig und erfordern eine hohe Temperatur, um auch mit Sauerstoff zu reagieren.

Der gebräuchlichste Oxidationszustand von Kohlenstoff in anorganischen Verbindungen ist , +4, +2 , während gefunden wird , in Kohlenmonoxid und Übergangsmetall - Carbonyl - Komplexen. Die größten Quellen für anorganischen Kohlenstoff sind Kalksteine , Dolomite und Kohlendioxid. In organischen Lagerstätten von Kohle , Torf , Öl und Methan-Clathraten treten jedoch erhebliche Mengen auf . Kohlenstoff bildet eine größere Anzahl von Verbindungen als jedes andere Element. Bis heute wurden fast zehn Millionen Verbindungen beschrieben. [19]und doch ist diese Zahl nur ein Bruchteil der Anzahl theoretisch möglicher Verbindungen unter Standardbedingungen. Aus diesem Grund wurde Kohlenstoff oft als "König der Elemente" bezeichnet. [20]

Eigenschaften

Theoretisch vorhergesagtes Phasendiagramm von Kohlenstoff

Zu den Allotropen von Kohlenstoff gehören Graphit , eine der weichsten bekannten Substanzen, und Diamant , die härteste natürlich vorkommende Substanz. Es bindet leicht an andere kleine Atome , einschließlich anderer Kohlenstoffatome, und ist in der Lage, mehrere stabile kovalente Bindungen mit geeigneten mehrwertigen Atomen zu bilden. Es ist bekannt, dass Kohlenstoff fast zehn Millionen Verbindungen bildet, eine große Mehrheit aller chemischen Verbindungen . [19] Kohlenstoff hat auch den höchsten Sublimationspunkt aller Elemente. Bei atmosphärischem Druck hat es keinen Schmelzpunkt als Tripelpunktliegt bei 10,8 ± 0,2 Megapascal (106,6 ± 2,0 atm; 1.566 ± 29 psi) und 4.600 ± 300 K (4.330 ± 300 ° C; 7.820 ± 540 ° F), [2] [3], so dass es bei etwa 3.900 K (sublimiert). 3,630 ° C; 6,560 ° F). [21] [22] Graphit ist unter Standardbedingungen viel reaktiver als Diamant, obwohl es thermodynamisch stabiler ist, da sein delokalisiertes pi-System viel anfälliger für Angriffe ist. Beispielsweise kann Graphit durch heiße konzentrierte Salpetersäure unter Standardbedingungen zu Mellitsäure C 6 (CO 2 H) 6 oxidiert werden , die die hexagonalen Einheiten von Graphit bewahrt, während die größere Struktur aufgebrochen wird. [23]

Kohlenstoff sublimiert in einem Kohlenstoffbogen, der eine Temperatur von etwa 5800 K (5.530 ° C oder 9.980 ° F) hat. Somit bleibt Kohlenstoff unabhängig von seiner allotropen Form bei höheren Temperaturen fest als die Metalle mit dem höchsten Schmelzpunkt wie Wolfram oder Rhenium . Obwohl Kohlenstoff thermodynamisch zur Oxidation neigt , widersteht er der Oxidation wirksamer als Elemente wie Eisen und Kupfer , die bei Raumtemperatur schwächere Reduktionsmittel sind.

Kohlenstoff ist das sechste Element mit einer Elektronenkonfiguration im Grundzustand von 1s 2 2s 2 2p 2 , von denen die vier äußeren Elektronen Valenzelektronen sind . Die ersten vier Ionisierungsenergien 1086,5, 2352,6, 4620,5 und 6222,7 kJ / mol sind viel höher als die der schwereren Elemente der Gruppe 14. Die Elektronegativität von Kohlenstoff beträgt 2,5, was signifikant höher ist als bei den schwereren Elementen der Gruppe 14 (1,8–1,9), jedoch nahe an den meisten nahegelegenen Nichtmetallen sowie einigen Übergangsmetallen der zweiten und dritten Reihe . Kohlenstoffs kovalente Radienwerden normalerweise als 77,2 pm (CC), 66,7 pm (C = C) und 60,3 pm (C≡C) angenommen, obwohl diese abhängig von der Koordinationszahl und der Bindung des Kohlenstoffs variieren können. Im Allgemeinen nimmt der kovalente Radius mit niedrigerer Koordinationszahl und höherer Bindungsordnung ab. [24]

Kohlenstoffverbindungen bilden die Grundlage allen bekannten Lebens auf der Erde , und der Kohlenstoff-Stickstoff-Kreislauf liefert einen Teil der von der Sonne und anderen Sternen erzeugten Energie . Obwohl es eine außergewöhnliche Vielfalt von Verbindungen bildet, sind die meisten Kohlenstoffformen unter normalen Bedingungen vergleichsweise unreaktiv. Bei Standardtemperatur und -druck widersteht es allen bis auf die stärksten Oxidationsmittel. Es reagiert nicht mit Schwefelsäure , Salzsäure , Chlor oder anderen Laugen . Bei erhöhten Temperaturen reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Kohlenoxidenund raubt Metalloxiden Sauerstoff, um das elementare Metall zu verlassen. Diese exotherme Reaktion wird in der Eisen- und Stahlindustrie verwendet, um Eisen zu schmelzen und den Kohlenstoffgehalt von Stahl zu kontrollieren :

Fe
3
Ö
4
+ 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

Kohlenmonoxid kann recycelt werden, um noch mehr Eisen zu schmelzen:

Fe
3
Ö
4
+ 4 CO (g) → 3 Fe (s) + 4 CO
2
(G)

mit Schwefel unter Bildung von Schwefelkohlenstoff und mit Dampf bei der Kohle-Gas-Reaktion:

C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g) .

Kohlenstoff verbindet sich mit einigen Metallen bei hohen Temperaturen , metallischen Carbiden, wie beispielsweise dem Eisencarbid bilden Zementit in Stahl und Wolframkarbid , die weithin als abrasive und für Schneidwerkzeuge harten Spitzen machen.

Das System der Kohlenstoff-Allotrope umfasst eine Reihe von Extremen:

Graphit ist eines der weichsten bekannten Materialien.Synthetischer nanokristalliner Diamant ist das härteste bekannte Material. [25]
Graphit ist ein sehr gutes Schmiermittel mit Superschmierfähigkeit . [26]Diamant ist das ultimative Schleifmittel .
Graphit ist ein Leiter von Elektrizität. [27]Diamant ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator , [28] und hat das höchste Durchbruchsfeld aus jedem bekannten Material.
Einige Formen von Graphit werden zur Wärmedämmung verwendet (dh Brandausbrüche und Hitzeschilde), andere Formen sind jedoch gute Wärmeleiter.Diamant ist der bekannteste natürlich vorkommende Wärmeleiter
Graphit ist undurchsichtig .Diamant ist hochtransparent.
Graphit kristallisiert im hexagonalen System . [29]Diamant kristallisiert im kubischen System .
Amorpher Kohlenstoff ist vollständig isotrop .Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den am meisten anisotropen Materialien, die bekannt sind.

