Kohlenstoff

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Kohlenstoff

Stichpunkte

Allgemein
	2
	Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle und lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element. Eigenschaften Bor - Kohlenstoff - Stickstoff  CSi     Vorlage:Periodensystem [He]2s22p2 6 6 C Periodensystem Allgemein Name
	81 eV 1
	6 Serie Nichtmetalle Gruppe
	Symbol
	0
	Block 14 (IVA)
	0 (Diamant) Aussehen schwarz (Graphit)farblos (Diamant) Atomar Atommasse 12
	Ordnungszahl Kohlenstoff
	C
	MohshÃ¤rte 2267 kg/m3
	4 OxidationszustÃ¤nde (Oxide) 2
	5 (Graphit)10
	0107 Atomradius (berechnet) 70 (67) pm Kovalenter Radius 77 pm van der Waals-Radius 170 pm Elektronenkonfiguration [He]2s22p2 Elektronen pro Energieniveau 2
	p Dichte
	55 (Pauling-Skala) Austrittsarbeit 4
	4 (leicht sauer) ElektronegativitÃ¤t 2
	Periode
	Ionisierungsenergie 1086
	5 kJ/mol 2
	6 kJ/mol 3
	Ionisierungsenergie 2352
	Ionisierungsenergie 4620
	5 kJ/mol 4
	Ionisierungsenergie 6222
	7 kJ/mol 5
	Ionisierungsenergie 37831 kJ/mol 6
	29 · 10-6 m3/mol VerdampfungswÃ¤rme 355
	0 kJ/mol Physikalisch Aggregatzustand (Magnetismus) fest (unmagnetisch) Kristallstruktur hexagonal (Graphit) kubisch (Diamant) Schmelzpunkt 3773 K (3500 Â°C) Siedepunkt 5100 K (4827 Â°C) Molares Volumen 5
	Ionisierungsenergie 47277
	8 kJ/mol (sublimiert) SchmelzwÃ¤rme k
	werden SI-Einheiten verwendet.Wenn nicht anders vermerkt
	061 Â· 106 S/m WÃ¤rmeleitfÃ¤higkeit 129 W/(m Â· K) Isotope Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 12C 98
	9 % C ist stabil mit 6 Neutronen 13C 1
	gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. Inhaltsverzeichnis showTocToggle("Anzeigen"
	156 14N Soweit mÃ¶glich und gebrÃ¤uchlich
	"Verbergen") 1 Modifikationen des Kohlenstoff 2 Atommodell des Kohlenstoffs 2.1 Diamant (sp3) Struktur 2.2 Graphit (sp2) Struktur 2.3 Dreifach (sp1) Bindung 3 Erscheinungsformen des Kohlenstoffs 3.1 Diamant 3.2 Graphit 3.3 Graphen 3.4 Fullerene 3.5 KohlenstoffnanorÃ¶hren 3.6 Kohlenstoffnanoschaum 3.7 Kohlenstoff-Fasern 3.8 RuÃŸ 3.9 Aktivkohle 3.10 Glaskohlenstoff 3.11 Amorpher Kohlenstoff 3.12 Kohlenstoff-Verbindungen 4 Rohstoffe fÃ¼r die Kohlenstoff-Gewinnung 5 Weblinks [Bearbeiten]
	1 % C ist stabil mit 7 Neutronen 14C in Spuren 5730 y beta- 0
	A. (sublimiert) Dampfdruck 0 Pa Schallgeschwindigkeit 18350 m/s Verschiedenes Spezifische WÃ¤rmekapazitÃ¤t 710 J/(kg Â· K) Elektrische LeitfÃ¤higkeit 0
Modifikationen des Kohlenstoff
	Graphit und Fullerene. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral
	Elementarer Kohlenstoff kommt in mehreren Modifikationen vor: Diamant
	Graphit ist ein guter elektrischer Halbleiter von tiefschwarzer Farbe
	Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel
	Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent
	AuÃŸerdem ist Diamant das hÃ¤rteste bekannte Element und wird als Schleifmittel eingesetzt
	Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurÃ¼ckfÃ¼hren (siehe unten ). [Bearbeiten]
Atommodell des Kohlenstoffs
	Das Modell der Atom- und MolekÃ¼lorbitale veranschaulicht
	wie es zu der unterschiedlichen AusprÃ¤gung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt
	Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen
	Nach dem Schalenmodell besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale
	Das 2s-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf
	zwei weitere das 2px- und 2py- Niveau
	Nur die vier Ã¤uÃŸeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung
	Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist kugelfÃ¶rmig
	In einem p-Niveau ist sie anisotrop
	Die Elektronen bevÃ¶lkern einen tropfenfÃ¶rmigen Raum
	jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse
	wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem plaziert vorstellt
	Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital. [Bearbeiten]
*Diamant (sp³) Struktur*
