Kohlenstoff - Carbon
 Graphit (links) und Diamant (rechts), zwei Allotrope von Kohlenstoff
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| Kohlenstoff | ||||||||||||||||||||||||||
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| Allotrope | Graphit , Diamant , andere | |||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | ||||||||||||||||||||||||||
| Standardatomgewicht A r, std (C) | [12.0096 , 12.0116 ] konventionell: 12.011 | |||||||||||||||||||||||||
| Kohlenstoff im Periodensystem | ||||||||||||||||||||||||||
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| Ordnungszahl ( Z ) | 6 | |||||||||||||||||||||||||
| Gruppe | Gruppe 14 (Kohlenstoffgruppe) | |||||||||||||||||||||||||
| Zeitraum | Periode 2 | |||||||||||||||||||||||||
| Block | p-Block | |||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [ Er ] 2s 2 2p 2 | |||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Schale | 2, 4 | |||||||||||||||||||||||||
| Physikalische Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||
| Phase bei STP | fest | |||||||||||||||||||||||||
| Sublimationspunkt | 3915 K (3642 °C, 6588 °F) | |||||||||||||||||||||||||
| Dichte (nahe rt ) | amorph: 1,8–2,1 g/cm 3 Graphit: 2,267 g/cm 3 Diamant: 3,515 g/cm 3 |
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| Dreifacher Punkt | 4600 K, 10.800 kPa | |||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | Graphit: 117 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
| Molare Wärmekapazität | Graphit: 8,517 J/(mol·K) Diamant: 6,155 J/(mol·K) |
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| Atomare Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationsstufen | -4 , -3 , -2 , -1 , 0 , +1 , +2 , +3 , +4 (ein schwach saures Oxid) | |||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | Pauling-Skala: 2,55 | |||||||||||||||||||||||||
| Ionisierungsenergien | ||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | Sp 3 : 77 Uhr Sp 2 : 73 Uhr Sp: 69 Uhr |
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| Van-der-Waals-Radius | 170 Uhr | |||||||||||||||||||||||||
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| Andere Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||
| Natürliches Vorkommen | urtümlich | |||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | Graphit: einfache hexagonale (Schwarz) |
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| Kristallstruktur | Diamant: flächenzentrierten Diamant-Kubik (klar) |
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| Schallgeschwindigkeit dünner Stab | Diamant: 18.350 m/s (bei 20 °C) | |||||||||||||||||||||||||
| Wärmeausdehnung | Diamant: 0,8 µm/(m⋅K) (bei 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | Graphit: 119–165 W/(m⋅K) Diamant: 900–2300 W/(m⋅K) |
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| Elektrischer widerstand | Graphit: 7.837 µΩ⋅m | |||||||||||||||||||||||||
| Magnetische Bestellung | diamagnetisch | |||||||||||||||||||||||||
| Molare magnetische Suszeptibilität | Diamant: −5,9 × 10 −6 cm 3 /mol | |||||||||||||||||||||||||
| Elastizitätsmodul | Diamant: 1050 GPa | |||||||||||||||||||||||||
| Schubmodul | Diamant: 478 GPa | |||||||||||||||||||||||||
| Schüttmodul | Diamant: 442 GPa | |||||||||||||||||||||||||
| QUERKONTRAKTIONSZAHL | Diamant: 0.1 | |||||||||||||||||||||||||
| Mohs-Härte | Graphit: 1–2 Diamant: 10 |
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| CAS-Nummer | ||||||||||||||||||||||||||
| Geschichte | ||||||||||||||||||||||||||
| Entdeckung | Ägypter und Sumerer (3750 v. Chr.) | |||||||||||||||||||||||||
| Anerkannt als Element von | Antoine Lavoisier (1789) | |||||||||||||||||||||||||
| Haupt Isotope von Kohlenstoff | ||||||||||||||||||||||||||
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Kohlenstoff (von lateinisch : carbo „Kohle“) ist ein chemisches Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6. Es ist nichtmetallisch und vierwertig – vier Elektronen stehen zur Verfügung, um kovalente chemische Bindungen zu bilden . Es gehört zur Gruppe 14 des Periodensystems. Kohlenstoff macht nur etwa 0,025 Prozent der Erdkruste aus. Drei Isotope kommen natürlich vor, 12 C und 13 C sind stabil, während 14 C ein Radionuklid ist , das mit einer Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren zerfällt. Kohlenstoff ist eines der wenigen Elemente, die seit der Antike bekannt sind .
Kohlenstoff ist das 15. häufigste Element in der Erdkruste und das vierthäufigste Element im Universum nach Masse nach Wasserstoff , Helium und Sauerstoff . Die Fülle von 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 (ca. 18,5%).
Die Kohlenstoffatome können sich auf verschiedene Weise miteinander verbinden, was zu verschiedenen Allotropen von Kohlenstoff führt . Bekannte Allotrope sind Graphit , Diamant , amorpher Kohlenstoff und Fullerene . Die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff variieren stark mit der allotropen Form. Graphit ist beispielsweise opak und schwarz, während Diamant hochtransparent ist . Graphit ist weich genug, um auf Papier einen Streifen zu bilden (daher sein Name, vom griechischen Verb "γράφειν", was "schreiben" bedeutet), während Diamant das härteste bekannte natürlich vorkommende Material ist. Graphit ist ein guter elektrischer Leiter, während Diamant eine geringe elektrische Leitfähigkeit hat . Unter normalen Bedingungen, Diamant, Kohlenstoff - Nanoröhrchen und Graphen haben die höchsten Wärmeleitfähigkeiten von allen bekannten Materialien . Alle Kohlenstoffallotrope 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 selbst mit Sauerstoff zu reagieren.
Die häufigste Oxidationsstufe von Kohlenstoff in anorganischen Verbindungen ist +4, während +2 in Kohlenmonoxid- und Übergangsmetall- Carbonyl- Komplexen gefunden wird. Die größten Quellen für anorganischen Kohlenstoff sind Kalksteine , Dolomit und Kohlendioxid , aber bedeutende Mengen kommen in organischen Lagerstätten von Kohle , Torf , Öl und Methanklathraten vor . Kohlenstoff bildet eine Vielzahl von Verbindungen , mehr als jedes andere Element, mit fast zehn Millionen bisher beschriebenen Verbindungen, und doch ist diese Zahl nur ein Bruchteil der Zahl der theoretisch möglichen Verbindungen unter Standardbedingungen. Aus diesem Grund wird Kohlenstoff oft als „König der Elemente“ bezeichnet.