Allotrope

Atomkohlenstoff ist eine sehr kurzlebige Spezies und daher wird Kohlenstoff in verschiedenen mehratomigen Strukturen mit verschiedenen molekularen Konfigurationen stabilisiert, die als Allotrope bezeichnet werden . Die drei relativ bekannten Allotrope von Kohlenstoff sind amorpher Kohlenstoff , Graphit und Diamant . Früher als exotisch angesehen, werden Fullerene heutzutage häufig synthetisiert und in der Forschung verwendet. Dazu gehören Buckyballs , [30] [31] Kohlenstoffnanoröhren , [32] Kohlenstoffnanobuds [33] und Nanofasern . [34] [35]Es wurden auch mehrere andere exotische Allotrope entdeckt, wie Lonsdaleit , [36] Glaskohlenstoff , [37] Kohlenstoffnanoschaum [38] und linearer Acetylenkohlenstoff (Carbin). [39]

Graphen ist eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht, deren Atome in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Ab 2009 scheint Graphen das stärkste Material zu sein, das jemals getestet wurde. [40] Der Prozess der Trennung von Graphit erfordert einige technologische Weiterentwicklungen, bevor er für industrielle Prozesse wirtschaftlich ist. [41] Bei Erfolg könnte Graphen beim Bau eines Weltraumaufzugs verwendet werden . Es könnte auch verwendet werden, um Wasserstoff zur Verwendung in einem Wasserstoff-basierten Motor in Autos sicher zu speichern. [42]

Eine große Probe von Glaskohlenstoff

Die amorphe Form ist eine Zusammenstellung von Kohlenstoffatomen in einem nichtkristallinen, unregelmäßigen, glasartigen Zustand, die nicht in einer kristallinen Makrostruktur gehalten werden. Es liegt als Pulver vor und ist der Hauptbestandteil von Substanzen wie Holzkohle , Lampenschwarz ( Ruß ) und Aktivkohle . Bei Normaldrücken hat Kohlenstoff die Form von Graphit, bei dem jedes Atom in einer Ebene aus kondensierten hexagonalen Ringen trigonal an drei andere gebunden ist , genau wie bei aromatischen Kohlenwasserstoffen . [43] Das resultierende Netzwerk ist zweidimensional, und die resultierenden flachen Blätter werden durch schwache Van-der-Waals-Kräfte gestapelt und lose verbunden. Dies verleiht Graphit seine Weichheit und seine Spaltungseigenschaften (die Blätter rutschen leicht aneinander vorbei). Aufgrund der Delokalisierung eines der äußeren Elektronen jedes Atoms unter Bildung einer π-Wolke leitet Graphit Elektrizität , jedoch nur in der Ebene jeder kovalent gebundenen Schicht. Dies führt zu einer geringeren elektrischen Volumenleitfähigkeit für Kohlenstoff als für die meisten Metalle . Die Delokalisierung erklärt auch die energetische Stabilität von Graphit gegenüber Diamant bei Raumtemperatur.

Einige Allotrope von Kohlenstoff: a) Diamant ; b) Graphit ; c) Lonsdaleit ; d - f) Fullerene (C 60 , C 540 , C 70 ); g) amorpher Kohlenstoff ; h) Kohlenstoffnanoröhre

Bei sehr hohen Drücken bildet Kohlenstoff das kompaktere Allotrop Diamant mit fast der doppelten Dichte von Graphit. Hier ist jedes Atom tetraedrisch an vier andere gebunden und bildet ein dreidimensionales Netzwerk aus sechsgliedrigen Atorringen. Diamant hat die gleiche kubische Struktur wie Silizium und Germanium und ist aufgrund der Stärke der Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindungen die härteste natürlich vorkommende Substanz, gemessen an der Kratzfestigkeit . Im Gegensatz zur landläufigen Meinung , dass "Diamanten sind für immer" , sie thermodynamisch instabil sind (Δ f G ° (Diamant, 298 K) = 2,9 kJ / mol [44]) unter normalen Bedingungen (298 K, 10 5  Pa) und in Graphit umwandeln . [18] Aufgrund einer hohen Aktivierungsenergiebarriere ist der Übergang zu Graphit bei normaler Temperatur so langsam, dass er nicht wahrgenommen werden kann. Die untere linke Ecke des Phasendiagramms für Kohlenstoff wurde nicht experimentell untersucht. Obwohl eine Computerstudie unter Verwendung von Methoden der Dichtefunktionaltheorie zu dem Schluss kam, dass Diamant mit T → 0 K und p → 0 Pa um etwa 1,1 kJ / mol stabiler als Graphit wird [45] , zeigen neuere und definitive experimentelle und rechnerische Studien dies Graphit ist für T stabiler als Diamant<400 K ohne Druck um 2,7 kJ / mol bei T  = 0 K und 3,2 kJ / mol bei T  = 298,15 K. [46] Unter bestimmten Bedingungen kristallisiert Kohlenstoff als Lonsdaleit , ein hexagonales Kristallgitter , bei dem alle Atome kovalent gebunden sind und Eigenschaften ähnlich denen von Diamant. [36]

Fullerene sind eine synthetische kristalline Formation mit einer graphitartigen Struktur, aber anstelle von flachen hexagonalen Zellen können einige der Zellen, aus denen Fullerene gebildet werden, Pentagone, nichtplanare Hexagone oder sogar Heptagone von Kohlenstoffatomen sein. Die Blätter werden somit zu Kugeln, Ellipsen oder Zylindern verzogen. Die Eigenschaften von Fullerenen (aufgeteilt in Buckyballs, Buckytubes und Nanobuds) wurden noch nicht vollständig analysiert und stellen ein intensives Forschungsgebiet für Nanomaterialien dar . Die Namen Fullerene und Buckyball sind nach Richard Buckminster Fuller , dem Popularisierer geodätischer Kuppeln, benannt, die der Struktur von Fullerenen ähneln. Die Buckyballs sind ziemlich große Moleküle, die vollständig aus trigonal gebundenem Kohlenstoff bestehen und Sphäroide bilden (das bekannteste und einfachste ist das fußballförmige C 60 Buckminsterfulleren ). [30] Kohlenstoffnanoröhren (Buckytubes) sind strukturell ähnlich buckyballs Ausnahme, daß jedes Atom trigonal in einem gekrümmten Bogen verbunden ist, der sich bildet einen Hohlzylinder . [31] [32] Nanobuds wurden erstmals 2007 beschrieben und sind hybride Buckytube / Buckyball-Materialien (Buckyballs sind kovalent an die Außenwand eines Nanoröhrchens gebunden), die die Eigenschaften beider in einer einzigen Struktur kombinieren. [33]

Comet C / 2014 Q2 (Lovejoy), umgeben von glühendem Kohlenstoffdampf

Von den anderen entdeckten Allotropen ist Kohlenstoffnanoschaum ein ferromagnetisches Allotrop, das 1997 entdeckt wurde. Es besteht aus einer Clusteranordnung von Kohlenstoffatomen niedriger Dichte, die in einer losen dreidimensionalen Bahn aneinandergereiht sind, in der die Atome in sechs- und trigonal gebunden sind siebengliedrige Ringe. Es gehört mit einer Dichte von ca. 2 kg / m 3 zu den leichtesten bekannten Feststoffen . [47] In ähnlicher Weise enthält Glaskohlenstoff einen hohen Anteil an geschlossener Porosität , [37] aber im Gegensatz zu normalem Graphit sind die Graphitschichten nicht wie Seiten in einem Buch gestapelt, sondern weisen eine zufälligere Anordnung auf. Linearer Acetylenkohlenstoff [39] hat die chemische Struktur[39] - (C ::: C) n -. Kohlenstoff in dieser Modifikation ist linear mit der sp- Orbitalhybridisierung und ist ein Polymer mit alternierenden Einfach- und Dreifachbindungen. Dieses Carbin ist für die Nanotechnologie von erheblichem Interesse,da sein Elastizitätsmodul das 40-fache des härtesten bekannten Materials - Diamant - beträgt. [48]

Im Jahr 2015 kündigte ein Team der North Carolina State University die Entwicklung eines weiteren Allotrops an, das als Q-Kohlenstoff bezeichnet wird und das durch einen hochenergetischen Laserpuls mit niedriger Dauer auf amorphem Kohlenstoffstaub erzeugt wird. Es wird berichtet, dass Q-Kohlenstoff Ferromagnetismus, Fluoreszenz und eine Härte aufweist, die Diamanten überlegen ist. [49]

In der Dampfphase liegt ein Teil des Kohlenstoffs in Form von Dicarbon ( C) vor
2
). Wenn dieses Gas erregt ist, leuchtet es grün.

