Kohlenstoff – Chemie, Vorkommen, Verwendung und Verbindungen

Das Kohlenstoffatom hat die Ordnungszahl 6. Der Atombau des Kohlenstoffs setzt sich also insgesamt aus sechs Elektronen und Protonen zusammen. Außerdem besitzt Kohlenstoff nach dem Atommodell sechs Neutronen im Kern. Der Aufbau eines Kohlenstoffatoms kann bei der Anzahl der Neutronen abweichen. Es sind drei Kohlenstoffisotope bekannt: der C-12-Kohlenstoff und das C-13-Kohlenstoffatom sowie das radioaktive C-14-Isotop. Letzteres wird in der Radiocarbonmethode zur Altersbestimmung von Fossilien verwendet. Kohlenstoff steht im Periodensystem in der zweiten Periode, besitzt also nach dem Schalenmodell zwei Elektronenschalen mit einer Elektronenkonfiguration von vier Valenzelektronen bzw. Außenelektronen. Kohlenstoff kann also vier verschiedene Bindungen eingehen. Kohlenstoff bildet sowohl Einfach- als auch Doppelbindungen aus. Die häufigsten Bindungspartner sind weitere Kohlenstoffatome und Wasserstoff. In Molekülen hat Kohlenstoff deshalb meist die Oxidationszahlen +IV oder −IV, aber auch die Oxidationszahl +II kommt vor.

Kohlenstoff kommt in verschiedenen Formen vor. Drei Hauptmodifikationen des Kohlenstoffs werden unterschieden:

• Diamant: Im Diamanten sind die Kohlenstoffatome sp²-hybridisiert kovalent verbunden und bilden eine tetragonale Struktur.
• Grafit: In dieser Kohlenstoffmodifikation ist der Kohlenstoff sp²-hybridisiert kovalent verbunden in einer hexagonalen Struktur.
• Fullerene: Fullerene sind Kohlenstoffringe, die in der Struktur einem Fußball ähnlich sind.

Der Aufbau der Kohlenstoffmoleküle Diamant und Grafit ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Daneben gibt es noch weitere, weniger bedeutsame Modifikationen des Kohlenstoffs, u. a. amorphen Kohlenstoff. In diesem Fall sind die Kohlenstoffatome ohne Ordnung verbunden.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten chemisch-physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff aufgeführt. Je nach Modifikation können die Eigenschaften unterschiedliche Werte annehmen. Deshalb wird hier zwischen Diamant und Grafit unterschieden.

Kohlenstoff spielt sowohl in der anorganischen als auch in der organischen Chemie eine wichtige Rolle. Die gesamte organische Chemie basiert auf Kohlenstoffverbindungen. Der Stoffwechsel aller Lebewesen und die Energiegewinnung aus fossilen Energieträgern basiert auf Kohlenstoffverbindungen. Im Alltag begegnet uns Kohlenstoff in Form von Plastik. Diese Stoffe bestehen aus komplexen Kohlenstoffpolymeren. Zu den wichtigsten Stoffklassen in der organischen Chemie zählen folgende Kohlenwasserstoffe:

• Alkane, Alkene und Alkine
• Alkohole
• Ether
• Aldehyde
• Ketone
• Carbonsäuren

In der anorganischen Chemie kommt Kohlenstoff am häufigsten in den Verbindungen Kohlenstoffdioxid (CO₂), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlensäure (H₂CO₃) und deren Salze (Carbonate) und in Blausäure (HCN), einer Verbindung aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff, vor.
Das häufigste kohlenstoffhaltige Mineral in der Erdkruste ist Calciumcarbonat (CaCO₃), auch bekannt als Kalkstein.

Das Kohlenstoffdioxidmolekül mit der Formel CO₂ hat eine große Bedeutung als sogenanntes Treibhausgas. Kohlenstoffdioxid kommt in der Atmosphäre vor, es hat also einen gasförmigen Aggregatzustand. Kohlenstoffdioxid entsteht als Abfallprodukt bei der Zellatmung, wird von Pflanzen aufgenommen und in der Fotosynthese zu energiereicher Glucose verarbeitet. Kohlenstoffdioxid bildet also die Grundlage zur Bildung energiereicher Verbindungen in Lebewesen.

Kohlenstoff und dessen Verbindungen spielen auch in der angewandten Chemie und Technik eine große Rolle. So wird Grafit u. a. für die feuerfeste Auskleidung von Öfen und Schmelztiegeln eingesetzt und dient als Ausgangsstoff für Bleistiftminen.
Diamanten sind nicht nur Schmucksteine, sondern werden auch als Glasschneider und Bohrerspitzen eingesetzt.
In Form von Aktivkohle wird Kohlenstoff zur Trinkwasserreinigung eingesetzt.
Ohne Kohlenstoff kein Leben: Alle Energie- und Strukturstoffe in Lebewesen bestehen aus Kohlenwasserstoffen.