Eigenschaften
Zu den Allotropen des Kohlenstoffs 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. Kohlenstoff bildet bekanntlich fast zehn Millionen Verbindungen, eine große Mehrheit aller chemischen Verbindungen . Carbon hat auch den höchsten Sublimationspunkt aller Elemente. Bei Atmosphärendruck hat es keinen Schmelzpunkt, da sein Tripelpunkt 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) liegt es sublimiert bei etwa 3.900 K (3.630 ° C; 6.560 ° F). Graphit ist unter Standardbedingungen viel reaktiver als Diamant, obwohl es thermodynamisch stabiler ist, da sein delokalisiertes Pi-System viel anfälliger für Angriffe ist. Graphit kann beispielsweise durch heiße konzentrierte Salpetersäure unter Standardbedingungen zu Mellitsäure , C 6 (CO 2 H) 6 oxidiert werden , die die hexagonalen Einheiten des Graphits erhält , während die größere Struktur aufgebrochen wird.
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 thermodynamisch anfällig für Oxidation , widersteht Kohlenstoff der Oxidation effektiver als Elemente wie Eisen und Kupfer , die bei Raumtemperatur schwächere Reduktionsmittel sind.
Kohlenstoff ist das sechste Element, mit einer im Grundzustand Elektronenkonfiguration von 1s 2 2s 2 2P 2 , von denen die vier äußeren Elektronen Valenzelektronen . Seine ersten vier Ionisationsenergien, 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 ist 2,5, deutlich höher als die der schwereren Elemente der Gruppe 14 (1,8–1,9), aber nahe der meisten der nahegelegenen Nichtmetalle sowie einiger der Übergangsmetalle der zweiten und dritten Reihe . Die kovalenten Radien von Kohlenstoff werden normalerweise mit 77.2 pm (C−C), 66.7 pm (C=C) und 60.3 pm (C≡C) angenommen, obwohl diese je nach Koordinationszahl und Bindung des Kohlenstoffs variieren können. Im Allgemeinen nimmt der kovalente Radius mit niedrigerer Koordinationszahl und höherer Bindungsordnung ab.
Kohlenstoffverbindungen bilden die Grundlage allen bekannten Lebens auf der Erde , und der Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus liefert einen Teil der von der Sonne und anderen Sternen produzierten Energie . Obwohl es eine außerordentliche Vielfalt von Verbindungen bildet, sind die meisten Formen von Kohlenstoff unter normalen Bedingungen vergleichsweise unreaktiv. Bei Standardtemperatur und -druck widersteht es allen außer den stärksten Oxidationsmitteln. Es reagiert nicht mit Schwefelsäure , Salzsäure , Chlor oder anderen Alkalien . Bei erhöhten Temperaturen reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Kohlenstoffoxiden und entzieht den 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
3Ö
4+ 4 C (s) + 2 O
2→ 3 Fe (s) + 4 CO
2(g) .
Kohlenstoff reagiert mit Schwefel zur Bildung von Schwefelkohlenstoff , und es reagiert mit Wasserdampf in dem Reaktionsgas in kohlen verwendete Kohlevergasung :
- C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g) .
Kohlenstoff verbindet sich mit einigen Metallen bei hohen Temperaturen zu Metallkarbiden, wie dem Eisenkarbid- Zementit in Stahl und Wolframkarbid , die häufig als Schleifmittel und zur Herstellung harter Spitzen für Schneidwerkzeuge verwendet werden.
Das System der Kohlenstoffallotrope umfasst eine Reihe von Extremen:
| Graphit ist eines der weichsten bekannten Materialien. | Synthetischer nanokristalliner Diamant ist das härteste bekannte Material. |
| Graphit ist ein sehr gutes Schmiermittel mit Superschmierfähigkeit . | Diamant ist das ultimative Schleifmittel . |
| Graphit ist ein Leiter von Elektrizität. | Diamant ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator und hat das höchste elektrische Durchschlagsfeld aller bekannten Materialien. |
| Einige Formen von Graphit werden zur Wärmedämmung verwendet (zB Feuer- und Hitzeschilde), aber andere Formen sind gute Wärmeleiter. | Diamant ist der bekannteste natürlich vorkommende Wärmeleiter |
| Graphit ist undurchsichtig . | Diamant ist hochtransparent. |
| Graphit kristallisiert im hexagonalen System . | Diamant kristallisiert im kubischen System . |
| Amorpher Kohlenstoff ist vollständig isotrop . | Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den anisotropsten bekannten Materialien. |
Allotrope
Atomarer Kohlenstoff ist eine sehr kurzlebige Spezies und daher wird Kohlenstoff in verschiedenen mehratomigen Strukturen mit unterschiedlichen molekularen Konfigurationen, sogenannten Allotropen, stabilisiert . Die drei relativ bekannten Allotrope von Kohlenstoff sind amorpher Kohlenstoff , Graphit und Diamant . Einst als exotisch angesehen, werden Fullerene heute häufig synthetisiert und in der Forschung verwendet; Dazu gehören Buckyballs , Kohlenstoff-Nanoröhrchen , Kohlenstoff-Nanoknospen und Nanofasern . Mehrere andere exotische Allotrope wurden ebenfalls entdeckt, wie Lonsdaleit , Glaskohlenstoff , Kohlenstoff-Nanoschaum und linearer acetylenischer Kohlenstoff (Carbin).
Graphen ist eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht, bei der die Atome in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Seit 2009 scheint Graphen das stärkste Material zu sein, das jemals getestet wurde. Der Prozess der Abtrennung von Graphit erfordert einige technologische Weiterentwicklungen, bevor er für industrielle Prozesse wirtschaftlich ist. Im Erfolgsfall könnte Graphen beim Bau eines Weltraumaufzugs verwendet werden . Es könnte auch verwendet werden, um Wasserstoff zur Verwendung in einem wasserstoffbasierten Motor in Autos sicher zu speichern.
Die amorphe Form ist eine Ansammlung von Kohlenstoffatomen in einem nicht-kristallinen, unregelmäßigen, glasigen Zustand, die nicht in einer kristallinen Makrostruktur gehalten werden. Es liegt als Pulver vor und ist Hauptbestandteil von Stoffen wie Holzkohle , Lampenruß ( Ruß ) und Aktivkohle . Bei Normaldruck liegt Kohlenstoff in Form von Graphit vor, bei dem jedes Atom in einer Ebene aus kondensierten hexagonalen Ringen trigonal mit drei anderen verbunden ist , genau wie bei aromatischen Kohlenwasserstoffen . Das resultierende Netzwerk ist zweidimensional, und die resultierenden flachen Platten werden gestapelt und durch schwache Van-der-Waals-Kräfte lose verbunden . Dadurch erhält Graphit seine Weichheit und seine spaltenden Eigenschaften (die Platten gleiten leicht aneinander vorbei). Aufgrund der Delokalisierung eines der äußeren Elektronen jedes Atoms, um eine π-Wolke zu bilden , leitet Graphit Elektrizität , jedoch nur in der Ebene jedes kovalent gebundenen Blattes. Dies führt bei Kohlenstoff zu einer geringeren elektrischen Gesamtleitfähigkeit als bei den meisten Metallen . Die Delokalisierung erklärt auch die energetische Stabilität von Graphit gegenüber Diamant bei Raumtemperatur.