Auftreten

Graphiterz, gezeigt mit einem Penny für Skala
Rohdiamantkristall
"Present Day" (1990er Jahre) Meeresoberfläche gelöste anorganische Kohlenstoffkonzentration (aus der GLODAP- Klimatologie )

Kohlenstoff ist nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff das vierthäufigste chemische Element im beobachtbaren Universum . Im Juli 2020 berichteten Astronomen, dass Kohlenstoff hauptsächlich in weißen Zwergsternen gebildet wurde , insbesondere in solchen, die größer als zwei Sonnenmassen sind. [50] [51] Kohlenstoff ist in der Sonne , den Sternen , Kometen und in der Atmosphäre der meisten Planeten reichlich vorhanden . [52] Einige Meteoriten enthalten mikroskopisch kleine Diamanten, die gebildet wurden, als das Sonnensystem noch eine protoplanetare Scheibe war .[53] Mikroskopische Diamanten können auch durch den starken Druck und die hohe Temperatur an den Stellen von Meteoriteneinschlägen gebildet werden. [54]

2014 kündigte die NASA eine stark aktualisierte Datenbank zur Verfolgung polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) im Universum an . Mehr als 20% des Kohlenstoffs im Universum können mit PAK assoziiert sein, komplexen Verbindungen von Kohlenstoff und Wasserstoff ohne Sauerstoff. [55] Diese Verbindungen spielen in der PAH-Welthypothese eine Rolle , wo angenommen wird, dass sie eine Rolle bei der Abiogenese und Lebensbildung spielen . PAK scheinen "ein paar Milliarden Jahre" nach dem Urknall entstanden zu sein , sind im gesamten Universum verbreitet und werden mit neuen Sternen und Exoplaneten in Verbindung gebracht .[52]

Es wurde geschätzt, dass die feste Erde insgesamt 730 ppm Kohlenstoff enthält, mit 2000 ppm im Kern und 120 ppm im kombinierten Mantel und in der Kruste. [56] Da ist die Masse der Erde5,972 × 10 24  kg , dies würde 4360 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff bedeuten . Dies ist viel mehr als die Menge an Kohlenstoff in den Ozeanen oder in der Atmosphäre (unten).

In Kombination mit Sauerstoff in Kohlendioxid wird Kohlenstoff in der Erdatmosphäre gefunden (ungefähr 900 Gigatonnen Kohlenstoff - jedes ppm entspricht 2,13 Gt) und in allen Gewässern gelöst (ungefähr 36.000 Gigatonnen Kohlenstoff). Der Kohlenstoff in der Biosphäre wurde auf 550 Gigatonnen geschätzt, jedoch mit einer großen Unsicherheit, die hauptsächlich auf eine große Unsicherheit in Bezug auf die Menge der terrestrischen Bakterien unter der Oberfläche zurückzuführen ist . [57] Kohlenwasserstoffe (wie Kohle , Erdöl und Erdgas ) enthalten ebenfalls Kohlenstoff. Kohle "Reserven" (nicht "Ressourcen")belaufen sich auf rund 900 Gigatonnen mit vielleicht 18.000 Gt Ressourcen. [58] Die Ölreserven betragen rund 150 Gigatonnen. Bewährte Erdgasquellen sind etwa175 × 10 12  Kubikmeter (mit etwa 105 Gigatonnen Kohlenstoff), aber Studien schätzen einen anderen900 × 10 12  Kubikmeter "unkonventionelle" Ablagerungen wie Schiefergas , was etwa 540 Gigatonnen Kohlenstoff entspricht. [59]

Kohlenstoff kommt auch in Methanhydraten in Polarregionen und unter dem Meer vor. Verschiedene Schätzungen beziffern dieses Kohlenstoff zwischen 500, 2500 Gt , [60] oder 3.000 Gt. [61]

In der Vergangenheit waren die Mengen an Kohlenwasserstoffen größer. Einer Quelle zufolge wurden im Zeitraum von 1751 bis 2008 etwa 347 Gigatonnen Kohlenstoff als Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre freigesetzt. [62] Eine andere Quelle beziffert die Menge, die seit 1750 der Atmosphäre hinzugefügt wurde, auf 879 Gt und die Gesamtmenge, die in die Atmosphäre, das Meer und das Land (wie Torfmoore ) fließt, auf fast 2.000 Gt. [63]

Kohlenstoff ist ein Bestandteil (etwa 12 Massen-%) der sehr großen Massen von Karbonatgestein ( Kalkstein , Dolomit , Marmor usw.). Kohle ist sehr kohlenstoffreich ( Anthrazit enthält 92–98%) [64] und ist mit 4.000 Gigatonnen oder 80% fossiler Brennstoffe die größte kommerzielle Quelle für mineralischen Kohlenstoff . [65]

Bei einzelnen Kohlenstoff-Allotropen kommt Graphit in großen Mengen in den USA (hauptsächlich in New York und Texas ), Russland , Mexiko , Grönland und Indien vor . Natürliche Diamanten kommen im Gesteins- Kimberlit vor , der in alten vulkanischen "Hälsen" oder "Rohren" gefunden wird. Die meisten Diamantenvorkommen befinden sich in Afrika , insbesondere in Südafrika , Namibia , Botswana , der Republik Kongo und Sierra Leone . Diamantvorkommen wurden auch in Arkansas gefunden, Kanada , die russische Arktis , Brasilien sowie in Nord- und Westaustralien . Diamanten werden jetzt auch vom Meeresboden vor dem Kap der Guten Hoffnung geborgen . Diamanten kommen natürlich vor, aber ungefähr 30% aller in den USA verwendeten Industriediamanten werden jetzt hergestellt.

Kohlenstoff-14 wird in oberen Schichten der Troposphäre und der Stratosphäre in Höhen von 9 bis 15 km durch eine Reaktion gebildet, die durch kosmische Strahlung ausgefällt wird . [66] Es entstehen thermische Neutronen , die mit den Kernen von Stickstoff-14 kollidieren und Kohlenstoff-14 und ein Proton bilden. So wie,1,5% × 10 –10 atmosphärisches Kohlendioxid enthalten Kohlenstoff-14. [67]

Kohlenstoffreiche Asteroiden sind in den äußeren Teilen des Asteroidengürtels in unserem Sonnensystem relativ vorherrschend . Diese Asteroiden wurden von Wissenschaftlern noch nicht direkt untersucht. Die Asteroiden können im hypothetischen weltraumgestützten Kohlenstoffabbau eingesetzt werden , was möglicherweise in Zukunft möglich ist, derzeit jedoch technologisch unmöglich ist. [68]

Isotope

Isotopen von Kohlenstoff sind Atomkerne , die sechs enthalten Protonen sowie eine Anzahl von Neutronen (variierend von 2 bis 16). Kohlenstoff hat zwei stabile, natürlich vorkommende Isotope . [15] Das Isotop Kohlenstoff-12 ( 12 C) bildet 98,93% des Kohlenstoffs auf der Erde, während Kohlenstoff-13 ( 13 C) die restlichen 1,07% ausmacht . [15] Die Konzentration von 12 ° C in biologischen Materialien wird weiter erhöht, da biochemische Reaktionen 13 ° C diskriminieren . [69] 1961 wurde die Internationale Union für reine und angewandte Chemie gegründet(IUPAC) übernahm das Isotop Kohlenstoff-12 als Grundlage für Atomgewichte . [70] Die Identifizierung von Kohlenstoff in Kernspinresonanz (NMR) -Experimenten erfolgt mit dem Isotop 13 C.

