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Kohlenstoff und Johannes Diderik van der Waals: Unterschied zwischen den Seiten

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[[Bild:Johannes_Diderik_van_der_Waals.jpg|thumb|Johannes Diderik van der Waals]]
{{Infobox Chemisches Element
'''Johannes Diderik van der Waals''' (* [[23. November]] [[1837]] in [[Leiden (Stadt)|Leiden]]; † [[8. März]] [[1923]] in [[Amsterdam]]) war ein niederländischer [[Physiker]].
<!--- Periodensystem --->
| Name = Kohlenstoff
| Symbol = C
| Ordnungszahl = 6
| Serie = [[Nichtmetalle|Nichtmetall]]
| Gruppe = 14
| Periode = 2
| Block = p
| Serienfarbe = LimeGreen
| Aussehen = schwarz (Graphit)<br />farblos (Diamant)
| CAS_Nummer = 7440-44-0
| Massenanteil = 0,09
| Atommasse = 12,0107
| Atomradius = 70
| AtomradiusBerechnet = 67
| KovalenterRadius = 77
| VanDerWaalsRadius = 170
| Elektronenkonfiguration = &#x5B;[[Helium|He]]&#x5D;2[[S-Orbital|s]]<sup>2</sup>2p<sup>2</sup>
| ElektronenProEnergieNiveau = 2,4
| Austrittsarbeit = 4,81
| Ionisierungsenergie_1 = 1086,5
| Ionisierungsenergie_2 = 2352,6
| Ionisierungsenergie_3 = 4620,5
| Ionisierungsenergie_4 = 6222,2
| Aggregatzustand = fest
| Modifikationen = 3
unter anderem Graphit (G) und Diamant (D)
| Kristallstruktur = G: hexagonal<br />D: kubisch flächenzentriert
| Dichte = G: 2,25 g/cm<sup>3</sup><br/>D: 3,51 g/cm<sup>3</sup>
| RefTempDichte_K =
| Mohshärte = G: 0,5<br/>D: 10
| Magnetismus = diamagnetisch
| Schmelzpunkt_K = D: 3820
| Schmelzpunkt_C = D: 3550
| Siedepunkt_K = G: (Subl.)<br/>D: 5100
| Siedepunkt_C = 4800
| MolaresVolumen = 5,29 · 10<sup>-6</sup>
| Verdampfungswärme = [[Sublimation (Physik)|Sublimation]]: 715
| Schmelzwärme = -
| Dampfdruck = 1
| RefTempDampfdruck_K = 2710
| Schallgeschwindigkeit = D: 18350
| RefTempSchallgeschwindigkeit_K =
| SpezifischeWärmekapazität = G: 709 J/(kg K)<ref name="Lide2006">D. R. Lide: ''CRC handbook of chemistry and physics: A ready-reference book of chemical and physical data''. 87. Aufl. Boca Raton Fla. : CRC Taylor & Francis, 2006 – ISBN 0-8493-0487-3</ref><br/>D: 427
| RefTempSpezifischeWärmekapazität_K =
| ElektrischeLeitfähigkeit = G: 3 · 10<sup>6</sup> S/m<br/>D: 1 · 10<sup>-4</sup>
| RefTempElektrischeLeitfähigkeit_K =
| Wärmeleitfähigkeit = G: 119–165 W/(m · K)<br/>D: 900–1300
| RefTempWärmeleitfähigkeit_K =
| Oxidationszustände = 2, '''4'''
| Oxide = CO<sub>2</sub>; CO
| Basizität = leicht [[Säure|sauer]]
| Normalpotential =
| Elektronegativität = 2,55
| Quelle GefStKz = <ref>[http://assets.chemportals.merck.de/documents/sds/emd/deu/de/1022/102204.pdf Sicherheitsdatenblatt (Merck) für Holzkohle]</ref>
| Gefahrensymbole = {{Gefahrensymbole|-}}
| R = {{R-Sätze|-}}
| S = {{S-Sätze|-}}
| Radioaktiv =
| Isotope =
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 10
| NH = 0
| Halbwertszeit = 19,255 s
| Zerfallstyp1ZM = [[Elektronen-Einfang|ε]]
| Zerfallstyp1ZE = 3,648
| Zerfallstyp1ZP = [[Bor|<sup>10</sup>B]]
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 11
| NH = 0
| Halbwertszeit = 20,39 min
| Zerfallstyp1ZM = [[Elektronen-Einfang|ε]]
| Zerfallstyp1ZE = 1,982
| Zerfallstyp1ZP = [[Bor|<sup>11</sup>B]]
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Symbol = C
| OZ = 6
| Massenzahl = 12
| NH = '''98,9'''
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Symbol = C
| OZ = 6
| Massenzahl = 13
| NH = 1,1
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 14
| NH = < 10<sup>-9</sup>
| Halbwertszeit = 5730 [[Jahr|a]]
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>-</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 0,156
| Zerfallstyp1ZP = [[Stickstoff|<sup>14</sup>N]]
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 15
| NH = 0
| Halbwertszeit = 2,449 s
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>-</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 9,772
| Zerfallstyp1ZP = [[Stickstoff|<sup>15</sup>N]]
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 16
| NH = 0
| Halbwertszeit = 0,747 s
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>-</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 8,012
| Zerfallstyp1ZP = [[Stickstoff|<sup>16</sup>N]]
}}
| NMREigenschaften =
{{Infobox_Chemisches_Element/NMR
| Symbol = C
| Massenzahl_1 = 12
| Kernspin_1 = 0
| Gamma_1 = 0
| Empfindlichkeit_1 = -
| Larmorfrequenz_1 = -
| Massenzahl_2 = 13
| Kernspin_2 = 1/2
| Gamma_2 = 6,73 · 10<sup>7</sup>
| Empfindlichkeit_2 = -
| Larmorfrequenz_2 = 125,72 MHz
}}
}}
'''Kohlenstoff''' (von [[Altgermanisch|altgerm.]] ''kolo'' = „Kohle“), Symbol '''C''' (von [[Latein|lat.]] ''carbo'' „Holzkohle“, latinisiert ''carbonium'') ist ein [[chemisches Element]] der [[Kohlenstoffgruppe|4. Hauptgruppe]]. Es kommt in der Natur sowohl in reiner ([[gediegen]]er) Form als auch chemisch gebunden vor. Aufgrund seiner besonderen [[Elektronenkonfiguration]] (halbgefüllte [[Elektronenkonfiguration|L-Schale]]) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen [[Molekül]]en und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an [[Chemische Verbindung|chemischen Verbindungen]] auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.