Bei sehr hohen Drücken bildet Kohlenstoff das kompaktere Allotrop Diamant mit fast der doppelten Dichte von Graphit. Hier ist jedes Atom tetraedrisch mit vier anderen verbunden, wodurch ein dreidimensionales Netzwerk aus gekräuselten sechsgliedrigen Atomringen entsteht. Diamant hat die gleiche kubische Struktur wie Silizium und Germanium und ist aufgrund der Festigkeit der Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindungen die härteste natürlich vorkommende Substanz, gemessen an der Kratzfestigkeit . Entgegen der landläufigen Meinung "Diamanten sind für immer" sind sie unter Normalbedingungen (298 K, 10 5 Pa) thermodynamisch instabil (Δ f G °(Diamant, 298 K) = 2,9 kJ/mol ) und sollten sich theoretisch in Graphit umwandeln . Aufgrund einer hohen Aktivierungsenergiebarriere ist der Übergang in Graphit jedoch bei Normaltemperatur so langsam, dass er nicht wahrnehmbar ist. Bei sehr hohen Temperaturen verwandelt sich Diamant jedoch in Graphit, und Diamanten können bei einem Hausbrand verbrennen. Die untere linke Ecke des Phasendiagramms für Kohlenstoff wurde nicht experimentell untersucht. Obwohl eine Computerstudie mit dichtefunktionaltheoretischen Methoden zu dem Schluss kam, dass Diamant bei T → 0 K und p → 0 Pa um ungefähr 1,1 kJ/mol stabiler wird als Graphit, zeigen neuere und definitive experimentelle und rechnerische Studien, dass Graphit mehr stabil als Diamant für T < 400 K , ohne angelegten Druck, um 2,7 kJ/mol bei T = 0 K und 3,2 kJ/mol bei T = 298,15 K. Unter bestimmten Bedingungen kristallisiert Kohlenstoff als Lonsdaleit , ein hexagonales Kristallgitter mit allen Atomen kovalent gebunden und Eigenschaften ähnlich denen von Diamant.
Fullerene sind eine synthetische kristalline Formation mit einer graphitähnlichen Struktur, aber anstelle von nur flachen hexagonalen Zellen können einige der Zellen, aus denen Fullerene gebildet werden, Fünfecke, nichtplanare Sechsecke oder sogar Siebenecke von Kohlenstoffatomen sein. Die Platten werden so zu Kugeln, Ellipsen oder Zylindern verzogen. Die Eigenschaften von Fullerenen (aufgeteilt in Buckyballs, Buckytubes und Nanobuds) sind noch nicht vollständig analysiert und stellen ein intensives Forschungsgebiet im Bereich Nanomaterialien dar . Die Namen Fullerene und Buckyball sind nach Richard Buckminster Fuller , dem Popularisierer von geodätischen Kuppeln , die der Struktur von Fullerenen ähneln, gegeben. 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 ). Kohlenstoff - Nanoröhrchen (Buckytubes) sind strukturell ähnlich buckyballs, mit der Ausnahme , daß jedes Atom trigonal in einem gekrümmten Bogen verbunden ist, der sich bildet einen Hohlzylinder . Nanobuds wurden erstmals 2007 beschrieben und sind hybride Buckytube/Buckyball-Materialien (Buckyballs sind kovalent an die Außenwand einer Nanotube gebunden), die die Eigenschaften beider in einer einzigen Struktur vereinen.
Von den anderen entdeckten Allotropen ist Kohlenstoff-Nanoschaum ein ferromagnetisches Allotrop, das 1997 entdeckt wurde. Es besteht aus einer Clusteranordnung geringer Dichte von Kohlenstoffatomen, die in einem lockeren dreidimensionalen Netz aneinandergereiht sind, in dem die Atome in sechs- und siebengliedrige Ringe. Mit einer Dichte von ca. 2 kg/m 3 gehört es zu den leichtesten bekannten Feststoffen . Ebenso enthält glasiger Kohlenstoff einen hohen Anteil an geschlossener Porosität , aber im Gegensatz zu normalem Graphit sind die Graphitschichten nicht wie Seiten in einem Buch gestapelt, sondern eher zufällig angeordnet. Linearer acetylenischer Kohlenstoff hat die chemische Struktur −(C:::C) n −. Kohlenstoff in dieser Modifikation ist linear mit sp- Orbital-Hybridisierung und ist ein Polymer mit abwechselnden Einfach- und Dreifachbindungen. Dieses Carbin ist für die Nanotechnologie von großem Interesse, da sein Elastizitätsmodul 40 Mal höher ist als der des härtesten bekannten Materials – Diamant.
Im Jahr 2015 gab ein Team der North Carolina State University die Entwicklung eines anderen Allotrops bekannt, das sie Q-Kohlenstoff nennen , das durch einen hochenergetischen Laserpuls mit geringer Dauer auf amorphem Kohlenstoffstaub erzeugt wird. Q-Kohlenstoff soll Ferromagnetismus, Fluoreszenz und eine der von Diamanten überlegene Härte aufweisen.
In der Dampfphase liegt ein Teil des Kohlenstoffs in Form von Dikohlenstoff vor ( C
2). Bei Erregung leuchtet dieses Gas grün.
Auftreten
Kohlenstoff ist nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff das vierthäufigste chemische Element im beobachtbaren Universum . Kohlenstoff ist in der Sonne , in Sternen , Kometen und in der Atmosphäre der meisten Planeten reichlich vorhanden . Einige Meteoriten enthalten mikroskopisch kleine Diamanten, die gebildet wurden, als das Sonnensystem noch eine protoplanetare Scheibe war . Mikroskopische Diamanten können auch durch den starken Druck und die hohe Temperatur an den Orten von Meteoriteneinschlägen gebildet werden.
Im Jahr 2014 kündigte die NASA eine stark aktualisierte Datenbank zur Verfolgung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) im Universum an . Mehr als 20 % des Kohlenstoffs im Universum können mit PAKs in Verbindung gebracht werden, komplexen Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff ohne Sauerstoff. Diese Verbindungen spielen in der PAH-Welthypothese eine Rolle , wo angenommen wird, dass sie eine Rolle bei der Abiogenese und der Entstehung von Leben spielen . PAHs scheinen "ein paar Milliarden Jahre" nach dem Urknall entstanden zu sein , sind im ganzen Universum weit verbreitet und werden mit neuen Sternen und Exoplaneten in Verbindung gebracht .
Es wurde geschätzt, dass die feste Erde als Ganzes 730 ppm Kohlenstoff enthält, davon 2000 ppm im Kern und 120 ppm in Mantel und Kruste. Da 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 der Atmosphäre (unten).