Kohlenstoff-14 ( 14 C) ist ein natürlich vorkommendes Radioisotop , das in der oberen Atmosphäre (untere Stratosphäre und obere Troposphäre ) durch Wechselwirkung von Stickstoff mit kosmischen Strahlen erzeugt wird . [71] Es kommt in Spurenmengen auf der Erde von 1 Teil pro Billion (0,0000000001%) oder mehr vor, die hauptsächlich auf die Atmosphäre und oberflächliche Ablagerungen, insbesondere von Torf und anderen organischen Materialien, beschränkt sind. [72] Dieses Isotop zerfällt um 0,158 MeV β - Emission . Wegen seiner relativ kurzen Halbwertszeitvon 5730 Jahren fehlt 14 C in alten Felsen praktisch. Die Menge von 14 ° C in der Atmosphäre und in lebenden Organismen ist nahezu konstant, nimmt jedoch nach dem Tod in ihrem Körper vorhersehbar ab. Dieses Prinzip wird bei der 1949 erfundenen Radiokarbondatierung angewendet, die ausgiebig zur Bestimmung des Alters kohlenstoffhaltiger Materialien mit einem Alter von bis zu etwa 40.000 Jahren verwendet wurde. [73] [74]

Es sind 15 Kohlenstoffisotope bekannt, von denen das kürzeste 8 C ist, das durch Protonenemission und Alpha-Zerfall zerfällt und eine Halbwertszeit von 1,98739 × 10 –21 s aufweist. [75] Das exotische 19 C weist einen Kernhalo auf , was bedeutet, dass sein Radius erheblich größer ist als erwartet, wenn der Kern eine Kugel konstanter Dichte wäre . [76]

Bildung in Sternen

Die Bildung des Kohlenstoffatomkerns erfolgt innerhalb eines Riesen- oder Überriesensterns durch den Triple-Alpha-Prozess . Dies erfordert eine nahezu gleichzeitige Kollision von drei Alpha-Partikeln ( Heliumkernen ), da die Produkte weiterer Kernfusionsreaktionen von Helium mit Wasserstoff oder einem anderen Heliumkern Lithium-5 bzw. Beryllium-8 produzieren , die beide sehr instabil sind und fast zerfallen sofort zurück in kleinere Kerne. [77]Der Triple-Alpha-Prozess findet unter Bedingungen von Temperaturen über 100 Megakelvin und Heliumkonzentration statt, die die schnelle Expansion und Abkühlung des frühen Universums untersagten, und daher wurde während des Urknalls kein signifikanter Kohlenstoff erzeugt .

Nach der aktuellen Theorie der physikalischen Kosmologie wird Kohlenstoff im Inneren von Sternen auf dem horizontalen Ast gebildet . [78] Wenn massive Sterne als Supernova sterben, wird der Kohlenstoff als Staub in den Weltraum gestreut. Dieser Staub wird zu einem Materialbestandteil für die Bildung der Sternensysteme der nächsten Generation mit akkretierten Planeten. [52] [79] Das Sonnensystem ist ein solches Sternensystem mit einer Fülle von Kohlenstoff, das die Existenz von Leben ermöglicht, wie wir es kennen.

Der CNO-Zyklus ist ein zusätzlicher Wasserstofffusionsmechanismus, der Sterne antreibt, wobei Kohlenstoff als Katalysator fungiert .

Rotationsübergänge verschiedener Isotopenformen von Kohlenmonoxid (z. B. 12 CO, 13 CO und 18 CO) sind im Submillimeterwellenlängenbereich nachweisbar und werden zur Untersuchung neu gebildeter Sterne in Molekülwolken verwendet . [80]

Kohlenstoffzyklus

Diagramm des Kohlenstoffkreislaufs. Die schwarzen Zahlen geben an, wie viel Kohlenstoff in verschiedenen Lagerstätten in Milliarden Tonnen gespeichert ist ("GtC" steht für Gigatonnen Kohlenstoff; Zahlen sind ca. 2004). Die violetten Zahlen geben an, wie viel Kohlenstoff sich jedes Jahr zwischen den Stauseen bewegt. Die in diesem Diagramm definierten Sedimente enthalten nicht die 70 Millionen GtC Carbonatgestein und Kerogen .

Unter terrestrischen Bedingungen ist die Umwandlung eines Elements in ein anderes sehr selten. Daher ist die Kohlenstoffmenge auf der Erde effektiv konstant. Prozesse, die Kohlenstoff verwenden, müssen ihn daher von irgendwoher beziehen und woanders entsorgen. Die Kohlenstoffwege in der Umwelt bilden den Kohlenstoffkreislauf . Zum Beispiel ziehen photosynthetische Pflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre (oder dem Meerwasser) und bauen es wie im Calvin-Zyklus , einem Prozess der Kohlenstofffixierung , in Biomasse ein. Ein Teil dieser Biomasse wird von Tieren gefressen, während ein Teil des Kohlenstoffs von Tieren als Kohlendioxid ausgeatmet wird. Der Kohlenstoffkreislauf ist erheblich komplizierter als diese kurze Schleife; Zum Beispiel wird etwas Kohlendioxid in den Ozeanen gelöst; Wenn Bakterien es nicht verbrauchen, können tote pflanzliche oder tierische Stoffe zu Erdöl oder Kohle werden , die beim Verbrennen Kohlenstoff freisetzen. [81] [82]

Verbindungen

Organische Verbindungen

Strukturformel von Methan , der einfachsten organischen Verbindung.
Korrelation zwischen dem Kohlenstoffkreislauf und der Bildung organischer Verbindungen. In Pflanzen kann sich durch Kohlenstofffixierung gebildetes Kohlendioxid bei der Photosynthese ( grün ) mit Wasser verbinden , um organische Verbindungen zu bilden, die sowohl von Pflanzen als auch von Tieren verwendet und weiter umgewandelt werden können.

Kohlenstoff kann sehr lange Ketten miteinander verbundener Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden , eine Eigenschaft, die als Verkettung bezeichnet wird . Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind stark und stabil. Durch die Verkettung bildet Kohlenstoff unzählige Verbindungen. Eine Reihe einzigartiger Verbindungen zeigt, dass mehr Kohlenstoff enthalten als nicht. [83] Eine ähnliche Behauptung kann für Wasserstoff aufgestellt werden, da die meisten organischen Verbindungen Wasserstoff enthalten, der chemisch an Kohlenstoff oder ein anderes gemeinsames Element wie Sauerstoff oder Stickstoff gebunden ist.

Die einfachste Form eines organischen Moleküls ist der Kohlenwasserstoff - eine große Familie organischer Moleküle , die aus Wasserstoffatomen bestehen, die an eine Kette von Kohlenstoffatomen gebunden sind. Ein Kohlenwasserstoffgerüst kann durch andere Atome substituiert sein, die als Heteroatome bekannt sind . Übliche Heteroatome, die in organischen Verbindungen auftreten, umfassen Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und die nichtradioaktiven Halogene sowie die Metalle Lithium und Magnesium. Organische Verbindungen, die Bindungen an Metall enthalten, sind als metallorganische Verbindungen bekannt ( siehe unten ). Bestimmte Gruppierungen von Atomen, häufig einschließlich Heteroatomen, treten in einer großen Anzahl organischer Verbindungen auf. Diese Sammlungen werden als Funktionsgruppen bezeichnet, gemeinsame Reaktivitätsmuster verleihen und die systematische Untersuchung und Kategorisierung organischer Verbindungen ermöglichen. Kettenlänge, Form und funktionelle Gruppen beeinflussen die Eigenschaften organischer Moleküle.