== Vorkommen ==
== Leben ==
Nach seiner Schulausbildung war er als Lehrer in seiner Heimatstadt Leiden tätig. Ohne das Abitur als Zugangsberechtigung zu einem Hochschulstudium zu besitzen, besuchte van der Waals in der Zeit von 1862 bis 1865 an der [[Universität Leiden]] Vorlesungen und Seminare. Hierdurch erlangte er in den Fächern [[Mathematik]] und [[Physik]] eine Erweiterung seiner Lehrzertifikate. Ab 1864 war er als Lehrer in [[Deventer]] tätig. 1866 übernahm van der Waals eine Stelle an einer weiterführenden Schule in [[Den Haag]], an der er später auch Schuldirektor wurde. Eine Gesetzesänderung ermöglichte es, dass er auch ohne Abitur ein Studium der Naturwissenschaften durchführen konnte. Van der Waals schloss 1873 sein Studium mit einer [[Dissertation]]<ref>Johannes Diderik van der Waals: ''Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand.'' Universität Leiden, 1873 (Dissertation)</ref> in Physik ab. Als Professor für Physik war er von 1877 bis 1908 an der [[Universität Amsterdam]] tätig.
Kohlenstoff ist ein essentielles Element der [[Biosphäre]], es ist in allen [[Lebewesen]] - nach [[Sauerstoff]] ([[Wasser]]) - dem Gewicht nach das bedeutendste Element. Alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.


== Leistungen ==
[[Geologie|Geologisch]] dagegen zählt es nicht zu den häufigsten Elementen. Man findet Kohlenstoff in der unbelebten Natur sowohl elementar ([[Diamant]], [[Graphit]]) als auch in Verbindungen. Die Hauptfundorte von Diamant sind [[Afrika]] (v.&nbsp;a. [[Südafrika]] und der [[Demokratische Republik Kongo|Kongo]]) und [[Russland]]. Diamanten findet man häufig in vulkanischen Gesteinen wie [[Kimberlit]]. Graphit kommt relativ selten in kohlenstoffreichem [[Metamorphes Gestein|metamorphem Gestein]] vor. Die wichtigsten Vorkommen liegen in [[Indien]] und [[Volksrepublik China|China]].
Van der Waals erforschte u.&nbsp;a. das Verhalten von [[Molekül]]en und befasste sich mit Theorien über den Zustand von [[Materie]]. 1869 entdeckte er die Ursache der Anziehungskräfte zwischen Atomen bzw. [[Polarität (Chemie)|unpolaren]] Molekülen – die später nach ihm benannten [[Van-der-Waals-Kräfte]]. 1873 entwickelte van der Waals im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Leiden ein Modell über die [[Kontinuität]] von gasförmigen und flüssigen Zuständen von Materie. Hieraus stellte er eine [[Zustandsgleichung]] auf, die zeigte, dass [[Aggregat]]zustände für Gase und Flüssigkeiten nicht nur ineinander übergehen, sondern dass diese Aggregatzustände auf dem gleichen physikalischen Grundprinzip basieren.


