1.

Einleitung

Kohlenstoff, Symbol C, das Element, das für die lebenden Organismen von essentieller Bedeutung ist und in der Industrie breite Verwendung findet. Seine Ordnungszahl ist 6. Kohlenstoff steht in der vierten Hauptgruppe (oder IVa) des Periodensystems.

2.

Eigenschaften

Die relative Atommasse von Kohlenstoff beträgt 12,01115. In der Natur kommt er als Diamant und Graphit in elementarer Form vor. Diese zwei Modifikationen sind Feststoffe mit extrem hohen Schmelzpunkten und lösen sich bei gewöhnlichen Temperaturen in keinem der üblichen Lösungsmittel. Eine weitere, allerdings nichtkristalline Form, ist der amorphe Kohlenstoff. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterstrukturen differieren die drei Formen in ihren physikalischen Eigenschaften stark. Bei Diamant, dem härtesten bekannten Material, ist jedes Kohlenstoffatom in einem dreidimensionalen Gitter von vier anderen Atomen umgeben. Graphit besteht dagegen aus schwach miteinander verbundenen ebenen Schichten, in denen die Kohlenstoffatome hexagonal angeordnet sind.

Im amorphen Kohlenstoff sind die Atome nicht kristallin, sondern regellos angeordnet. Man erhält ihn, wenn man beispielsweise reinen Zucker bei 900 °C unter Luftausschluss erhitzt.

Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit, sich mit anderen Atomen unter Bildung von komplexen Ketten und Ringen zu verbinden. Dank dieser Eigenschaft gibt es unzählige Kohlenstoffverbindungen, wobei die einfachsten aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Die ersten Kohlenstoffverbindungen der lebenden Materie wurden zu Beginn des 19. Jahrhunderts gefunden; die „organische” Chemie (siehe Chemie, organische) war damit geboren.

Bei gewöhnlichen Temperaturen ist Kohlenstoff nicht sonderlich reaktionsfreudig. Bei höheren Temperaturen reagiert er dagegen mit den meisten Metallen unter Bildung von Carbiden. Bei der Reaktion mit Sauerstoff können sich Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) bilden. Als Koks wird Kohlenstoff eingesetzt, um aus oxidischen Erzen den Sauerstoff zu entfernen und das reine Metall zu erhalten. Auch mit den meisten nicht metallischen Elementen geht Kohlenstoff Verbindungen ein, wenn auch einige von ihnen, z. B. Tetrachlormethan (CCl₄), auf indirektem Wege gebildet werden müssen.

3.

Vorkommen

Kohlenstoff ist das am häufigsten anzutreffende Element in der Natur, obwohl nur circa 0,087 Prozent der obersten 16 Kilometer der Erdkruste aus Kohlenstoff bestehen. Man findet ihn dort hauptsächlich in Form von Carbonaten. Kohlendioxid, als wichtiger Bestandteil der Atmosphäre, wird von den Pflanzen zum Aufbau lebender Materie benutzt. Pflanzen sind zur Photosynthese befähigt, d. h., sie können Kohlendioxid in organische Verbindungen umwandeln, die dann von anderen Organismen konsumiert werden (siehe Kohlenstoffzyklus).

Amorphen Kohlenstoff findet man in unterschiedlicher Reinheit in Holzkohle, Kohle, Koks, Ruß und Flammenruß. Flammenruß wird manchmal fälschlicherweise als Ruß bezeichnet. Man gewinnt ihn durch Verbrennung flüssiger Kohlenwasserstoffe, z. B. aus Petroleum. Wenn dabei nicht genügend Luft vorhanden ist, rußt die Flamme. Der Rauch oder Ruß wird gesondert aufgefangen. Früher wurde dieser Flammenruß als schwarzes Pigment in Druck- und Anstrichfarben eingesetzt. Heutzutage verwendet man qualitativ besseren Ruß, der aus feineren Teilchen besteht und auch als Gasruß bezeichnet wird. Er wird durch unvollständige Verbrennung von Erdgas hergestellt und z. B. als Füllstoff und Verstärkungsmaterial in Gummi eingesetzt (Reifenindustrie).

Im Jahr 1985 verdampften Wissenschaftler Graphit und erhielten eine neuartige stabile Form von Kohlenstoff. Diese bestand aus 60 miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen, die nahezu kugelförmig zu einer Art Fußball angeordnet waren. Die neue Modifikation wurde Buckminsterfulleren genannt (siehe R. Buckminster Fuller). Es wird angenommen, dass das Molekül im interstellaren Staub vorkommt.

4.

Wissenschaftliche Anwendungen

Das häufigste Kohlenstoffisotop ist Kohlenstoff 12. Dieses wurde 1961 ausgewählt, um das bis dahin als Standard für die relative Atommasse verwendete Isotop Sauerstoff 16 zu ersetzen. Ihm wurde die relative Atommasse 12 zugeordnet.

Die Isotope Kohlenstoff 13 und Kohlenstoff 14 finden in großem Maße als Markierungssubstanzen (siehe Isotopentracer) in der biochemischen Forschung Anwendung. Kohlenstoff 14 wird auch bei der Radiokohlenstoffmethode angewandt (siehe Altersbestimmung, Verfahren zur). Mit ihr kann das Alter von Fossilien und von anderen organischen Stoffen abgeschätzt werden. Durch kosmische Strahlung wird Kohlenstoff 14 beständig in der Atmosphäre gebildet und somit in jegliche lebende Materie mit eingebaut. Kohlenstoff 14 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5 760 Jahren. Folglich lässt sich das Verhältnis von Kohlenstoff 14 zu Kohlenstoff 12 in einer gegebenen Probe und daraus das ungefähre Alter der Probe bestimmen.