	Bild nicht gefunden Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus
	hybridisieren die s und p Niveaus und bilden gemeinsam neue Aufenthaltswahrscheinlichkeiten fÃ¼r die Elektronen aus
	Wird ein Kohlenstoff-Atom in einen angeregten Zustand versetzt
	spricht man von einer sp3 Hybridisierung
	Beteiligen sich das s- und alle drei p-Orbitale
	Die Orbitale nehmen eine langgestreckte Tropfenform an
	erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlÃ¤ngert
	War sie bei den p- Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet
	Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen
	sie nehmen die Form eines Tetraeders an. Ãœberlappen sich die sp3-Orbitale angeregter Atome
	die Nebenkeulen wurden der Ãœbersichtlichkeit wegen fortgelassen. Die vier sp3-Orbitale orientieren sich symmetrisch zueinander im Raum
	bilden sie feste kovalente Bindungen
	Sie bilden das GrundgerÃ¼st des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.) [Bearbeiten]
*Graphit (sp²) Struktur*
	Bild nicht gefunden Drei sp2-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (hexagonal) zueinander aus
	Beteiligen sich nur 2 der p-Orbitale an der Hybridisierung
	entstehen die sog. sp2-Orbitale
	Die sp2- Orbitale richten sich senkrecht zum Ã¼briggebliebenen p-Orbital aus
	liegen die sp2- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene
	Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene
	Sie haben den gleichen Winkel von 120Â° zueinander
	Das Bild links veranschaulicht die Situation
	Das p-Orbital ist der Ãœbersichtlichkeit wegen fortgelassen worden
	aber nur in einer Ebene
	Angeregte sp2-Kohlenstoff-Atome reagieren miteinander und bilden feste kovalente Bindungen
	d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort)
	Ihre Struktur ist hexagonal
	Die Ã¼briggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander
	Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp2 beziehungsweise sp3- Orbitale
	Chemisch sprechen wir von einer Doppelbindung
	Die Schreibweise C=C vernachlÃ¤ssigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen
	Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3-Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350 kJ/mol
	die der graphitartigen hexagonalen sp2-Doppelbindung C-C nur um 260 kJ/mol hÃ¶her
	In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol). [Bearbeiten]
*Dreifach (sp¹) Bindung*
	formen sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen
	Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert
	Orientieren wir sie entlang der x-Achse
	zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung
	Zwei Atome formen eine Kohlenstoff-Dreifachbindung
	Die pi-Bindung lokalisiert die Elektronen zwischen den beiden Atomen
	weitere Atome kÃ¶nnen nicht in den Verband aufgenommen werden
	Das Gas Ethin HC --- CH ist die grÃ¶ÃŸtmÃ¶gliche Struktur auf Basis der sp1-Bindung. [Bearbeiten]
Erscheinungsformen des Kohlenstoffs
	sp2 und sp1. sp1 tritt makroskopisch nicht in Erscheinung
	Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen
	basierend auf den Bindungsstrukturen sp3
	Unterschiede in der Anordnung von sp2-gebundenen Kohlenstoff-Atomen werden manchesmal als gesonderte (makroskopische) Modifikation bezeichnet. [Bearbeiten]
Diamant
	Siehe auch: Diamant Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen
	Das Material ist deshalb ein Isolator
	das Licht nicht absorbiert
	Diamant ist metastabil
	unter schonenden Bedingungen wandelt er sich bei hohen Temperaturen um in Graphit. [Bearbeiten]
Graphit
	Siehe auch: Graphit Die sp2-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen
	Die Ebenen untereinander sind nur locker Ã¼ber Van-der-Waals-KrÃ¤fte gebunden
	Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen
	Da die Ebenen so dÃ¼nn sind
	tritt ihre auÃŸerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung. [Bearbeiten]
Graphen