In den meisten stabilen Kohlenstoffverbindungen (und fast allen stabilen organischen Verbindungen) folgt Kohlenstoff der Oktettregel und ist vierwertig , was bedeutet, dass ein Kohlenstoffatom insgesamt vier kovalente Bindungen bildet (einschließlich Doppel- und Dreifachbindungen). Ausnahmen sind eine geringe Anzahl stabilisierter Carbokationen (drei Bindungen, positive Ladung), Radikale (drei Bindungen, neutral), Carbanionen (drei Bindungen, negative Ladung) und Carbene (zwei Bindungen, neutral), obwohl diese Spezies viel wahrscheinlicher sind als instabile, reaktive Zwischenprodukte angetroffen.

Kohlenstoff kommt in allen bekannten organischen Leben vor und ist die Grundlage der organischen Chemie . In Verbindung mit Wasserstoff entstehen verschiedene Kohlenwasserstoffe, die für die Industrie als Kältemittel , Schmiermittel , Lösungsmittel , als chemisches Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kunststoffen und Petrochemikalien sowie als fossile Brennstoffe wichtig sind .

In Kombination mit Sauerstoff und Wasserstoff kann Kohlenstoff viele Gruppen wichtiger biologischer Verbindungen bilden, darunter Zucker , Lignane , Chitine , Alkohole , Fette und aromatische Ester , Carotinoide und Terpene . Mit Stickstoff bildet es Alkaloide und mit der Zugabe von Schwefel auch Antibiotika , Aminosäuren und Kautschukprodukte . Durch die Zugabe von Phosphor zu diesen anderen Elementen bildet es DNA und RNA , die chemischen Codeträger des Lebens, undAdenosintriphosphat (ATP), das wichtigste Energieübertragungsmolekül in allen lebenden Zellen.

Anorganische Verbindungen

Üblicherweise werden kohlenstoffhaltige Verbindungen, die mit Mineralien assoziiert sind oder keine Bindungen an die anderen Kohlenstoffatome, Halogene oder Wasserstoff enthalten, getrennt von klassischen organischen Verbindungen behandelt . Die Definition ist nicht starr und die Klassifizierung einiger Verbindungen kann von Autor zu Autor variieren (siehe Referenzartikel oben). Unter diesen sind die einfachen Kohlenstoffoxide. Das bekannteste Oxid ist Kohlendioxid ( CO
2
). Dies war einst der Hauptbestandteil der Paläoatmosphäre , ist aber heute ein untergeordneter Bestandteil der Erdatmosphäre . [84] In Wasser gelöst bildet es Kohlensäure ( H.
2
CO
3
), aber wie die meisten Verbindungen mit mehreren einfach gebundenen Sauerstoffatomen an einem einzelnen Kohlenstoff ist es instabil. [85] Durch dieses Zwischenprodukt, obwohl, resonanzstabilisierten Karbonat - Ionen erzeugt werden. Einige wichtige Mineralien sind Carbonate, insbesondere Calcit . Schwefelkohlenstoff ( CS
2
) ist ähnlich. [23] Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und seiner Assoziation mit der organischen Synthese wird Schwefelkohlenstoff manchmal als organisches Lösungsmittel eingestuft.

Das andere übliche Oxid ist Kohlenmonoxid (CO). Es entsteht durch unvollständige Verbrennung und ist ein farbloses, geruchloses Gas. Die Moleküle enthalten jeweils eine Dreifachbindung und sind ziemlich polar , was zu einer Tendenz führt, dauerhaft an Hämoglobinmoleküle zu binden, wodurch Sauerstoff verdrängt wird, der eine geringere Bindungsaffinität aufweist. [86] [87] Cyanid (CN - ) hat eine ähnliche Struktur, verhält sich jedoch ähnlich wie ein Halogenidion ( Pseudohalogen ). Beispielsweise kann es das Nitridcyanogenmolekül ((CN) 2 ) bilden, ähnlich wie zweiatomige Halogenide. Ebenso das schwerere Analogon von Cyanid, Cyaphid (CP -) wird auch als anorganisch angesehen, obwohl die meisten einfachen Derivate sehr instabil sind. Andere ungewöhnliche Oxide sind Kohlenstoffsuboxid ( C.
3
Ö
2
), [88] das instabile Dicarbonmonoxid (C 2 O), [89] [90] Kohlentrioxid (CO 3 ), [91] [92] Cyclopentanepenton (C 5 O 5 ), [93] Cyclohexanehexon (C 6 O. 6 ), [93] und Mellithsäureanhydrid (C 12 O 9 ). Mellitsäureanhydrid ist jedoch das dreifache Acylanhydrid der Mellitsäure; Darüber hinaus enthält es einen Benzolring. Daher betrachten viele Chemiker es als organisch.

Kohlenstoff bildet mit reaktiven Metallen wie Wolfram entweder Carbide (C 4− ) oder Acetylide ( C.2−
2
) um Legierungen mit hohen Schmelzpunkten zu bilden. Diese Anionen sind auch mit Methan und Acetylen assoziiert , beides sehr schwache Säuren . Bei einer Elektronegativität von 2,5 [94] bildet Kohlenstoff bevorzugt kovalente Bindungen . Einige Karbide sind kovalente Gitter wie Carborundum (SiC), das Diamant ähnelt . Trotzdem sind selbst die polarsten und salzartigsten Carbide keine vollständig ionischen Verbindungen. [95]

Metallorganische Verbindungen

Metallorganische Verbindungen enthalten per Definition mindestens eine kovalente Kohlenstoff-Metall-Bindung. Es gibt eine breite Palette solcher Verbindungen; Hauptklassen umfassen einfache Alkyl-Metallverbindungen (zum Beispiel Tetraethylblei ), η 2 -Alken Verbindungen (beispielsweise Zeise-Salz ) und η 3 -Allyl - Verbindungen (zum Beispiel, Allylpalladiumchlorid - Dimer ); Metallocene, die Cyclopentadienylliganden enthalten (zum Beispiel Ferrocen ); und Übergangsmetallcarbenkomplexe . Es gibt viele Metallcarbonyle und Metallcyanide (zum Beispiel Tetracarbonylnickel und Kaliumferricyanid)); Einige Arbeiter betrachten Metallcarbonyl- und Cyanidkomplexe ohne andere Kohlenstoffliganden als rein anorganisch und nicht metallorganisch. Die meisten metallorganischen Chemiker betrachten Metallkomplexe mit einem beliebigen Kohlenstoffliganden, selbst "anorganischem Kohlenstoff" (z. B. Carbonyle, Cyanide und bestimmte Arten von Carbiden und Acetyliden), als metallorganisch. Metallkomplexe, die organische Liganden ohne kovalente Kohlenstoff-Metall-Bindung enthalten (z. B. Metallcarboxylate), werden als metallorganische Verbindungen bezeichnet.

