Kohlenstoff

Elementarer Kohlenstoff kommt in mehreren Modifikationen vor: Diamant, Graphit und Fullerene. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
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. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte Element 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 Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung 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 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 plaziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital.

Diamant (sp³) Struktur

Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.

Wird ein Kohlenstoff-Atom in einen angeregten Zustand versetzt, hybridisieren die s und p Niveaus und bilden gemeinsam neue Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für die Elektronen aus. Beteiligen sich das s- und alle drei p-Orbitale, spricht man von einer sp3 Hybridisierung. Die Orbitale nehmen eine langgestreckte Tropfenform an. War sie bei den p- Orbitalen 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 orientieren sich symmetrisch zueinander im Raum, sie nehmen die Form eines Tetraeders an.

Überlappen sich die sp3-Orbitale angeregter Atome, bilden sie feste kovalente Bindungen. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit (sp²) Struktur

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 übriggebliebenen 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 p-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden.

Angeregte sp2-Kohlenstoff-Atome reagieren miteinander und bilden feste kovalente Bindungen, aber nur in einer Ebene. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (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.
Chemisch sprechen wir von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C vernachlässigt 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 höher.
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 (sp¹) Bindung

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, formen sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. 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 können nicht in den Verband aufgenommen werden. Das Gas Ethin HC --- CH ist die größtmögliche Struktur auf Basis der sp1-Bindung.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp3, sp2 und sp1. sp1 tritt makroskopisch nicht in Erscheinung. Unterschiede in der Anordnung von sp2-gebundenen Kohlenstoff-Atomen werden manchesmal als gesonderte (makroskopische) Modifikation bezeichnet.

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.

Graphit

Siehe auch: Graphit
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.

Graphen

Als Graphen bezeichnet man eine monoatomare Schicht von Kohlenstoff, die einer Basalebene entspricht. Wie bei Alkenen verweist die Endung en auf ungesättigte Doppelbindungen in den Kohlenstoff-Ringen (Betonung: Graph-én). Man versucht, Monolagen in makroskopischer Ausdehnung herzustellen, um die hohe Anisotropie der elektrischen Eigenschaften entlang und senkrecht zur Ebene für die Herstellung neuartiger Halbleiter zu nutzen.

Fullerene

Siehe auch: Fulleren
Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entsteht eine räumliche Struktur, die Fullerene. Die sp2-Bindungen liegen nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome und gleicht im Aufbau einem Fußball. Die Molekülkugeln untereinander binden sich über eine schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung, genauso wie beim Graphit die Basalebenen.

Kohlenstoffnanoröhren

Siehe auch: Kohlenstoffnanoröhre
Die vierte 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). (siehe Kohlenstoffnanoröhren)

Kohlenstoffnanoschaum

Die fünfte Form von Kohlenstoff ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, die einen durchschnittlichen Durchmesser von je sechs bis neun Nanometern besitzen. 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 für wenige Stunden nach der Herstellung. Bei weniger als 90 Kelvin wird sie wieder magnetisiert (??). Der Stoff ist ein Halbleiter. (Referenz??)

Kohlenstoff-Fasern

Siehe auch: Kohlenstofffaser
Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff. In einer Idealfaser liegen die Grapitlagen geordnet wie in einer langen Papierrolle vor, die Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse. In Wirklichkeit sind die Ebenen stark gestört und bilden nur lokale Ordnungen aus. Das Maß der Störung beeinflusst die Festigkeit.

Ruß

Siehe auch: Ruß
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.

Aktivkohle

Siehe auch Aktivkohle
Behutsamens 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 Feststoffe aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

Glaskohlenstoff

Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit ausgeprägter 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 regelmäßig über größere Bereiche hinweg geordnet. Bänder aus graphitisch geordneten, übereinander geschichteten Strukturen bilden eine polymerähnliche Knäuelstruktur. Glasartiger Kohlenstoff ist im Makrobereich porenfrei, zwischen den Graphitschichten sind aber zahlreiche Hohlräume vorhanden. Ähnlich wie bei Gläsern beträgt der Durchmesser etwa 1 bis 3nm. Folgen der strukturellen Fehlordnung sind die geringe Dichte, die im Vergleich zu Graphit geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit und die Isotropie des Werkstoffs. Trotz der aufgeweiteten Struktur beträgt die Helium-Permeabilität nach der Vakuumverfallsmethode nur 10-11 cm² s-1. Eine der interessantesten Eigenschaften von glasartigem Kohlenstoff ist die Hochtemperaturbeständigkeit im Vakuum oder Inertgas bis 3000°C. An Luft ist Glaskohlenstoff bis etwa 600°C beständig. Glaskohlenstoff bildet auf Grund der starken Fehlordnung keine Interkalationsverbindungen. Die Folge ist die außerordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit gegen saure und alkalische Reagenzien und Schmelzen. Lediglich Sauerstoff über 600°C und oxidierenden Schmelzen greifen Glaskohlenstoff an. Die hohe Reinheit des Werkstoffs prädestiniert Ihn für Anwendungen in der Analytik, Halbleiter- und Reinststofftechnik. Da Gefäße aus glasartigem Kohlenstoff keine Memory-Effekte zeigen, ist das Material im Bereich der Ultraspurenanalytik vielseitig einsetzbar. Weitere Informationen: www.htw-germany.com

Amorpher Kohlenstoff

(Entwurf: Sehr selten, nicht zu verwechseln mit Ruß. Enthält neben sp2 auch Anteile von sp3 gebundenem Kohlenstoff.)

Kohlenstoff-Verbindungen

Beispiele einiger anorganischer chemischer Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten:

Oxide, Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO₂)
Kohlensäure (H₂CO₃) sowie ihre Salze, die Carbonate.
Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS₂).
Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, Stahl.

Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen, hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Zwischen der Erde, ihren Ozeanen und der Erdatmosphäre findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt. Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus.

Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, 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.

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 Karbons. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Intertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1900 °C) und Graphitierung bzw. Graphitisierung (oberhalb 2000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen.

Kohlenstoffgehalt einiger Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung:

Anthrazit: >90%
Steinkohle: 85-90%
- Koks (Karbonisierung von Steinkohle): ?
Braunkohle: 60-75%
Erdöl: >99%
Erdgas: 85-95%
Torf: 56
Holz: 45-50%
- Holzkohle (Karbonisierung von Holz): ?

Weblinks

Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes (in Englisch)

Siehe auch: organische Chemie, Radiokarbonmethode, Polymer