Für diese Leistung erhielt van der Waals 1910 den [[Nobelpreis für Physik]] ''"für seine Arbeiten über die Zustandsgleichung der Gase und Flüssigkeiten"'', die insbesondere auch zu der von ihm aufgestellten [[Van-der-Waals-Gleichung]] führten.
Am häufigsten findet man Kohlenstoff in Form von anorganischem [[Carbonatgestein]] (ca. 2,8 · 10<sup>16</sup>&nbsp;t). Carbonatgesteine sind weit verbreitet und bilden zum Teil [[Gebirge]]. Ein bekanntes Beispiel für Carbonat-Gebirge sind die [[Dolomiten]] in [[Italien]]. Die wichtigsten Carbonat- [[Mineral]]ien sind [[Calciumcarbonat]] (Modifikationen: [[Kalkstein]], [[Kreide (Gestein)|Kreide]], [[Marmor]]) CaCO<sub>3</sub>, Calcium-Magnesium-Carbonat ([[Dolomit (Mineral)|Dolomit]]) CaCO<sub>3</sub> · MgCO<sub>3</sub>, [[Eisencarbonat]] ([[Eisenspat]]) FeCO<sub>3</sub> und [[Zinkcarbonat]] ([[Zinkspat]]) ZnCO<sub>3</sub>.

Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Brennstoffe [[Kohle]], [[Erdöl]] und [[Erdgas]]. Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen, sondern eine [[Mischung]] aus vielen verschiedenen [[Organische Verbindung|organischen Verbindungen]]. Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher (Kohle) und tierischer (Erdöl, Erdgas) Überreste unter hohem [[Druck (Physik)|Druck]]. Wichtige Vorkommen für Kohle liegen in den [[Vereinigte Staaten|USA]], [[Volksrepublik China|China]] und [[Russland]]. Ein bekanntes deutsches Kohlevorkommen liegt im [[Ruhrgebiet]]. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel ([[Irak]], [[Saudi-Arabien]]). Weitere wichtige Ölvorkommen sind im [[Golf von Mexiko]] und in der [[Nordsee]].

Kohlenstoff kommt weiterhin in der [[Luft]] als [[Kohlenstoffdioxid]] vor. Es ist an der Zusammensetzung der Luft zu etwa 0,04 % beteiligt. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen. Auch in [[Meerwasser]] ist CO<sub>2</sub> gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil).

Mengenmäßig ist der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Gesteinshülle ([[Lithosphäre]]) gespeichert. Alle anderen Vorkommen machen mengenmäßig nur etwa 1/1000 des Gesamt-Kohlenstoffs aus.

== Modifikationen des Kohlenstoffs ==
Elementarer Kohlenstoff ist [[Nichtmetalle|nichtmetallisch]] und kommt in mehreren [[Allotropie|allotropen Modifikationen]] vor, die beiden wichtigsten sind [[Diamant]] und [[Graphit]].

Graphit ist ein guter elektrischer [[Leiter (Physik)|Leiter]] von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist seine Leitfähigkeit [[anisotrop]]: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel.
Diamant hingegen ist ein sehr guter [[Isolator]] und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen (siehe unten).

== Atommodell des Kohlenstoffs ==
Das Modell der Atom- und [[Molekülorbitaltheorie|Molekülorbitale]] veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt.

Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem [[Schalenmodell (Atomphysik)|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 äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung.
Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem ''s''-Niveau ist kugelförmig. In einem ''p''-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen [[Koordinatensystem]] platziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das ''py''- und ''pz''-Orbital.

=== Diamant (''sp<sup>3</sup>'') Struktur ===
[[Bild:Sp3-Orbital.png|thumb|left|120px|Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.]]
Das ''2s''-Niveau kann mit den 3 ''2p''-Niveaus [[Hybrid-Orbital|hybridisieren]] und 4 energetisch gleichwertige ''sp³''-Orbitale bilden. Dies kann man anschaulich so erklären, dass eines der s-Elektronen in das vorher leere p-Orbital gehoben wird und sich dabei die Orbitalenergien angleichen. Diese Orbitale besitzen eine langgestreckte, asymmetrische Tropfenform. Waren die Formen der ''p''-Orbitale spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen. Die vier ''sp³''-Orbitale sind, mit größtmöglichem Abstand zueinander symmetrisch im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten [[Tetraeder]]s.