Während Kohlenstoff die Bildung von vier kovalenten Bindungen stark bevorzugt, sind auch andere exotische Bindungsschemata bekannt. Carborane sind hochstabile dodekaedrische Derivate der [B 12 H 12 ] 2- Einheit, wobei ein BH durch ein CH + ersetzt wird . Somit ist der Kohlenstoff an fünf Boratome und ein Wasserstoffatom gebunden. Das Kation [(Ph 3 PAu) 6 C] 2+ enthält einen oktaedrischen Kohlenstoff, der an sechs Phosphin-Gold-Fragmente gebunden ist. Dieses Phänomen wurde auf die Aurophilie der Goldliganden zurückgeführt, die eine zusätzliche Stabilisierung einer ansonsten labilen Spezies bewirken. [96]In der Natur hat der Eisen-Molybdän-Cofaktor ( FeMoco ), der für die mikrobielle Stickstofffixierung verantwortlich ist, ebenfalls ein oktaedrisches Kohlenstoffzentrum (formal ein Carbid, C (-IV)), das an sechs Eisenatome gebunden ist. 2016 wurde bestätigt, dass die Hexamethylbenzol-Dikation gemäß früheren theoretischen Vorhersagen ein Kohlenstoffatom mit sechs Bindungen enthält. Insbesondere könnte die Dikation strukturell durch die Formulierung [MeC (η 5 -C 5 Me 5 )] 2+ beschrieben werden , was es zu einem "organischen Metallocen " macht, in dem ein MeC 3+ -Fragment an ein η 5 -C 5 gebunden ist Ich 5 -Fragment durch alle fünf Kohlenstoffe des Rings. [97]

Dieses Anthracenderivat enthält ein Kohlenstoffatom mit 5 formalen Elektronenpaaren.

Es ist wichtig zu beachten, dass in den obigen Fällen jede der Bindungen an Kohlenstoff weniger als zwei formale Elektronenpaare enthält. Somit überschreitet die formale Elektronenzahl dieser Spezies ein Oktett nicht. Dies macht sie hyperkoordiniert, aber nicht hypervalent. Selbst in Fällen mutmaßlicher 10-C-5-Spezies (dh eines Kohlenstoffs mit fünf Liganden und einer formalen Elektronenzahl von zehn), wie von Akiba et al. Berichtet, [98] schließen elektronische Strukturberechnungen, dass die Elektronenpopulation in der Nähe liegt Kohlenstoff ist immer noch weniger als acht, wie dies auch für andere Verbindungen mit Vier-Elektronen -Dreizentrenbindung der Fall ist .

Geschichte und Etymologie

Antoine Lavoisier in seiner Jugend

Der englische Name Kohlenstoff stammt aus dem Lateinischen carbo für Kohle und Kohle, [99] , woher kommt auch das Französisch charbon , was bedeutet , Holzkohle. In Deutsch , Niederländisch und Dänisch sind die Namen für Kohlenstoff Kohlenstoff , koolstof und kulstof jeweils alle wörtlich Kohle -Substanz.

Kohlenstoff wurde in der Vorgeschichte entdeckt und war den frühesten menschlichen Zivilisationen in Form von Ruß und Holzkohle bekannt . Diamanten waren wahrscheinlich bereits 2500 v. Chr. In China bekannt, während Kohlenstoff in Form von Holzkohle in der Römerzeit nach der gleichen Chemie wie heute hergestellt wurde, indem Holz in einer mit Ton bedeckten Pyramide erhitzt wurde , um Luft auszuschließen. [100] [101]

Carl Wilhelm Scheele

René Antoine Ferchault de Réaumur demonstrierte 1722, dass Eisen durch Absorption einer Substanz, die heute als Kohlenstoff bekannt ist, in Stahl umgewandelt wurde. [102] 1772 zeigte Antoine Lavoisier , dass Diamanten eine Form von Kohlenstoff sind. als er Proben von Holzkohle und Diamant verbrannte und feststellte, dass keiner von beiden Wasser produzierte und dass beide die gleiche Menge Kohlendioxid pro Gramm freisetzten . 1779 [103] zeigte Carl Wilhelm Scheele diesen Graphit, der als Bleiform angesehen worden warwar stattdessen identisch mit Holzkohle, jedoch mit einer kleinen Beimischung von Eisen, und dass es "Luftsäure" (sein Name für Kohlendioxid) ergab, wenn es mit Salpetersäure oxidiert wurde. [104] 1786 bestätigten die französischen Wissenschaftler Claude Louis Berthollet , Gaspard Monge und CA Vandermonde, dass Graphit hauptsächlich Kohlenstoff war, indem sie ihn in Sauerstoff oxidierten, ähnlich wie Lavoisier es mit Diamant getan hatte. [105] Es blieb wieder etwas Eisen übrig, was die französischen Wissenschaftler für die Graphitstruktur für notwendig hielten. In ihrer Veröffentlichung schlugen sie den Namen Carbone (Latin Carbonum ) für das Element in Graphit vor, das beim Verbrennen von Graphit als Gas abgegeben wurde. Antoine Lavoisier listete dann Kohlenstoff alsElement in seinem 1789 Lehrbuch. [106]

Ein neues Kohlenstoff- Allotrop , Fulleren , das 1985 entdeckt wurde [107], umfasst nanostrukturierte Formen wie Buckyballs und Nanoröhren . [30] Ihre Entdecker - Robert Curl , Harold Kroto und Richard Smalley  - erhielten 1996 den Nobelpreis für Chemie. [108] Das daraus resultierende erneute Interesse an neuen Formen führte zur Entdeckung weiterer exotischer Allotrope, einschließlich Glaskohlenstoff , und zur Realisierung dieser " amorphe Kohlenstoff " ist nicht streng amorph .[37]

Produktion

Graphit

Kommerziell realisierbare natürliche Graphitvorkommen kommen in vielen Teilen der Welt vor, aber die wirtschaftlich wichtigsten Quellen sind China , Indien , Brasilien und Nordkorea . Graphitablagerungen sind metamorphen Ursprungs und werden in Verbindung mit Quarz , Glimmer und Feldspat in Schiefern, Gneisen und metamorphosierten Sandsteinen sowie Kalkstein als Linsen oder Adern gefunden , die manchmal einen Meter oder mehr dick sind. Graphitablagerungen in Borrowdale , Cumberland ,England hatte zunächst eine ausreichende Größe und Reinheit, so dass Bleistifte bis zum 19. Jahrhundert einfach durch Sägen von Blöcken aus natürlichem Graphit in Streifen hergestellt wurden, bevor die Streifen in Holz gehüllt wurden. Heutzutage werden kleinere Graphitablagerungen erhalten, indem das Muttergestein zerkleinert und der leichtere Graphit auf Wasser geschwommen wird. [109]

Es gibt drei Arten von natürlichem Graphit: amorphes, flockiges oder kristallines Flocken sowie Ader oder Klumpen. Amorpher Graphit ist die niedrigste Qualität und am häufigsten. Im Gegensatz zur Wissenschaft bezieht sich "amorph" in der Industrie eher auf eine sehr kleine Kristallgröße als auf das völlige Fehlen einer Kristallstruktur. Amorph wird für Graphitprodukte mit niedrigerem Wert verwendet und ist der Graphit mit dem niedrigsten Preis. Große amorphe Graphitvorkommen finden sich in China, Europa, Mexiko und den Vereinigten Staaten. Flockengraphit ist seltener und von höherer Qualität als amorph; es kommt als separate Platten vor, die in metamorphem Gestein kristallisierten. Flockengraphit kann das Vierfache des Preises von amorphem Graphit betragen. Flocken von guter Qualität können für viele Zwecke, wie z. B. Flammschutzmittel, zu expandierbarem Graphit verarbeitet werden. Die wichtigsten Lagerstätten befinden sich in Österreich, Brasilien, Kanada, China, Deutschland und Madagaskar. Venen- oder Klumpengraphit ist die seltenste, wertvollste und qualitativ hochwertigste Art von natürlichem Graphit. Es kommt in Adern entlang aufdringlicher Kontakte in festen Klumpen vor und wird nur in Sri Lanka kommerziell abgebaut. [109]

Laut USGS belief sich die weltweite Produktion von natürlichem Graphit im Jahr 2010 auf 1,1 Millionen Tonnen, zu denen China 800.000 t, Indien 130.000 t, Brasilien 76.000 t, Nordkorea 30.000 t und Kanada 25.000 t beitrugen. In den USA wurde kein natürlicher Graphit abgebaut, aber 2009 wurden 118.000 t synthetischer Graphit mit einem geschätzten Wert von 998 Mio. USD hergestellt. [109]

Diamant

Diamantproduktion im Jahr 2005

Die Diamantlieferkette wird von einer begrenzten Anzahl mächtiger Unternehmen kontrolliert und ist auch an wenigen Standorten auf der ganzen Welt stark konzentriert (siehe Abbildung).