	Als Graphen bezeichnet man eine monoatomare Schicht von Kohlenstoff
	die einer Basalebene entspricht
	Wie bei Alkenen verweist die Endung en auf ungesÃ¤ttigte Doppelbindungen in den Kohlenstoff-Ringen (Betonung: Graph-Ã©n)
	Monolagen in makroskopischer Ausdehnung herzustellen
	um die hohe Anisotropie der elektrischen Eigenschaften entlang und senkrecht zur Ebene fÃ¼r die Herstellung neuartiger Halbleiter zu nutzen. [Bearbeiten]
	Man versucht
Fullerene
	Siehe auch: Fulleren Eine hexagonale Struktur ist planar
	Ersetzt man einige Sechsecke durch FÃ¼nfecke
	entsteht eine rÃ¤umliche Struktur
	die Fullerene
	Die sp2-Bindungen liegen nicht mehr in einer Ebene
	sondern bilden ein rÃ¤umlich geschlossenes Gebilde
	Die kleinste mÃ¶gliche Struktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome und gleicht im Aufbau einem FuÃŸball
	genauso wie beim Graphit die Basalebenen. [Bearbeiten]
	Die MolekÃ¼lkugeln untereinander binden sich Ã¼ber eine schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung
KohlenstoffnanorÃ¶hren
	sp2-gebundene Kohlenstoffatome
	Siehe auch: KohlenstoffnanorÃ¶hre Die vierte Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete
	die zu einem Zylinder aufgerollt wird
	Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit
	wodurch sich die elektrischen Eigenschaften Ã¤ndern
	Die entstandene RÃ¶hre kann zusÃ¤tzlich noch verdreht sein
	so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht
	Es kÃ¶nnen mehrere einwandige RÃ¶hren konzentrisch ineinander liegen
	im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT). (siehe KohlenstoffnanorÃ¶hren) [Bearbeiten]
Kohlenstoffnanoschaum
	die einen durchschnittlichen Durchmesser von je sechs bis neun Nanometern besitzen
	Die fÃ¼nfte Form von Kohlenstoff ist eine zufÃ¤llig orientierte
	netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern
	Sie hat mit zwei Milligramm/Kubikzentimeter die niedrigste Dichte aller bekannten Feststoffe und weist als erste Form reinen Kohlenstoffs bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf
	wenn auch nur fÃ¼r wenige Stunden nach der Herstellung
	Bei weniger als 90 Kelvin wird sie wieder magnetisiert (??)
	Der Stoff ist ein Halbleiter. (Referenz??) [Bearbeiten]
Kohlenstoff-Fasern
	Siehe auch: Kohlenstofffaser Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff
	die Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse
	In einer Idealfaser liegen die Grapitlagen geordnet wie in einer langen Papierrolle vor
	In Wirklichkeit sind die Ebenen stark gestÃ¶rt und bilden nur lokale Ordnungen aus
	Das MaÃŸ der StÃ¶rung beeinflusst die Festigkeit. [Bearbeiten]
RuÃŸ
	Siehe auch: RuÃŸ RuÃŸ besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis
	Je reiner der RuÃŸ
	desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor
	die die Bildung grÃ¶ÃŸerer Graphit-VerbÃ¤nde verhindern. [Bearbeiten]
	Lampen- oder KerzenruÃŸ ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt
Aktivkohle
	fÃ¼hrt zu einem porÃ¶sen Kohlenstoff
	wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen
	Siehe auch Aktivkohle Behutsamens Graphitieren von organischen Materialien
	Die HohlrÃ¤ume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr groÃŸe innere OberflÃ¤che
	Aktivkohle filtert Feststoffe aus FlÃ¼ssigkeiten und kann Gase adsorbieren. [Bearbeiten]
Glaskohlenstoff
	Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit ausgeprÃ¤gter struktureller Fehlordnung und glasartigem Bruchbild
	Die Kohlenstoffatome mit sp2-Bindung sind in ebenen Schichten mit hexagonaler Symmetrie angeordnet
	Im Gegensatz zu Graphit sind diese Schichten bei glasartigem Kohlenstoff nicht regelmÃ¤ÃŸig Ã¼ber grÃ¶ÃŸere Bereiche hinweg geordnet
	BÃ¤nder aus graphitisch geordneten
	Ã¼bereinander geschichteten Strukturen bilden eine polymerÃ¤hnliche KnÃ¤uelstruktur
	zwischen den Graphitschichten sind aber zahlreiche HohlrÃ¤ume vorhanden. Ã„hnlich wie bei GlÃ¤sern betrÃ¤gt der Durchmesser etwa 1 bis 3nm