Überlappen sich die ''sp³''-Orbitale von Atomen, können sie feste [[Atombindung|kovalente]] Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur widerspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des [[Diamant]]gitters (siehe Kristallstruktur dort.)

=== Graphit (''sp<sup>2</sup>'') Struktur ===
[[Bild:Sp2-Orbital.png|thumb|left|120px|Drei sp<sup>2</sup>-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (hexagonal) zueinander aus.]]
Sind nur 2 der 3 ''p''-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die so genannte ''sp²''-Orbitale. Die ''sp²''- Orbitale richten sich senkrecht zum übrig gebliebenen ''p''-Orbital aus. Steht beispielsweise das ''p''-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die ''sp²''- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120°
zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das unhybridisierte ''p''-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.

''sp²''-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des [[Graphit]]s (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen ''p''-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die ''pi''-Bindungen mit deutlich geringeren
Bindungsenergien als die ''sigma''-Bindungen der ''sp²'' beziehungsweise ''sp³''-Orbitale.
<br />
Chemisch spricht man von einer [[Alkene|Doppelbindung]]. Die Schreibweise ''C=C'' vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.<br />
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen ''sp³''-Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350&nbsp;kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen ''sp²''-Doppelbindung ''C=C'' nur um 260&nbsp;kJ/mol höher.<br />
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die ''pi''-Bindung
durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe [[Benzol]]).

=== Dreifach (''sp<sup>1</sup>'') Bindung ===
Wenn nur ein ''p''-Orbital mit dem ''s''-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, zeigen die verbliebenen ''p''-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas [[Ethin]] (Acetylen) ''HC ≡ CH''. Während sp3-Bindungen dreidimensionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale, bilden sp1-Bindungen höchstens eindimensionale Ketten, wie zum Beispiel H-C≡C-C≡C-H.

== Erscheinungsformen des Kohlenstoffs ==
[[Bild:Eight Allotropes of Carbon.png|thumb|400px|'''a)''' [[Diamant]], '''b)''' [[Graphit]] '''c)''' [[Lonsdaleit]] '''d)''' [[Fulleren|Buckminsterfullerene]] (C60) '''e)''' C540 '''f)''' C70 '''g)''' Amorpher Kohlenstoff '''h)''' [[Kohlenstoffnanoröhre|Nanoröhrchen]]]]
Elementarer Kohlenstoff existiert in drei [[Polymorphie (Materialwissenschaft)|Modifikationen]], basierend auf den Bindungsstrukturen ''sp³'' und ''sp²'':
Diamant, Graphit und Fulleren.
Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

=== Modifikationen ===

==== Diamant ====
Siehe auch: [[Diamant]]<br /> Die ''sp³''-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer [[Bandlücke]] von 5,45&nbsp;eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. [[Dotieren|Zugabe von Fremdatomen]] erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen, während mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluss bei Temperaturen um 1500&nbsp;°C in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ungefähr 700–800&nbsp;°C zu Kohlendioxid.
Diamant gilt unter Normalbedingungen (1&nbsp;bar, 25&nbsp;°C) gemeinhin als die [[Metastabiler Zustand|metastabile]] Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil
# die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist, <br />
# bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluss der Umgebung - geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben - nicht berücksichtigt wurde/wird (s. h. ''M. A. Carpenter: ''Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach.'' In: ''Stability of Minerals.'' Chapman & Hall, London 1992'' oder E. Salje: ''Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals.'' Cambridge University Press, Cambridge 1990) und schließlich <br />
# Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, dass in einer Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

[[Lonsdaleit]], auch hexagonaler Diamant bezeichnet, ist eine sehr seltene Modifikation des Diamanten.

==== Graphit ====
Siehe auch: [[Graphit]]<br />
Die ''sp²''-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über [[Van-der-Waals-Kräfte]] gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung.

Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr [[anisotrop]]: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, die Leitung von Wärme oder Ladungen von Kristallebene zu Kristallebene ist dagegen
relativ schlecht.