Nur ein sehr kleiner Teil des Diamanterzes besteht aus tatsächlichen Diamanten. Das Erz wird zerkleinert, wobei darauf zu achten ist, dass bei diesem Vorgang keine größeren Diamanten zerstört werden und anschließend die Partikel nach Dichte sortiert werden. Heute werden Diamanten mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz in der diamantreichen Dichtefraktion lokalisiert , wonach die letzten Sortierschritte von Hand durchgeführt werden. Bevor die Verwendung von Röntgenstrahlen üblich wurde, erfolgte die Trennung mit Fettbändern; Diamanten neigen stärker dazu, an Fett zu haften als die anderen Mineralien im Erz. [110]

Historisch gesehen waren Diamanten nur in alluvialen Lagerstätten in Südindien zu finden . [111] Indien war von der Zeit seiner Entdeckung im 9. Jahrhundert v. Chr. [112] bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts n. Chr. Weltweit führend in der Diamantenproduktion. Das kommerzielle Potenzial dieser Quellen war jedoch bis zum Ende des 18. Jahrhunderts und später erschöpft Zu dieser Zeit wurde Indien von Brasilien verdunkelt, wo 1725 die ersten nicht-indischen Diamanten gefunden wurden. [113]

Die Diamantproduktion von Primärvorkommen (Kimberlite und Lamproite) begann erst in den 1870er Jahren nach der Entdeckung der Diamantfelder in Südafrika. Die Produktion hat im Laufe der Zeit zugenommen und seit diesem Datum wurden insgesamt 4,5 Milliarden Karat abgebaut. [114] Etwa 20% dieser Menge wurden allein in den letzten 5 Jahren abgebaut, und in den letzten zehn Jahren haben 9 neue Minen die Produktion aufgenommen, während 4 weitere darauf warten, bald eröffnet zu werden. Die meisten dieser Minen befinden sich in Kanada, Simbabwe, Angola und eine in Russland. [114]

In den Vereinigten Staaten wurden Diamanten in Arkansas , Colorado und Montana gefunden . [115] [116] Im Jahr 2004 führte eine überraschende Entdeckung eines mikroskopisch kleinen Diamanten in den USA [117] im Januar 2008 zur Massenprobenahme von Kimberlit-Rohren in einem abgelegenen Teil von Montana . [118]

Heute befinden sich die meisten kommerziell rentablen Diamantenvorkommen in Russland , Botswana , Australien und der Demokratischen Republik Kongo . [119] Im Jahr 2005 produzierte Russland fast ein Fünftel der weltweiten Diamantenproduktion, berichtet der British Geological Survey . Australien hat das reichste diamanthaltige Rohr mit einer Produktion, die in den neunziger Jahren Spitzenwerte von 42 Tonnen (41 lange Tonnen; 46 kurze Tonnen) pro Jahr erreichte. [115] Es gibt auch kommerzielle Einlagen aktiv in den verminten werden Nordwest - Territorien von Kanada , Sibirien (meist in Jakutien Gebiet , zum Beispiel,Mir Pipe und Udachnaya Pipe ), Brasilien sowie in Nord- und Westaustralien .

Anwendungen

Bleistiftminen für Druckbleistifte bestehen aus Graphit (oft mit einem Ton oder einem synthetischen Bindemittel gemischt).
Weinstöcke und gepresste Holzkohle
Ein Tuch aus gewebten Kohlenstofffasern
Siliziumkarbid- Einkristall
Das C 60 -Fulleren in kristalliner Form
Wolframcarbid- Schaftfräser

Kohlenstoff ist für alle bekannten lebenden Systeme essentiell und ohne ihn könnte das Leben, wie wir es kennen, nicht existieren (siehe alternative Biochemie ). Der größte wirtschaftliche Einsatz von Kohlenstoff außer Lebensmitteln und Holz erfolgt in Form von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methangas mit fossilen Brennstoffen und Rohöl (Erdöl). Rohöl wird in Raffinerien von der petrochemischen Industrie destilliert , um Benzin , Kerosin und andere Produkte herzustellen. Cellulose ist ein natürliches, kohlenstoffhaltiges Polymer, das von Pflanzen in Form von Holz , Baumwolle und Leinen hergestellt wirdund Hanf . Cellulose wird hauptsächlich zur Aufrechterhaltung der Struktur in Pflanzen verwendet. Kommerziell wertvolle Kohlenstoffpolymere tierischen Ursprungs umfassen Wolle , Kaschmir und Seide . Kunststoffe werden aus synthetischen Kohlenstoffpolymeren hergestellt, wobei häufig Sauerstoff- und Stickstoffatome in regelmäßigen Abständen in der Hauptpolymerkette enthalten sind. Die Rohstoffe für viele dieser synthetischen Substanzen stammen aus Rohöl.

Die Verwendung von Kohlenstoff und seinen Verbindungen ist äußerst vielfältig. Es kann mit Eisen Legierungen bilden , von denen Kohlenstoffstahl am häufigsten ist . Graphit wird mit Tonen kombiniert , um das "Blei" zu bilden, das in Stiften verwendet wird, die zum Schreiben und Zeichnen verwendet werden . Es wird auch als ein gebrauchtes Schmiermittel und ein Pigment , als ein Formmaterial in Glasherstellung, in Elektroden für Trockenbatterien und in Galvanotechnik und Galvanoformung , in Bürste fürElektromotoren und als Neutronenmoderator in Kernreaktoren .

Holzkohle wird als Zeichenmaterial für Kunstwerke , Grillen , Eisenschmelzen und viele andere Anwendungen verwendet. Holz, Kohle und Öl werden als Brennstoff für die Energieerzeugung und Heizung verwendet . Diamant in Edelsteinqualität wird in Schmuck verwendet, und Industriediamanten werden in Bohr-, Schneid- und Polierwerkzeugen für die Bearbeitung von Metallen und Steinen verwendet. Kunststoffe werden aus fossilen Kohlenwasserstoffen hergestellt, und Kohlenstofffasern , die durch Pyrolyse von synthetischen Polyesterfasern hergestellt werden, werden zur Verstärkung von Kunststoffen verwendet, um fortschrittliche, leichte Verbundwerkstoffe zu bilden .