	Glasartiger Kohlenstoff ist im Makrobereich porenfrei
	Folgen der strukturellen Fehlordnung sind die geringe Dichte
	die im Vergleich zu Graphit geringere elektrische und thermische LeitfÃ¤higkeit und die Isotropie des Werkstoffs
	Trotz der aufgeweiteten Struktur betrÃ¤gt die Helium-PermeabilitÃ¤t nach der Vakuumverfallsmethode nur 10-11 cmÂ² s-1
	Eine der interessantesten Eigenschaften von glasartigem Kohlenstoff ist die HochtemperaturbestÃ¤ndigkeit im Vakuum oder Inertgas bis 3000Â°C
	An Luft ist Glaskohlenstoff bis etwa 600Â°C bestÃ¤ndig
	Glaskohlenstoff bildet auf Grund der starken Fehlordnung keine Interkalationsverbindungen
	Die Folge ist die auÃŸerordentlich hohe KorrosionsbestÃ¤ndigkeit gegen saure und alkalische Reagenzien und Schmelzen
	Lediglich Sauerstoff Ã¼ber 600Â°C und oxidierenden Schmelzen greifen Glaskohlenstoff an
	Die hohe Reinheit des Werkstoffs prÃ¤destiniert Ihn fÃ¼r Anwendungen in der Analytik
	Halbleiter- und Reinststofftechnik
	Da GefÃ¤ÃŸe aus glasartigem Kohlenstoff keine Memory-Effekte zeigen
	ist das Material im Bereich der Ultraspurenanalytik vielseitig einsetzbar
	Weitere Informationen: www.htw-germany.com [Bearbeiten]
Amorpher Kohlenstoff
	(Entwurf: Sehr selten
	nicht zu verwechseln mit RuÃŸ
	EnthÃ¤lt neben sp2 auch Anteile von sp3 gebundenem Kohlenstoff.) [Bearbeiten]
Kohlenstoff-Verbindungen
	Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2) KohlensÃ¤ure (H2CO3) sowie ihre Salze
	Beispiele einiger anorganischer chemischer Verbindungen
	die Carbonate
	die Kohlenstoff enthalten: Oxide
	Stahl. Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen
	hauptsÃ¤chlich in Verbindung mit Wasserstoff
	Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff
	CS2). Legierung aus Eisen und Kohlenstoff
	Sauerstoff und Stickstoff
	ihren Ozeanen und der ErdatmosphÃ¤re findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt
	Zwischen der Erde
	Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus
	aufgrund der FÃ¤higkeit des Kohlenstoffs
	Die organische Chemie umfasst
	lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden
	mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie
	Auch die Biochemie ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie. [Bearbeiten]
Rohstoffe fÃ¼r die Kohlenstoff-Gewinnung
	Die Inkohlung erhÃ¶ht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer ZeitrÃ¤ume
	Dieser Prozess fÃ¼hrte zur Entstehung von Braun- und Steinkohle aus Pflanzenmaterial des Karbons
	Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Intertgas
	Die Karbonisierung (bis ca
	1900 Â°C) und Graphitierung bzw
	je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen. Kohlenstoffgehalt in Gew.-% einiger Rohstoffe fÃ¼r die Kohlenstoff-Gewinnung: Anthrazit: >90% Steinkohle: 85-90% Koks (Karbonisierung von Steinkohle): ? Braunkohle: 60-75% ErdÃ¶l: >99% ?? Erdgas: 85-95% Torf: 56 Holz: 45-50% Holzkohle (Karbonisierung von Holz): ? [Bearbeiten]
	Graphitisierung (oberhalb 2000 Â°C) fÃ¼hren zu hohen Kohlenstoffanreicherungen
Weblinks
	Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes (http://www.ifres.ch/Homepage/DB/Diss_Mauron.pdf) (in Englisch) Siehe auch: organische Chemie
	Radiokarbonmethode
	Polymer af:Koolstof bn:à¦•à¦¾à¦°à§?à¦¬à¦¨ ca:Carboni cs:UhlÃk cy:Carbon da:Carbon en:Carbon eo:Karbono es:Carbono et:SÃ¼sinik eu:Karbono fi:Hiili fr:Carbone gl:Carbono he:×¤×—×ž×Ÿ hr:Ugljik hu:SzÃ©n io:Karbo it:Carbonio ja:ç‚ç´ la:Carbonium nb:Karbon nds:Kohlenstoff nl:Koolstof nn:Karbon pl:WÄ™giel pt:Carbono ru:Ð£Ð³Ð»ÐµÑ€Ð¾Ð´ simple:Carbon sl:Ogljik sr:Ð£Ð³Ñ™ÐµÐ½Ð¸Ðº sv:Kol th:à¸„à¸²à¸£à¹Œà¸šà¸à¸™ zh:ç¢³

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Diamant (sp³) Struktur

Graphit (sp²) Struktur

Dreifach (sp¹) Bindung

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Graphit

Graphen

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