==== Fullerene ====
[[Bild:C60-Fulleren-kristallin.JPG|thumb|left|120px|Fulleren C60 Kristalle]]
Siehe auch: [[Fullerene]]<br />
Ein reguläres [[hexagonal]]es Wabenmuster, wie es die C-Atome in den Basalebenen des Graphits ausbilden, ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entstehen gekrümmte Flächen, die sich bei bestimmten relativen Anordnungen der Fünf- und Sechsringe zu geschlossenen Körpern "aufrollen". In den [[Fulleren]]en sind derartige Strukturen realisiert. Die ''sp²''-Bindungen liegen dabei nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur besteht nur noch aus Fünfecken und erfordert 20 Kohlenstoff-Atome, der dazugehörige Körper ist ein Pentagon-[[Dodekaeder]]. Dieses einfachste Fulleren ist bislang aber nur [[Massenspektrometrie|massenspektrometrisch]] nachgewiesen worden. Einer der stabilsten Fullerene besteht aus 60 Kohlenstoff-Atomen und enthält neben Sechsecken nur Fünfecke, die mit keinem anderen Fünfeck eine gemeinsame Kante besitzen. Das so entstehende Muster ([[abgestumpftes Ikosaeder]], ein [[archimedischer Körper]]) gleicht dem Muster auf einem (altmodischen) [[Fußball (Sportgerät)|Fußball]]. Es wird zu Ehren von [[Richard Buckminster Fuller]] als Buckminster-Fulleren bezeichnet. Die Molekül"kugeln" der Fullerene sind untereinander über relativ schwache [[Van-der-Waals-Kräfte|Van-der-Waals-Wechselwirkungen]] gebunden, ähnlich wie die Basalebenen im Graphit. Mittlerweile sind etliche Fullerene unterschiedlicher Größe isoliert und teilweise auch kristallisiert worden; sie können daher als echte [[Polymorphie (Materialwissenschaft)|Modifikation]](en) gelten. Fullerene kommen vermutlich in allen Rußen vor, so zum Beispiel auch in dem Ruß über Kerzenflammen.

=== Weitere Formen des Kohlenstoffs ===

==== Amorpher Kohlenstoff ====
In amorphem Kohlenstoff (a-C) sind die Atome ohne langreichweitige Ordnung vernetzt. Das Material lässt sich mit nahezu beliebigen sp²:sp³ Hybridisierungsverhältnissen synthetisieren, wobei die Materialeigenschaften fließend von denen des Graphits zu denen des Diamants übergehen. In der Industrie wird in diesem Fall häufig der Begriff Diamond like Coating oder Diamond like Carbon (DLC) verwendet.
Bei einem sp³ Hybridisierungsanteil von über 70&nbsp;% spricht man von tetraedrisch amorphen Kohlenstoff (ta-C). Dieses Material zeichnet sich durch hohen elektrischen Widerstand, extreme Härte und optische Transparenz aus. Die Synthese kann mittels [[Physikalische Gasphasenabscheidung|PVD]]- oder [[PECVD]]-Methoden erfolgen. Das Material wird dabei als Schicht abgeschieden (amorphe [[Kohlenstoffschicht]]).

==== Kohlenstoff-Fasern ====
Siehe auch: [[Kohlenstofffaser]]

Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig ''sp²''-gebundenem Kohlenstoff. Isotrope Fasern verhalten sich ähnlich wie polykristalliner Graphit und besitzen nur geringe Festigkeiten. Fasermatten und -bündel werden für Wärmedichtungen eingesetzt. Durch Strecken bei der Herstellung ist es möglich, die Basalebenen entlang der Faserachse auszurichten. Man erhält hochfeste Fasern mit Eigenschaften, die den theoretischen Werten von Graphit entlang der Basalebenen nahekommen. Anisotrope Kohlenstofffasern sind leicht, außerordentlich [[Elastizitätsmodul|steif]] und fest und werden in [[Verbundwerkstoff]]en genutzt.

==== Glaskohlenstoff ====
Siehe auch [[Glaskohlenstoff]].

[[Glaskohlenstoff]] ("Glassy Carbon") ist ein hochtechnologischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige und keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint. Im Gegensatz zu Graphit besitzt Glaskohlenstoff eine fullerenartige Mikrostruktur. Dadurch ergibt sich eine große Vielfalt positiver Materialeigenschaften. Die Leitfähigkeit ist zum Beispiel geringer als bei Graphit.

==== Graphen ====
Siehe auch: [[Graphen]]

Als Graphen bezeichnet man eine Graphit-Basalebene von sp2-hybridisiertem Kohlenstoff. Man erhält die dünnen Schichten durch chemisches Spalten von Graphit. Eingebettet in Kunststoffen eignet es sich als Ausgangsmaterial für neue Verbundwerkstoffe oder für Untersuchungen von zweidimensionalen Kristallen.