In Kombination mit Sauerstoff im Kohlendioxid kommt Kohlenstoff in der Erdatmosphäre vor (ca. 900 Gigatonnen Kohlenstoff – jedes ppm entspricht 2,13 Gt) und ist in allen Gewässern gelöst (ca. 36.000 Gigatonnen Kohlenstoff). Kohlenstoff in der Biosphäre wurde auf 550 Gigatonnen geschätzt, jedoch mit einer großen Unsicherheit, hauptsächlich aufgrund einer großen Unsicherheit in der Menge an terrestrischen Bakterien im tiefen Untergrund . Kohlenwasserstoffe (wie Kohle , Erdöl und Erdgas ) enthalten ebenfalls Kohlenstoff. Kohle- „Reserven“ (nicht „Ressourcen“) belaufen sich auf etwa 900 Gigatonnen mit vielleicht 18.000 Gt Ressourcen. Die Ölreserven betragen rund 150 Gigatonnen. Bewährte Erdgasquellen sind ca.175 × 10 12 Kubikmeter (enthält etwa 105 Gigatonnen Kohlenstoff), aber Studien schätzen einen anderen900 × 10 12 Kubikmeter "unkonventionelle" Lagerstätten wie Schiefergas , die etwa 540 Gigatonnen Kohlenstoff darstellen.
Kohlenstoff kommt auch in Methanhydraten in Polarregionen und unter den Meeren vor. Verschiedene Schätzungen beziffern diesen Kohlenstoff auf 500, 2500 Gt oder 3000 Gt.
In der Vergangenheit waren die Mengen an Kohlenwasserstoffen größer. Laut einer Quelle wurden im Zeitraum von 1751 bis 2008 etwa 347 Gigatonnen Kohlenstoff als Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre freigesetzt. Eine andere Quelle beziffert die Menge, die der Atmosphäre seit 1750 zugesetzt wurde, auf 879 Gt und die Gesamtmenge, die in Atmosphäre, Meer und Land (wie Torfmoore ) fließt, mit fast 2.000 Gt.
Kohlenstoff ist ein Bestandteil (ca. 12 Masse-%) der sehr großen Massen von Karbonatgestein ( Kalkstein , Dolomit , Marmor usw.). Kohle ist sehr kohlenstoffreich ( Anthrazit enthält 92-98%) und ist die größte kommerzielle Quelle für mineralischen Kohlenstoff, die 4.000 Gigatonnen oder 80% des fossilen Brennstoffs ausmacht .
Was einzelne Kohlenstoffallotrope betrifft, so wird Graphit in großen Mengen in den Vereinigten Staaten (hauptsächlich in New York und Texas ), Russland , Mexiko , Grönland und Indien gefunden . Natürliche Diamanten kommen im Gestein Kimberlit vor , das in alten vulkanischen "Hals" oder "Rohren" gefunden wurde. Die meisten Diamantenvorkommen befinden sich in Afrika , insbesondere in Südafrika , Namibia , Botswana , der Republik Kongo und Sierra Leone . Diamantvorkommen wurden auch in Arkansas , Kanada , der russischen Arktis , Brasilien sowie in Nord- und Westaustralien gefunden . Diamanten werden jetzt auch vom Meeresboden vor dem Kap der Guten Hoffnung geborgen . Diamanten werden auf natürliche Weise gefunden, aber etwa 30% aller in den USA verwendeten Industriediamanten werden heute hergestellt.
Kohlenstoff-14 wird in den oberen Schichten der Troposphäre und der Stratosphäre in Höhen von 9–15 km durch eine Reaktion gebildet, die durch kosmische Strahlung ausgefällt wird . Es werden thermische Neutronen erzeugt, die mit den Kernen von Stickstoff-14 kollidieren und Kohlenstoff-14 und ein Proton bilden. Als solche,1,5% × 10 –10 des atmosphärischen Kohlendioxids enthält Kohlenstoff-14.
Kohlenstoffreiche Asteroiden sind in den äußeren Teilen des Asteroidengürtels unseres Sonnensystems relativ überwiegen . Diese Asteroiden wurden noch nicht direkt von Wissenschaftlern beprobt. Die Asteroiden können für den hypothetischen weltraumgestützten Kohlenstoffabbau verwendet werden, der in Zukunft möglich sein könnte, aber derzeit technologisch unmöglich ist.
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 . Das Isotop Kohlenstoff-12 ( 12 C) bildet 98,93 % des Kohlenstoffs auf der Erde, während Kohlenstoff-13 ( 13 C) die restlichen 1,07 % bildet. Die Konzentration von 12 C wird in biologischen Materialien weiter erhöht, weil biochemische Reaktionen 13 C diskriminieren . 1961 hat die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) das Isotop Kohlenstoff-12 als Basis für Atomgewichte übernommen . 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 kosmischer Strahlung entsteht . Es wird in Spurenmengen von 1 Teil pro Billion (0,0000000001%) oder mehr auf der Erde gefunden , meist beschränkt auf die Atmosphäre und oberflächliche Ablagerungen, insbesondere von Torf und anderen organischen Materialien. Dieses Isotop zerfällt um 0,158 MeV β − Emission . Wegen seiner relativ kurzen Halbwertszeit von 5730 Jahren fehlt 14 C in alten Gesteinen praktisch nicht. Die Menge von 14 C in der Atmosphäre und in lebenden Organismen ist fast konstant, nimmt aber in ihren Körpern nach dem Tod vorhersehbar ab. Dieses Prinzip wird bei der 1949 erfundenen Radiokarbon-Datierung verwendet , die ausgiebig verwendet wurde, um das Alter von kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem Alter von bis zu etwa 40.000 Jahren zu bestimmen.
Es gibt 15 bekannte Kohlenstoffisotope, und das kurzlebigste davon ist 8 C, das durch Protonenemission und Alphazerfall zerfällt und eine Halbwertszeit von 1.98739 × 10 −21 s hat. Das exotische 19 C weist einen Kernhalo auf , was bedeutet, dass sein Radius deutlich größer ist, als man erwarten würde, wenn der Kern eine Kugel konstanter Dichte wäre .
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 Alphateilchen ( Heliumkernen ), da die Produkte weiterer Kernfusionsreaktionen von Helium mit Wasserstoff oder einem anderen Heliumkern Lithium-5 bzw. Beryllium-8 erzeugen , die beide sehr instabil sind und fast zerfallen sofort wieder in kleinere Kerne. Der Triple-Alpha-Prozess findet unter Bedingungen von Temperaturen über 100 Megakelvin und einer Heliumkonzentration statt, die die schnelle Expansion und Abkühlung des frühen Universums verhinderten, und daher wurde während des Urknalls kein nennenswerter Kohlenstoff erzeugt .