Kohlenstofffasern werden durch Pyrolyse von extrudierten und gestreckten Filamenten aus Polyacrylnitril (PAN) und anderen organischen Substanzen hergestellt. Die kristallographische Struktur und die mechanischen Eigenschaften der Faser hängen von der Art des Ausgangsmaterials und von der anschließenden Verarbeitung ab. Aus PAN hergestellte Kohlenstofffasern haben eine Struktur, die schmalen Graphitfilamenten ähnelt, aber die thermische Verarbeitung kann die Struktur in eine kontinuierlich gewalzte Folie umordnen. Das Ergebnis sind Fasern mit einer höheren spezifischen Zugfestigkeit als Stahl. [120]

Ruß wird als Schwarz verwendet Pigment in Drucktinte , Malerölfarbe und Wasserfarben, Kohlepapier , Automobillacken, Tusche und Laserdruckers Toner . Ruß wird auch als Füllstoff in Gummiprodukten wie Reifen und in Kunststoffmischungen verwendet. Aktivkohle wird als Absorptions- und Adsorbens in Filtermaterial in so unterschiedlichen Anwendungen wie Gasmasken , Wasserreinigung und verwendet Küchenabzugshauben , und in der Medizin zu absorbieren , Toxine, Gifte, oder Gas aus dem Verdauungssystem . Kohlenstoff wird bei der chemischen Reduktion bei hohen Temperaturen verwendet. Koks wird verwendet, um Eisenerz zu Eisen zu reduzieren (Schmelzen). Das Einsatzhärten von Stahl wird durch Erhitzen von fertigen Stahlbauteilen in Kohlenstoffpulver erreicht. Carbide aus Silizium , Wolfram , Bor und Titan gehören zu den härtesten bekannten Materialien und werden als Schleifmittel verwendetin Schneid- und Schleifwerkzeugen. Kohlenstoffverbindungen machen die meisten in Kleidung verwendeten Materialien aus, wie natürliche und synthetische Textilien und Leder , und fast alle Innenflächen in der gebauten Umgebung außer Glas, Stein und Metall.

Diamanten

Die Diamantenindustrie lässt sich in zwei Kategorien einteilen: eine mit Diamanten in Edelsteinqualität und die andere mit Diamanten in Industriequalität. Während ein großer Handel mit beiden Arten von Diamanten besteht, funktionieren die beiden Märkte dramatisch unterschiedlich.

Im Gegensatz zu Edelmetallen wie Gold oder Platin werden Edelsteindiamanten nicht als Ware gehandelt : Der Verkauf von Diamanten ist mit einem erheblichen Aufschlag verbunden, und es gibt keinen sehr aktiven Markt für den Weiterverkauf von Diamanten.

Industriediamanten werden hauptsächlich wegen ihrer Härte und Wärmeleitfähigkeit geschätzt, wobei die gemologischen Eigenschaften von Klarheit und Farbe größtenteils irrelevant sind. Ungefähr 80% der abgebauten Diamanten (das entspricht ungefähr 100 Millionen Karat oder 20 Tonnen pro Jahr) sind für die Verwendung ungeeignet, da Edelsteine ​​für die industrielle Verwendung (bekannt als Bort ) verbannt werden . [121] synthetische Diamanten , die in den 1950er Jahren erfunden wurden, fanden fast unmittelbare industrielle Anwendungen; Jährlich werden 3 Milliarden Karat (600  Tonnen ) synthetischer Diamant produziert. [122]

Die vorherrschende industrielle Verwendung von Diamant ist das Schneiden, Bohren, Schleifen und Polieren. Die meisten dieser Anwendungen erfordern keine großen Diamanten. Tatsächlich können die meisten Diamanten von Edelsteinqualität mit Ausnahme ihrer geringen Größe industriell verwendet werden. Diamanten werden in Bohrspitzen oder Sägeblätter eingebettet oder zu einem Pulver gemahlen, um sie zum Schleifen und Polieren zu verwenden. [123] Spezielle Anwendungen umfassen den Einsatz in Laboratorien als Containment für Hochdruckversuche (siehe Diamantstempelzelle ), Hochleistungslager und begrenzte Verwendung in spezialisierten Fenstern . [124] [125]Mit den fortschreitenden Fortschritten bei der Herstellung von synthetischen Diamanten werden neue Anwendungen möglich. Viel Aufregung erregt die mögliche Verwendung von Diamant als für Mikrochips geeigneter Halbleiter und aufgrund seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit als Kühlkörper in der Elektronik . [126]

Vorsichtsmaßnahmen

Arbeiter auf dem Ruß - Anlage in Sunray, Texas (Foto von John Vachon , 1942)

Reiner Kohlenstoff hat eine äußerst geringe Toxizität für den Menschen und kann sicher in Form von Graphit oder Holzkohle gehandhabt werden. Es ist resistent gegen Auflösung oder chemischen Angriff, auch im sauren Inhalt des Verdauungstraktes. Folglich bleibt es wahrscheinlich auf unbestimmte Zeit dort, sobald es in das Gewebe des Körpers gelangt. Ruß war wahrscheinlich eines der ersten Pigmente, die zum Tätowieren verwendet wurden , und Ötzi, der Mann aus dem Eis , hatte Kohlenstoff-Tätowierungen, die während seines Lebens und 5200 Jahre nach seinem Tod überlebten. [127] Das Einatmen von Kohlenstaub oder Ruß (Ruß) in großen Mengen kann gefährlich sein, das Lungengewebe reizen und die kongestive Lungenerkrankung verursachen.Pneumokoniose des Kohlenarbeiters . Diamantstaub, der als Schleifmittel verwendet wird, kann beim Verschlucken oder Einatmen schädlich sein. Mikropartikel aus Kohlenstoff entstehen in Abgasen von Dieselmotoren und können sich in der Lunge ansammeln. [128] In diesen Beispielen kann der Schaden eher durch Verunreinigungen (z. B. organische Chemikalien, Schwermetalle) als durch den Kohlenstoff selbst verursacht werden.

Kohlenstoff hat im Allgemeinen eine geringe Toxizität für das Leben auf der Erde ; Aber Kohlenstoffnanopartikel sind für Drosophila tödlich . [129]

Kohlenstoff kann in Gegenwart von Luft bei hohen Temperaturen kräftig und hell verbrennen. Große Ansammlungen von Kohle, die in Abwesenheit von Sauerstoff seit Hunderten von Millionen von Jahren inert geblieben sind, können sich spontan verbrennen, wenn sie Luft in Mülldeponien, Schiffsladeräumen und Kohlebunkern [130] [131] und Lagerhalden ausgesetzt werden .

Bei nuklearen Anwendungen, bei denen Graphit als Neutronenmoderator verwendet wird, kann es zu einer Akkumulation von Wigner-Energie kommen, gefolgt von einer plötzlichen spontanen Freisetzung. Durch Tempern auf mindestens 250 ° C kann die Energie sicher freigesetzt werden, obwohl beim Windscale-Brand das Verfahren fehlgeschlagen ist und andere Reaktormaterialien verbrennen.

Die große Vielfalt an Kohlenstoffverbindungen umfasst tödliche Gifte wie Tetrodotoxin , das Lectin Ricin aus Samen der Rizinusölpflanze Ricinus communis , Cyanid (CN - ) und Kohlenmonoxid ; und solche lebenswichtigen Dinge wie Glukose und Protein .

Siehe auch

  • Kohlenstoff-Chauvinismus
  • Kohlenstoffdetonation
  • CO2-Fußabdruck
  • Kohlenstoffstern
  • CO2-arme Wirtschaft
  • Zeitleiste von Kohlenstoffnanoröhren

Verweise

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Literaturverzeichnis

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Externe Links

  • Carbon on In unserer Zeit bei der BBC
  • Kohlenstoff im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
  • Kohlenstoff auf Britannica
  • Umfangreiche Carbon-Seite unter asu.edu
  • Elektrochemische Verwendung von Kohlenstoff
  • Carbon - Super Zeug. Animation mit Sound und interaktiven 3D-Modellen.