==== Aktivkohle ====
Siehe auch [[Aktivkohle]]<br />
Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert gelöste Stoffe in geringer Konzentration aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

==== Ruß ====
Siehe auch: [[Ruß]]<br />
Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

==== Kohlenstoffnanoröhren ====
Siehe auch: [[Kohlenstoffnanoröhre]]<br />
Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, ''sp²''-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von ''multiwalled carbon nanotubes'' (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu ''single-walled carbon nanotubes'' (SWCNT).

==== Carbon nanobuds ====
[[Carbon nanobud]]s kombinieren die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen.

==== Kohlenstoffnanoschaum ====
Kohlenstoffnanoschaum ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, ähnlich der von Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun [[Nanometer]]n. Technisch gesprochen ist Kohlenstoffnanoschaum ein [[Aerogel]] mit einer Dichte von 0,2–1,0 [[Gramm]]⁄[[Kubikzentimeter]]. Teilweise werden noch niedrigere Dichten mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften beschrieben.

== Verbindungen ==
Kohlenstoff ist das Element, das nach Wasserstoff die meisten Verbindungen aller Elemente bilden kann (Wasserstoff steht an erster Stelle, weil die meisten Kohlenstoffverbindungen auch Wasserstoff enthalten). Besonderheiten des Kohlenstoffs sind es, Ketten und Ringe mit sich selbst und anderen Elementen sowie Doppel- und Dreifachbindungen unter Beteiligung von π-Orbitalen zu bilden. Aufgrund seiner mittelstarken Elektronegativität hat er ein gutes Bindungsvermögen sowohl zu elektropositiveren als auch zu elektronegativeren Elementen. Alle Oxidationsstufen von -IV bis +IV kommen in der Natur in anorganischen oder organischen Verbindungen vor.

Kohlenstoffverbindungen werden traditionell bis auf wenige Ausnahmen zur [[Organische Chemie|organischen Chemie]] gezählt, diese wird auch manchmal als Chemie des Kohlenstoffs bezeichnet. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, [[Kohlenstoffkette|lange Ketten]] und [[kovalente Bindung]]en mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie. Auch die [[Biochemie]] ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie. Zu den einfachsten organischen Verbindungen zählen die [[Alkane]] [[Methan]] und [[Ethan]].

Nur relativ wenige Kohlenstoffverbindungen werden traditionell zu den anorganischen Verbindungen gestellt, darunter mengenmäßig am bedeutendsten die Sauerstoff-Verbindungen:

* [[Carbid]]e, Kohlenstoff-Element-Verbindungen des Typs E<sub>x</sub>C<sub>y</sub>, bei denen der Kohlenstoff der elektronegativere Reaktionspartner ist. Viele Metalle können Carbide bilden, die teilweise sehr hart sind und für Schneidwerkzeuge (z.&nbsp;B. [[Wolframcarbid]]) verwendet werden.

* [[Kohlenstoffmonoxid]] CO ist ein sehr giftiges Gas, das stark reduzierend wirkt und bei der Metallverhüttung (z.&nbsp;B. [[Eisen]]) eine wichtige Rolle spielt.

* [[Kohlenstoffdioxid]] CO<sub>2</sub> ist ein durch die Freisetzung bei der Verbrennung fossiler Kohlenstoffvorräte ([[Kohle]], [[Erdöl|Öl]], [[Erdgas]]) in großen Mengen entstehendes [[Treibhausgas]]. Es wird von den meisten Lebewesen ausgeatmet und von Pflanzen in der ([[Photosynthese]]) verwendet. Kohlenstoffdioxid ist inzwischen zu etwa 0,038&nbsp;% Bestandteil der Atmosphäre, in der vorindustriellen Aera betrug der Anteil 0,028&nbsp;%.

* [[Kohlensäure]] H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> ist ein [[Metastabilität|metastabiles]] Produkt aus Wasser und im Wasser gelöstem CO<sub>2</sub>; eine mittelstarke Säure, die aber bezüglich der ständigen Umwandlung zwischen Kohlensäure und gelöstem CO<sub>2</sub> meist mit dem CO<sub>2</sub> zusammengefasst wird. Kohlensäure wurde mittlerweile auch bei völliger Abwesenheit von Wasser synthetisiert.

* [[Suboxid]]e wie [[Kohlenstoffsuboxid|Trikohlenstoffdioxid]] (Malonsäureanhydrid, C<sub>3</sub>O<sub>2</sub>), Tetrakohlenstoffdioxid (C<sub>4</sub>O<sub>2</sub>), Pentakohlenstoffdioxid (C<sub>5</sub>O<sub>2</sub>) und Mellitsäureanhydrid (C<sub>12</sub>O<sub>9</sub>).