Nach der aktuellen Theorie der physikalischen Kosmologie wird Kohlenstoff im Inneren von Sternen auf dem horizontalen Zweig gebildet . Wenn massereiche Sterne als Supernova sterben, wird der Kohlenstoff als Staub in den Weltraum gestreut. Dieser Staub wird zu Materialbestandteilen für die Bildung von Sternensystemen der nächsten Generation mit akkretierten Planeten. Das Sonnensystem ist ein solches Sternensystem mit einem Überfluss an Kohlenstoff, der die Existenz von Leben, wie wir es kennen, ermöglicht.
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 Submillimeter- Wellenlängenbereich nachweisbar und werden bei der Untersuchung neu entstehender Sterne in Molekülwolken verwendet .
Kohlenstoffzyklus
Unter irdischen Bedingungen ist die Umwandlung eines Elements in ein anderes sehr selten. Daher ist die Menge an Kohlenstoff auf der Erde effektiv konstant. Daher müssen Prozesse, die Kohlenstoff verwenden, diesen von irgendwoher beziehen und woanders entsorgen. Die Pfade des Kohlenstoffs in der Umwelt bilden den Kohlenstoffkreislauf . Zum Beispiel ziehen photosynthetische Pflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre (oder dem Meerwasser) und bauen es in Biomasse ein, wie im Calvin-Zyklus , einem Prozess der Kohlenstofffixierung . Ein Teil dieser Biomasse wird von Tieren gefressen, während ein Teil des Kohlenstoffs von den Tieren als Kohlendioxid ausgeatmet wird. Der Kohlenstoffkreislauf ist wesentlich komplizierter als diese kurze Schleife; zum Beispiel wird etwas Kohlendioxid in den Ozeanen gelöst; Wenn Bakterien es nicht verbrauchen, können abgestorbene Pflanzen- oder Tiermaterialien zu Erdöl oder Kohle werden , die bei der Verbrennung Kohlenstoff freisetzen.
Verbindungen
Organische Verbindungen
Kohlenstoff kann sehr lange Ketten aus miteinander verbundenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden , eine Eigenschaft, die als Verkettung bezeichnet wird . Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind stark und stabil. Kohlenstoff bildet durch Verkettung unzählige Verbindungen. Eine Liste einzigartiger Verbindungen zeigt, dass mehr Kohlenstoff enthalten als nicht. 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, sogenannte Heteroatome, ersetzt werden . Häufige Heteroatome, die in organischen Verbindungen vorkommen, umfassen Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und die nicht radioaktiven Halogene sowie die Metalle Lithium und Magnesium. Organische Verbindungen mit Metallbindungen werden als metallorganische Verbindungen bezeichnet ( siehe unten ). Bestimmte Atomgruppierungen, oft auch Heteroatome, kommen in einer großen Zahl organischer Verbindungen vor. Diese Sammlungen, bekannt als funktionelle Gruppen , verleihen gemeinsame Reaktivitätsmuster und ermöglichen die systematische Untersuchung und Kategorisierung organischer Verbindungen. Kettenlänge, Form und funktionelle Gruppen beeinflussen alle die Eigenschaften organischer Moleküle.
In den meisten stabilen Kohlenstoffverbindungen (und fast allen stabilen organischen Verbindungen) gehorcht Kohlenstoff der Oktettregel und ist vierwertig , was bedeutet, dass ein Kohlenstoffatom insgesamt vier kovalente Bindungen bildet (die Doppel- und Dreifachbindungen umfassen können). Ausnahmen sind eine kleine 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 Zwischenstufen angetroffen.
Kohlenstoff kommt in allen bekannten organischen Lebewesen vor und ist die Grundlage der organischen Chemie . Zusammen mit Wasserstoff bildet es verschiedene Kohlenwasserstoffe, die als Kältemittel , Schmiermittel , Lösungsmittel , als chemischer Rohstoff für die Herstellung von Kunststoffen und Petrochemikalien sowie als fossile Brennstoffe für die Industrie von Bedeutung 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 , mit Schwefel auch Antibiotika , Aminosäuren und Gummiprodukte . Durch die Zugabe von Phosphor zu diesen anderen Elementen bildet es DNA und RNA , die Träger des chemischen Codes des Lebens, und Adenosintriphosphat (ATP), das wichtigste Energieübertragungsmolekül in allen lebenden Zellen.
Anorganische Verbindungen
Gewöhnlich werden kohlenstoffhaltige Verbindungen, die mit Mineralien assoziiert sind oder die keine Bindungen zu anderen Kohlenstoffatomen, Halogenen 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 Oxide des Kohlenstoffs. Das bekannteste Oxid ist Kohlendioxid ( CO
2). Dies war einst der Hauptbestandteil der Paläoatmosphäre , ist aber heute ein untergeordneter Bestandteil der Erdatmosphäre . In Wasser gelöst bildet es Kohlensäure ( H
2CO
3), aber wie die meisten Verbindungen mit mehreren einfach gebundenen Sauerstoffatomen an einem einzigen Kohlenstoff ist es instabil. Durch dieses Zwischenprodukt, obwohl, resonanzstabilisierten Karbonat - Ionen erzeugt werden . Einige wichtige Mineralien sind Karbonate, insbesondere Calcit . Schwefelkohlenstoff ( CS
2) ist ähnlich. Dennoch wird Schwefelkohlenstoff aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und seiner Verbindung mit der organischen Synthese manchmal als organisches Lösungsmittel klassifiziert .
Das andere häufige 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 und Sauerstoff zu verdrängen, der eine geringere Bindungsaffinität hat. Cyanid (CN − ), hat eine ähnliche Struktur, verhält sich aber ähnlich wie ein Halogenidion ( Pseudohalogen ). Es kann beispielsweise das Nitrid- Cyanogen- Molekül ((CN) 2 ) bilden, ähnlich den zweiatomigen Halogeniden. Ebenso wird das schwerere Analogon von Cyanid, Cyaphid (CP − ), ebenfalls als anorganisch angesehen, obwohl die meisten einfachen Derivate sehr instabil sind. Andere seltene Oxide sind Kohlensuboxid ( C
3Ö
2), das instabile Dikohlenmonoxid (C 2 O), Kohlentrioxid (CO 3 ), Cyclopentanpenton (C 5 O 5 ), Cyclohexanhexon (C 6 O 6 ) und Mellitinsäureanhydrid (C 12 O 9 ). Mellitsäureanhydrid ist jedoch das Dreifach-Acylanhydrid von Mellitsäure; außerdem enthält es einen Benzolring. Daher halten es viele Chemiker für organisch.
Mit reaktiven Metallen wie Wolfram bildet Kohlenstoff entweder Carbide (C 4− ) oder Acetylide ( C2−
2) um Legierungen mit hohen Schmelzpunkten zu bilden. Diese Anionen sind auch mit Methan und Acetylen verbunden , beides sehr schwache Säuren . Mit einer Elektronegativität von 2,5 bildet Kohlenstoff bevorzugt kovalente Bindungen . Einige Carbide sind kovalente Gitter, wie Carborundum (SiC), das Diamant ähnelt . Dennoch sind selbst die polarsten und salzigsten Carbide keine vollständig ionischen Verbindungen.
