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Kohlenstoff kommt in der Natur in verschiedenster Kristallform als gediegenes Mineral vor.
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Dichte (g/cm3): |
3.51 |
. |
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12.0107 |
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Atomradius (berechnet) in pm: |
77.2 |
4, 2, -4 |
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2,55 |
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[He]2s22p2 |
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3550°C (Graphit) |
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4827°C (Graphit) |
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natürl. Häufigkeit: |
C-12 98.89%, C-13 1.11% |
Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element der 4. Hauptgruppe des Periodensystems (Kohlenstoff-Gruppe). Von Kohlenstoff gibt es zwei natürliche Isotope: 12C und 13C . Das Nuklid 12C mit der Masse 12,00000 wurde 1962 zum Standard für die Festlegung der Atom-Gewichte gemacht. Neben diesen beiden Isotopen gibt es noch 4 künstliche Isotope mit Halbwertszeiten zwischen 0,74 Sekunden und 5736 Jahren (14C). Letzteres ist als Radioindikator oder Tracer und in der sogenannten Radiokohlenstoff-Datierung von Bedeutung. Die stabilen Isotope 12C und 13C sind in irdischem Material etwas unterschiedlich angereichert: 12C mehr in biologischen, 13C mehr in anorganischen. (Carbonate) und in der Atmosphäre. Aus dem 13C/12C-Verhältnis lassen sich deshalb Schlüsse auf das Alter und/oder die Herkunft von Stoffen ziehen .
In Übereinstimmung mit der Stellung in der 4. Hauptgruppe des Periodensystems ist Kohlenstoff fast regelmäßig 4-wertig, selten formal 2-wertig (z.B. im Kohlenmonoxid). Bei gewöhnlicher Temperatur ist Kohlenstoff reaktionsträge. Dagegen verbrennt er bei höherer Temperatur vollständig zu Kohlendioxid, bildet mit Schwefel Schwefelkohlenstoff, mit Wasserstoff Kohlenwasserstoffe, mit Silizium, Bor und vielen anderen Metallen Carbide.
In chemischer Hinsicht zeigt Kohlenstoff einige Verwandtschaft mit Silizium, das im Periodensystem unter ihm steht. Die C-Atome haben die Fähigkeit, sich miteinander zu Ringen (cyclische Verbindungen) oder langen, geraden oder verzweigten Ketten (Paraffine) zu vereinigen, ferner Mehrfachbindungen zu anderen Atomen zu knüpfen, wodurch die ungeheure Vielfalt von weit über 6 Mio. Verbindungen entsteht, die man in der Organischen Chemie zusammenfasst, dem umfangreichsten Teilgebiet der Chemie.
Kohlenstoff ist geruchlos, geschmackfrei, in allen gewöhnlichen Lösungsmitteln (Wasser, Benzin, Alkohol usw.) völlig unlöslich, dagegen löslich in geschmolzenem Eisen, Cobalt, Nickel und in den Platin-Metallen, aus denen er sich beim Erkalten als Graphit abscheidet. Kohlenstoff tritt in verschiedenen Zustandsformen auf, nämlich als Diamant und Lonsdaleit, Graphit und schwarzer Kohlenstoff aus der Zersetzung von Kohlenstoffverbindungen unter Luftabschluss bei hoher Temperatur: Aktivkohle, Koks, Holzkohle, Kohlenstaub, Tierkohle, Ruß. Durch Laser-Verdampfung sind Kohlenstoff-Cluster erhältlich. Der aus abwechselnd fünf- u. sechseckigen Flächen bestehende C60-Cluster erinnert an einen Fußball (Fullerene).
Etwa 0,087% der obersten Erdkruste besteht aus Kohlenstoff. Er steht damit in der Häufigkeitsreihe der Elemente an 13. Stelle. Auch auf der Sonne und in Meteoriten (Stein-Meteoriten 0,039% Kohlenstoff, Eisen-Meteoriten 0,034% Kohlenstoff) wurde Kohlenstoff nachgewiesen. Für die lebende pflanzliche Biomasse (die tierische ist demgegenüber vernachlässigbar klein, obwohl z.B. 18% des menschlichen Körpergewichts aus Kohlenstoff besteht) werden 830*109 t Kohlenstoff angenommen und für die tote (aber nicht fossile) 1750*109 t. Die durch Inkohlung aus dem Kohlenstoff-Kreislauf ausgeschleuste fossile Biomasse – Erdöl, Erdgas, Stein- u. Braunkohle – bildet in sehr unterschiedlicher Verteilung große Lagerstätten mit 5000*109 t Kohlenstoff. Kohlenstoff und seine Verbindungen sind die wichtigsten Träger aller Lebenserscheinungen, ohne die ein Leben auf der Erde völlig undenkbar wäre. In ungebundenem Zustand kommt Kohlenstoff als Diamant, Graphit sowie in Kohle vor, sonst nur gebunden in Carbonaten, Kohlendioxid, Erdöl und den organischen Verbindungen, die den ganzen Reichtum der Organischen Chemie ausmachen.
In seiner elementaren Form, als Holz-, Knochen- oder Blutkohle und als Ruß ist Kohlenstoff schon dem Menschen der Vorzeit bekannt und wurde als Brennstoff und Pigment verwendet. Den Elementcharakter soll zuerst Lavoisier, der auch Diamanten zu CO2 verbrannte, um 1780 festgestellt haben. Anfang des 19. Jh. wurde auch der Modifikationscharakter von Graphit und Diamant erkannt. Der Name "Carbon" für das Element wurde 1787 von Guyton de Morveau, Lavoisier, Berthollet und Fourcroy vorgeschlagen.
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