* [[Hydrogencarbonate]] oder Bicarbonate E<sub>+</sup> HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>, deren bekanntester Vertreter [[Natriumhydrogencarbonat]] unter anderem als [[Backtriebmittel]] verwendet wird.

* [[Carbonate]] E<sub>2+</sup> CO<sub>3</sub><sup>2-</sup> sind die zweiwertigen [[Salze]] der Kohlensäure. Die beiden bekanntesten Carbonate sind [[Natriumcarbonat]], Trivialname Soda, ein wichtiger Grundstoff für die Glasherstellung und [[Calciumcarbonat]] aus dem z.B. [[Muscheln]], [[Schnecken]] ihre Schalen aufbauen und das [[Steinkorallen]] abscheiden. Das von ihnen und durch andere Prozesse über lange Zeiträume gebildete [[Calciumcarbonat]] bildet heute ganze [[Gebirge]] (siehe: [[Kalkstein]]). Calciumkarbonat ist weiterhin ein wichtiger Baustoff.

* Kohlenstoff-Schwefel-Verbindungen, von denen die bekannteste Verbindung [[Kohlenstoffdisulfid]](Schwefelkohlenstoff, CS<sub>2</sub>), eine sehr giftige Flüssigkeit, ist.

* Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen, wie die [[Cyanid]]e, deren bekanntester Vertreter [[Kaliumcyanid]] ein sehr starkes, die [[Atmung]] blockierendes Gift ist. Andere Cyanide sind ähnlich giftig.

== Isotope ==
Kohlenstoff hat zwei stabile [[Isotop]]e, <sup>12</sup>C und <sup>13</sup>C. <sup>12</sup>C kommt zu 98,9&nbsp;% in der Natur vor, <sup>13</sup>C zu 1,1%. <sup>12</sup>C ist laut Definition der Bezugspunkt zur Messung von Atommassen: 1/12 der Masse dieses Kohlenstoffisotops ist 1u ([[atomare Masseneinheit]]). 1 [[mol]] <sup>12</sup>C wiegt genau 12&nbsp;[[Gramm|g]]. <sup>13</sup>C kann man zu [[Kernspinresonanzspektroskopie|NMR]]-spektroskopischen Untersuchungen verwenden.

Neben diesen beiden stabilen Isotopen gibt es noch mehrere instabile Isotope. Das bekannteste instabile Isotop ist dabei <sup>14</sup>C mit einer [[Halbwertszeit]] von 5730 Jahren. Es entsteht durch natürliche [[Kernreaktion]]en in der Atmosphäre aus <sup>14</sup>N. Wenn eine organische Verbindung von der Luft abgeschlossen ist, hat sie ein typisches Verhältnis von<sup>14</sup>C zu den stabilen Isotopen. Durch den [[Radioaktiver Zerfall|Zerfall]] ändert sich dieses Verhältnis mit der Zeit. Durch die Bestimmung des Verhältnisses von <sup>14</sup>C zu den stabilen Isotopen ist nun eine Altersbestimmung möglich ([[Radiocarbon-Methode]]), die vor allem in der [[Archäologie]] Verwendung findet.

== Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung ==
Die [[Inkohlung]] erhöht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer Zeiträume. Dieser Prozess führte zur Entstehung von Braun- und [[Steinkohle]] aus Pflanzenmaterial des [[Karbon (Geologie)|Karbons]]. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter [[Inertgas]]. Die [[Hydrothermale Karbonisierung|Karbonisierung]] (bis ca. 1900&nbsp;°C) und Graphitierung beziehungsweise Graphitisierung (oberhalb 2000&nbsp;°C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen.

Mögliche Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung sind, [[Anthrazit]], [[Steinkohle]], [[Koks]] (karbonisierte Steinkohle), [[Braunkohle]], [[Erdöl]], [[Erdgas]], [[Torf]], [[Holz]], [[Holzkohle]] (karbonisiertes Holz).


== Werke ==
*J. D. van der Waals: ''Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (Die Kontinuität des flüssigen und gasförmigen Zustands)''. Universität Leiden, 1873 (Dissertation)
*{{Literatur|Autor=J. D. van der Waals, P. Kohnstamm|Titel=Lehrbuch der Thermodynamik: Teil 1 |Verlag=Johann-Ambrosius Barth Verlag|ORT= Leipzig und Amsterdam|Jahr=1908}}
*{{Literatur|Autor=J. D. van der Waals, P. Kohnstamm|Titel=Lehrbuch der Thermodynamik: Teil 2 |Verlag=Johann-Ambrosius Barth Verlag|ORT= Leipzig und Amsterdam|Jahr=1912}}


== Siehe auch ==
*[[Van-der-Waals-Radius]]
*[[Van-der-Waals-Kräfte]]