Organometallische Verbindungen
Metallorganische Verbindungen enthalten definitionsgemäß mindestens eine kovalente Kohlenstoff-Metall-Bindung. Es existiert eine breite Palette solcher Verbindungen; Hauptklassen umfassen einfache Alkyl-Metall-Verbindungen (zum Beispiel Tetraethylblei ), 2 -Alken-Verbindungen (zum Beispiel Zeises Salz ) und η 3 -Allyl-Verbindungen (zum Beispiel Allylpalladiumchlorid-Dimer ); Metallocene, die Cyclopentadienylliganden enthalten (zum Beispiel Ferrocen ); und Übergangsmetallcarbenkomplexe . Es existieren viele Metallcarbonyle und Metallcyanide (zum Beispiel Tetracarbonylnickel und Kaliumferricyanid ); einige Forscher betrachten Metallcarbonyl- und Cyanidkomplexe ohne andere Kohlenstoffliganden als rein anorganisch und nicht als metallorganisch. Die meisten metallorganischen Chemiker betrachten jedoch Metallkomplexe mit einem beliebigen Kohlenstoffliganden, sogar „anorganischem Kohlenstoff“ (z. B. Carbonyle, Cyanide und bestimmte Arten von Carbiden und Acetyliden) als metallorganisch. Metallkomplexe mit organischen Liganden ohne kovalente Kohlenstoff-Metall-Bindung (zB 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, bei denen ein BH durch ein CH + ersetzt ist . 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 der Aurophilie der Goldliganden zugeschrieben , die eine zusätzliche Stabilisierung einer ansonsten labilen Spezies bewirken. In der Natur besitzt der für die mikrobielle Stickstofffixierung verantwortliche Eisen-Molybdän-Cofaktor ( FeMoco ) ebenfalls ein oktaedrisches Kohlenstoffzentrum (formal ein Carbid, C(-IV)), das an sechs Eisenatome gebunden ist. Im Jahr 2016 wurde bestätigt, dass das Hexamethylbenzol‐Dikation in Übereinstimmung mit früheren theoretischen Vorhersagen ein Kohlenstoffatom mit sechs Bindungen enthält. Genauer gesagt könnte das 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 Me 5 − fragmentiert durch alle fünf Kohlenstoffe des Rings.
Es ist wichtig zu beachten, dass in den obigen Fällen jede der Bindungen zum Kohlenstoff weniger als zwei formale Elektronenpaare enthält. Somit überschreitet die formale Elektronenzahl dieser Spezies ein Oktett nicht. Das macht sie hyperkoordiniert, aber nicht hypervalent. Selbst in Fällen von angeblichen 10-C-5-Spezies (d. h. einem Kohlenstoff mit fünf Liganden und einer formalen Elektronenzahl von zehn), wie von Akiba und Mitarbeitern berichtet, kommen Elektronenstrukturrechnungen zu dem Schluss, dass die Elektronenpopulation um Kohlenstoff immer noch weniger als acht, wie auch für andere Verbindungen mit Vier-Elektronen- Drei-Zentren-Bindung .
Geschichte und Etymologie
Der englische Name Carbon kommt vom lateinischen carbo für Kohle und Holzkohle, woher auch das französische charbon kommt , was Holzkohle bedeutet. Auf Deutsch , Niederländisch und Dänisch sind die Namen für Kohlenstoff Kohlenstoff , koolstof bzw. kulstof , die alle wörtlich Kohle bedeuten.
Kohlenstoff wurde in der Vorgeschichte entdeckt und war den frühesten menschlichen Zivilisationen in Form von Ruß und Holzkohle bekannt . Diamanten wurden wahrscheinlich bereits 2500 BCE in China bekannt, während Kohlenstoff in Form von Kohle Römerzeit gemacht wurde durch die gleiche Chemie um , wie es heute ist, von Holz in einer Heizung Pyramide mit bedeckten Ton Luft auszuschließen.
Im Jahr 1722 zeigte René Antoine Ferchault de Réaumur , dass Eisen durch die Aufnahme einer Substanz, die heute als Kohlenstoff bekannt ist, in Stahl umgewandelt wird. 1772 zeigte Antoine Lavoisier , dass Diamanten eine Form von Kohlenstoff sind; als er Holzkohle- und Diamantproben verbrannte und feststellte, dass keines davon Wasser produzierte und dass beide die gleiche Menge Kohlendioxid pro Gramm freisetzten . 1779 zeigte Carl Wilhelm Scheele , dass Graphit, das als eine Form von Blei gedacht war, stattdessen mit Holzkohle identisch war, jedoch mit einer kleinen Beimischung von Eisen, und dass es "Luftsäure" (sein Name für Kohlendioxid) ergab, wenn mit Salpetersäure oxidiert. Im Jahr 1786 bestätigten die französischen Wissenschaftler Claude Louis Berthollet , Gaspard Monge und CA Vandermonde, dass Graphit hauptsächlich aus Kohlenstoff bestand, indem sie ihn in Sauerstoff oxidierten, ähnlich wie es Lavoisier mit Diamant getan hatte. Wieder blieb etwas Eisen übrig, das nach Ansicht der französischen Wissenschaftler für die Graphitstruktur notwendig war. In ihrer Veröffentlichung schlugen sie den Namen Carbone (lateinisch carbonum ) für das Element im Graphit vor, das beim Verbrennen von Graphit als Gas freigesetzt wurde. Antoine Lavoisier führte dann in seinem Lehrbuch von 1789 Kohlenstoff als Element auf.
Ein neues Allotrop von Kohlenstoff, Fulleren , das 1985 entdeckt wurde, umfasst nanostrukturierte Formen wie Buckyballs und Nanotubes . Ihre Entdecker – Robert Curl , Harold Kroto und Richard Smalley – erhielten 1996 den Nobelpreis für Chemie. Das daraus resultierende erneute Interesse an neuen Formen führte zur Entdeckung weiterer exotischer Allotrope, darunter Glaskohlenstoff , und der Erkenntnis, dass „ amorpher Kohlenstoff “ nicht streng amorph .
Produktion
Graphit
Kommerziell nutzbare natürliche Vorkommen von Graphit kommen in vielen Teilen der Welt vor, aber die wirtschaftlich wichtigsten Quellen liegen in China , Indien , Brasilien und Nordkorea . Graphitvorkommen sind metamorphen Ursprungs und werden in Verbindung mit Quarz , Glimmer und Feldspäten in Schiefer, Gneisen und metamorphisierten Sandsteinen und Kalkstein als Linsen oder Adern gefunden , die manchmal einen Meter oder mehr dick sind. Einlagen von Graphit in Borrowdale , Cumberland , England waren zunächst von ausreichender Größe und Reinheit, die bis ins 19. Jahrhundert, Bleistifte einfach hergestellt wurden durch Blöcke von Naturgraphit in Streifen Sägen , bevor der Streifen in Holz Umhüllen. Heute werden kleinere Graphitvorkommen gewonnen, indem das Muttergestein zerkleinert und der leichtere Graphit auf Wasser ausgeschwemmt wird.
Es gibt drei Arten von natürlichem Graphit – amorph, Flocken oder kristalline Flocken und Ader oder Klumpen. Amorpher Graphit ist die niedrigste Qualität und am häufigsten vorkommend. 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 minderwertige Graphitprodukte verwendet und ist der günstigste Graphit. Große amorphe Graphitvorkommen finden sich in China, Europa, Mexiko und den Vereinigten Staaten. Flockengraphit ist weniger verbreitet und von höherer Qualität als amorph; es tritt als separate Platten auf, die in metamorphem Gestein kristallisierten. Flockengraphit kann das Vierfache des Preises von amorphem Graphit betragen. Flocken von guter Qualität können für viele Anwendungen zu Blähgraphit verarbeitet werden, z. B. als Flammschutzmittel . Die wichtigsten Vorkommen befinden sich in Österreich, Brasilien, Kanada, China, Deutschland und Madagaskar. Ader- oder Stückgraphit ist die seltenste, wertvollste und hochwertigste Art von Naturgraphit. Es kommt in Adern entlang von intrusiven Kontakten in festen Klumpen vor und wird nur in Sri Lanka kommerziell abgebaut.
Laut USGS betrug die Weltproduktion von Naturgraphit im Jahr 2010 1,1 Mio. t, wovon China 800.000 t, Indien 130.000 t, Brasilien 76.000 t, Nordkorea 30.000 t und Kanada 25.000 t beisteuerten. In den Vereinigten Staaten wurde kein natürlicher Graphit abgebaut, aber 2009 wurden 118.000 t synthetischer Graphit mit einem geschätzten Wert von 998 Millionen US-Dollar produziert.
Diamant
Die Diamantenlieferkette wird von einer begrenzten Anzahl mächtiger Unternehmen kontrolliert und ist zudem stark auf wenige Standorte weltweit konzentriert (siehe Abbildung).
Nur ein sehr kleiner Teil des Diamanterzes besteht aus echten Diamanten. Das Erz wird zerkleinert, wobei darauf geachtet werden muss, dass größere Diamanten dabei nicht zerstört werden und anschließend werden die Partikel nach Dichte sortiert. Diamanten werden heute mit Hilfe von Röntgenfluoreszenz in der diamantreichen Dichtefraktion lokalisiert , danach erfolgt die abschließende Sortierung von Hand. Bevor der Einsatz von Röntgenstrahlen alltäglich wurde, erfolgte die Trennung mit Fettbändern; Diamanten neigen stärker dazu, an Fett zu kleben als die anderen Mineralien im Erz.
Historisch waren Diamanten nur in alluvialen Lagerstätten in Südindien bekannt . Indien war seit ihrer Entdeckung im 9. Jahrhundert v. Chr. bis Mitte des 18. Brasilien, wo 1725 die ersten nicht-indischen Diamanten gefunden wurden.
Die Diamantenproduktion von Primärlagerstätten (Kimberlite und Lamproite) begann erst in den 1870er Jahren nach der Entdeckung der Diamantenfelder in Südafrika. Die Produktion ist im Laufe der Zeit gestiegen und seit diesem Datum wurden insgesamt 4,5 Milliarden Karat abgebaut. Ungefähr 20 % dieser Menge wurden allein in den letzten 5 Jahren abgebaut, und in den letzten 10 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.
In den Vereinigten Staaten wurden Diamanten in Arkansas , Colorado und Montana gefunden . Im Jahr 2004 führte eine überraschende Entdeckung eines mikroskopisch kleinen Diamanten in den Vereinigten Staaten zu einer Massenprobenahme von Kimberlitrohren im Januar 2008 in einem abgelegenen Teil von Montana .
Heute befinden sich die meisten kommerziell rentablen Diamantenvorkommen in Russland , Botswana , Australien und der Demokratischen Republik Kongo . 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 1990er Jahren Spitzenwerte von 42 metrischen Tonnen (41 lange Tonnen; 46 kurze Tonnen) pro Jahr erreichte. Es gibt auch kommerzielle Einlagen aktiv in den verminten wurde Nordwest - Territorien von Kanada , Sibirien (meist in Jakutien Gebiet , zum Beispiel Ich Rohr und Udatschnaja ), Brasilien und in Nord- und West Australien .
Anwendungen
Kohlenstoff ist für alle bekannten lebenden Systeme essentiell, und ohne ihn könnte Leben, wie wir es kennen, nicht existieren (siehe alternative Biochemie ). Die wichtigste wirtschaftliche Nutzung von Kohlenstoff außer Nahrungsmitteln und Holz erfolgt in Form von Kohlenwasserstoffen, insbesondere dem fossilen Brennstoff Methangas und Rohöl (Erdöl). Rohöl wird in Raffinerien von der petrochemischen Industrie destilliert , um Benzin , Kerosin und andere Produkte herzustellen. Zellulose ist ein natürliches, kohlenstoffhaltiges Polymer, das von Pflanzen in Form von Holz , Baumwolle , Leinen und Hanf produziert wird . Zellulose wird hauptsächlich zur Erhaltung der Struktur in Pflanzen verwendet. Kommerziell wertvolle Kohlenstoffpolymere tierischen Ursprungs umfassen Wolle , Kaschmir und Seide . Kunststoffe werden aus synthetischen Kohlenstoffpolymeren hergestellt, oft mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen, die in regelmäßigen Abständen in der Polymerhauptkette enthalten sind. Die Rohstoffe für viele dieser synthetischen Stoffe stammen aus Erdöl.
Die Verwendungen von Kohlenstoff und seinen Verbindungen sind äußerst vielfältig. Es kann mit Eisen Legierungen bilden , von denen Kohlenstoffstahl am häufigsten verwendet wird . Graphit wird mit Ton kombiniert , um die "Mine" zu bilden, die in Bleistiften zum Schreiben und Zeichnen verwendet wird . 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 Bürsten für Elektromotoren und als Neutronenmoderator in Kernreaktoren .
Holzkohle wird als Zeichenmaterial für Kunstwerke , Barbecue- Grillen , Eisenschmelzen und in vielen anderen Anwendungen verwendet. Holz, Kohle und Öl werden als Brennstoffe zur Energie- und Wärmeerzeugung verwendet . Diamanten in Edelsteinqualität werden in Schmuck verwendet, und Industriediamanten werden in Bohr-, Schneid- und Polierwerkzeugen für die Metall- und Steinbearbeitung verwendet. Kunststoffe werden aus fossilen Kohlenwasserstoffen hergestellt, und Kohlefasern , die durch Pyrolyse von synthetischen Polyesterfasern hergestellt werden, werden verwendet, um Kunststoffe zu verstärken, um fortschrittliche, leichte Verbundwerkstoffe zu bilden .