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==
<references/>
<references/>

== Literatur ==
* Holleman, Wiberg: ''Lehrbuch der Anorganischen Chemie.'' 101. Auflage. De Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9
* [http://carbonfinance.org/docs/State___Trends--formatted_06_May_10pm.pdf ''State and Trends of the Carbon Market 2008''] (PDF, 622kb, 78S.), The World Bank, Carbon Finance Unit, 7. Mai 2008


== Weblinks ==
== Weblinks ==
* {{nobel-ph|1910|Johannes Diderik van der Waals}}
{{Wiktionary|Kohlenstoff}}
* {{PND|119009846}}
{{Commons|Carbon|Kohlenstoff}}
* [http://www.ifres.ch/Homepage/DB/Diss_Mauron.pdf Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes] (englisch, PDF)
* [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node35.php Kohlenstoff auf Chemieseite.de]
* [http://www.kohlenstoffschichten.de Informationen über Kohlenstoffschichten]
* [http://www.carbonfilms.info Information about Carbon Films] (englisch)


{{DEFAULTSORT:Waals, Johannes Diderik van der}}
{{Navigationsleiste Periodensystem}}


[[Kategorie:Nichtmetall]]
[[Kategorie:Nobelpreisträger für Physik]]
[[Kategorie:Chemisches Element]]
[[Kategorie:Hochschullehrer (Amsterdam)]]
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[[zh-yue:碳]]

Version vom 22. November 2008, 15:06 Uhr

Johannes Diderik van der Waals

Johannes Diderik van der Waals (* 23. November 1837 in Leiden; † 8. März 1923 in Amsterdam) war ein niederländischer Physiker.

Leben

Nach seiner Schulausbildung war er als Lehrer in seiner Heimatstadt Leiden tätig. Ohne das Abitur als Zugangsberechtigung zu einem Hochschulstudium zu besitzen, besuchte van der Waals in der Zeit von 1862 bis 1865 an der Universität Leiden Vorlesungen und Seminare. Hierdurch erlangte er in den Fächern Mathematik und Physik eine Erweiterung seiner Lehrzertifikate. Ab 1864 war er als Lehrer in Deventer tätig. 1866 übernahm van der Waals eine Stelle an einer weiterführenden Schule in Den Haag, an der er später auch Schuldirektor wurde. Eine Gesetzesänderung ermöglichte es, dass er auch ohne Abitur ein Studium der Naturwissenschaften durchführen konnte. Van der Waals schloss 1873 sein Studium mit einer Dissertation[1] in Physik ab. Als Professor für Physik war er von 1877 bis 1908 an der Universität Amsterdam tätig.

Leistungen

Van der Waals erforschte u. a. das Verhalten von Molekülen und befasste sich mit Theorien über den Zustand von Materie. 1869 entdeckte er die Ursache der Anziehungskräfte zwischen Atomen bzw. unpolaren Molekülen – die später nach ihm benannten Van-der-Waals-Kräfte. 1873 entwickelte van der Waals im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Leiden ein Modell über die Kontinuität von gasförmigen und flüssigen Zuständen von Materie. Hieraus stellte er eine Zustandsgleichung auf, die zeigte, dass Aggregatzustände für Gase und Flüssigkeiten nicht nur ineinander übergehen, sondern dass diese Aggregatzustände auf dem gleichen physikalischen Grundprinzip basieren.

Für diese Leistung erhielt van der Waals 1910 den Nobelpreis für Physik "für seine Arbeiten über die Zustandsgleichung der Gase und Flüssigkeiten", die insbesondere auch zu der von ihm aufgestellten Van-der-Waals-Gleichung führten.

Werke

  • J. D. van der Waals: Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (Die Kontinuität des flüssigen und gasförmigen Zustands). Universität Leiden, 1873 (Dissertation)
  • J. D. van der Waals, P. Kohnstamm: Lehrbuch der Thermodynamik: Teil 1. Johann-Ambrosius Barth Verlag, Leipzig und Amsterdam 1908.
  • J. D. van der Waals, P. Kohnstamm: Lehrbuch der Thermodynamik: Teil 2. Johann-Ambrosius Barth Verlag, Leipzig und Amsterdam 1912.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ Johannes Diderik van der Waals: Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand. Universität Leiden, 1873 (Dissertation)
Personendaten
NAME Waals, Johannes Diderik van der
KURZBESCHREIBUNG niederländischer Physiker
GEBURTSDATUM 23. November 1837
GEBURTSORT Leiden
STERBEDATUM 8. März 1923
STERBEORT Amsterdam
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