Kohlefaser wird 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 der weiteren Verarbeitung ab. Aus PAN hergestellte Kohlenstoffasern haben eine Struktur, die schmalen Graphitfilamenten ähnelt, aber eine thermische Verarbeitung kann die Struktur zu einem kontinuierlichen gewalzten Blech umordnen. Das Ergebnis sind Fasern mit einer höheren spezifischen Zugfestigkeit als Stahl.
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 ein verwendeten absorbierenden und adsorbierenden in Filtermaterial in so unterschiedlichen Anwendungen wie Gasmasken , Wasserreinigung und Küchenabzugshauben , und in der Medizin zu absorbieren , Toxine, Gifte, oder Gase 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 fertiger Stahlkomponenten in Kohlenstoffpulver erreicht. Karbide aus Silizium , Wolfram , Bor und Titan gehören zu den härtesten bekannten Materialien und werden als Schleifmittel in Schneid- und Schleifwerkzeugen verwendet. Kohlenstoffverbindungen bilden die meisten Materialien, die in Kleidung verwendet werden, wie natürliche und synthetische Textilien und Leder , und fast alle Innenoberflächen in der gebauten Umwelt außer Glas, Stein und Metall.
Diamanten
Die Diamantenindustrie lässt sich in zwei Kategorien einteilen: eine für Diamanten in Edelsteinqualität und die andere für Diamanten in Industriequalität. Während ein großer Handel mit beiden Arten von Diamanten existiert, funktionieren die beiden Märkte dramatisch unterschiedlich.
Im Gegensatz zu Edelmetallen wie Gold oder Platin werden Edelsteindiamanten nicht als Ware gehandelt : Beim Verkauf von Diamanten gibt es einen erheblichen Aufschlag, und es gibt keinen sehr aktiven Markt für den Weiterverkauf von Diamanten.
Industriediamanten werden vor allem wegen ihrer Härte und Wärmeleitfähigkeit geschätzt, wobei die gemmologischen Qualitäten Reinheit und Farbe meist irrelevant sind. Etwa 80 % der abgebauten Diamanten (entspricht etwa 100 Millionen Karat oder 20 Tonnen jährlich) sind für die Verwendung ungeeignet, da Edelsteine für die industrielle Verwendung (bekannt als Bort ) verbannt werden . synthetische Diamanten , erfunden in den 1950er Jahren, fanden fast unmittelbar industrielle Anwendung; 3 Milliarden Karat (600 Tonnen ) synthetischer Diamant werden jährlich produziert.
Die vorherrschende industrielle Verwendung von Diamant ist beim Schneiden, Bohren, Schleifen und Polieren. Die meisten dieser Anwendungen erfordern keine großen Diamanten; Tatsächlich können die meisten Diamanten von Edelsteinqualität, abgesehen von ihrer geringen Größe, industriell verwendet werden. Diamanten werden in Bohrerspitzen oder Sägeblätter eingebettet oder zu einem Pulver für Schleif- und Polieranwendungen geschliffen. Spezialisierte Anwendungen umfassen den Einsatz in Laboratorien als Containment für Hochdruckversuche (siehe Diamantstempelzelle ), Hochleistungslager und begrenzte Verwendung in spezialisierten Fenster . Mit den kontinuierlichen Fortschritten bei der Herstellung von synthetischen Diamanten werden neue Anwendungen möglich. Viel Aufsehen erregt die mögliche Verwendung von Diamant als Halbleiter für Mikrochips und wegen seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit als Kühlkörper in der Elektronik .
Vorsichtsmaßnahmen
Reiner Kohlenstoff hat eine äußerst geringe Toxizität für den Menschen und kann in Form von Graphit oder Holzkohle sicher gehandhabt werden. Es ist beständig gegen Auflösung oder chemische Angriffe, selbst im sauren Inhalt des Verdauungstraktes. Folglich wird es, sobald es in das Gewebe des Körpers eindringt, wahrscheinlich auf unbestimmte Zeit dort verbleiben. Carbon Black war wahrscheinlich eines der ersten Pigmente, das zum Tätowieren verwendet wurde , und Ötzi der Mann aus dem Eis hatte Carbon-Tattoos, die während seines Lebens und 5200 Jahre nach seinem Tod überlebten. Das Einatmen von Kohlenstaub oder Ruß (Ruß) in großen Mengen kann gefährlich sein, Lungengewebe zu reizen und verursacht die kongestiver Lungenkrankheit, Anthrakose . Als Schleifmittel verwendeter Diamantstaub kann beim Verschlucken oder Einatmen gesundheitsschädlich sein. Kohlenstoff-Mikropartikel werden in den Abgasen von Dieselmotoren produziert und können sich in der Lunge anreichern. In diesen Beispielen kann der Schaden eher auf Schadstoffe (z. B. organische Chemikalien, Schwermetalle) als auf den Kohlenstoff selbst zurückzuführen sein.
Kohlenstoff hat im Allgemeinen eine geringe Toxizität für das Leben auf der Erde ; aber Kohlenstoff-Nanopartikel sind für Drosophila tödlich .
Kohle kann in Gegenwart von Luft bei hohen Temperaturen kräftig und hell brennen. Große Ansammlungen von Kohle, die in Abwesenheit von Sauerstoff über Hunderte von Millionen Jahren inert geblieben sind, können in Kohlebergwerkshalden, Schiffsladeräumen und Kohlebunkern sowie Lagerhalden spontan verbrennen, wenn sie Luft ausgesetzt werden.
Bei nuklearen Anwendungen, bei denen Graphit als Neutronenmoderator verwendet wird, kann es zu einer Ansammlung von Wigner-Energie gefolgt von einer plötzlichen, spontanen Freisetzung kommen. Durch Glühen auf mindestens 250 °C kann die Energie sicher freigesetzt werden, obwohl beim Windscale-Brand das Verfahren fehlschlug und andere Reaktormaterialien verbrennen.
Die große Vielfalt von Kohlenstoffverbindungen umfasst solche letalen Gift wie Tetrodotoxin , das Lectin Ricin aus den Samen des Rizinus Ricinus communis , Cyanid (CN - ) und Kohlenmonoxid ; und lebenswichtige Dinge wie Glukose und Proteine .
Siehe auch
Verweise
Literaturverzeichnis
- Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Chemie der Elemente (2. Aufl.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
Externe Links
- Carbon on In Our Time bei der BBC
- Kohlenstoff im Periodensystem der Videos (Universität Nottingham)
- Kohlenstoff auf Britannica
- Umfangreiche Carbon-Seite auf asu.edu
- Elektrochemische Verwendung von Kohlenstoff
- Kohlenstoff – Super Zeug. Animation mit Ton und interaktiven 3D-Modellen.