Kohlenstoff
Kohlenstoff ist das vielfältigste Element in der Chemie. Hier erfährst du mehr über seine Rolle im Periodensystem, seine verschiedenen Modifikationen wie Diamant und Graphit sowie wichtige Verbindungen wie Kohlensäure und Fullerenen. Interessiert? All das und noch viel mehr findest du im folgenden Text!
- Kohlenstoff
- Vorkommen von Kohlenstoff
- Kohlenstoff – Eigenschaften
- Modifikationen des Kohlenstoffs
- Wichtige Kohlenstoffverbindungen in der anorganischen Chemie
- Wichtige Kohlenstoffverbindungen in der organischen Chemie
- Ausblick – das lernst du nach Kohlenstoff
- Zusammenfassung zum Kohlenstoff
- Häufig gestellte Fragen zum Thema Kohlenstoff
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Grundlagen zum Thema Kohlenstoff
Kohlenstoff
Das chemische Element Kohlenstoff tritt in den unterschiedlichsten Erscheinungsformen auf. Es wird mit dem Symbol $\ce{C}$ dargestellt, das sich von dem lateinischen Wort carboneum ableitet. Der Bereich der organischen Chemie ist ausschließlich eine Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Einige wichtige Kohlenstoffverbindungen gehören aber in den Bereich der anorganischen Chemie. Die Kohlenstoffchemie ist das vielfältigste Teilgebiet der Chemie überhaupt.
Fehleralarm
Es ist ein verbreiteter Fehler, zu denken, dass Kohlenstoff nur in Form von Kohle vorkommt. Tatsächlich finden wir Kohlenstoff auch in lebenden Organismen, in der Atmosphäre und sogar im Weltraum.
Die Stellung von Kohlenstoff im Periodensystem
Das Element Kohlenstoff hat im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl $6$. Es steht in der zweiten Periode und gehört zu den Elementen der 4. Hauptgruppe. Kohlenstoff kann in Verbindungen mit den Oxidationszahlen $\text{+IV}$, $\text{–IV}$ und seltener $\text{+II}$ auftreten.
Vorkommen von Kohlenstoff
Der Kohlenstoffanteil an der Erdkruste beträgt weniger als 0,1 Prozent. Einen großen Anteil davon nimmt der Kalkstein ein, in der Chemie als Calciumcarbonat
Wusstest du schon?
Ein menschlicher Körper besteht zu etwa 18% aus Kohlenstoff! Es ist das zweitwichtigste Element nach Sauerstoff und ein wesentlicher Bestandteil von Proteinen, Fetten, DNA und vielen anderen Molekülen, die notwendig sind, um gesund zu bleiben.
Kohlenstoff – Eigenschaften
| Steckbrief Kohlenstoff | |
|---|---|
| Atommasse | $12,011\, \pu{\frac{g}{mol}}$ |
| Dichte | als Graphit: $2,26\, \pu{\frac{g}{cm^{3}}}$ als Diamant: $3,51\, \pu{\frac{g}{cm^{3}}}$ |
| Schmelzpunkt | $3\,550\,^\circ \pu{C}$ unter Normaldruck |
| Sublimationspunkt | $3\,642\,^\circ \pu{C}$ unter Normaldruck |
| Härte | als Graphit: sehr weich, Mohshärte-Skala: 1,0 als Diamant: sehr hart, Mohshärte-Skala: 10,0 |
| Farbe | als Graphit: schwarz als Diamant: farblos |
In der Tabelle sieht man, dass einige Eigenschaften wie Dichte, Farbe oder Härte von den Modifikationen des Kohlenstoffs abhängen. Ein Vergleich des Graphits mit dem Diamant zeigt, dass Graphit viel weicher ist als Diamant, der das härteste Material in der Natur ist. Für Diamant gibt es keine Schmelztemperatur und keinen Sublimationspunkt, da sich Diamant bei höheren Temperaturen in Graphit umwandelt. Wegen der schichtartigen Struktur kann Graphit den elektrischen Strom leiten, Diamanten sind dagegen Isolatoren.
Modifikationen des Kohlenstoffs
Das chemische Element Kohlenstoff kommt in vier Modifikationen vor. Graphit und Diamant sind die mit Abstand wichtigsten Kohlenstoffmodifikationen.
- In der Modifikation als Diamant bilden die Kohlenstoffatome ein Diamantgitter. Darin ist jedes Kohlenstoffatom mit vier anderen Kohlenstoffatomen in der geometrischen Form eines Tetraeders verknüpft.
- Graphit besteht in seiner Struktur aus Schichten, die nicht genau übereinander, sondern etwas versetzt vorliegen. In den Schichten sind die regelmäßigen Sechsecke aus Kohlenstoffatomen in der Art einer Bienenwabe verknüpft.
- Graphen ist eine künstlich hergestellte Modifikation, die mit Graphit verwandt ist. Sie besteht jedoch nur aus einer einzigen Schicht.
- Die Fullerene sind spezielle dreidimensionale Moleküle aus Kohlenstoff, die einen Hohlraum ausbilden. Sie werden ebenfalls künstlich hergestellt. Das Fullerenmolekül $\ce{C60}$ besteht beispielsweise aus $60$ Kohlenstoffatomen, die in der Form eines Fußballs miteinander verknüpft sind.
Kennst du das?
Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, dass dein Bleistiftstift abbricht, wenn du zu fest aufdrückst. Das Material, das dafür verantwortlich ist, ist Graphit, eine Form von Kohlenstoff. Graphit ist weich und flexibel, weshalb es leicht abbricht, aber auch leicht schreibt. So kannst du durch deinen Bleistift mehr über die Eigenschaften von Kohlenstoff lernen.
Wichtige Kohlenstoffverbindungen in der anorganischen Chemie
- Das Gas Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) ist in der Luft enthalten. Sein Gehalt in der Luft beeinflusst über den Treibhauseffekt das Erdklima.
- Das Gas Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) spielt zusammen mit Wasserstoff eine bedeutende Rolle als Synthesegas bei der Herstellung der Grundchemikalie Methanol.
- Die Kohlensäure ($\ce{H2CO3}$) entsteht bei der Lösung von Kohlenstoffdioxid in Wasser. Du kennst sie als Bestandteil des Mineralwassers.
- Die Carbonate sind die Salze der Kohlensäure. Am bekanntesten sind Kalk, das ist Calciumcarbonat ($\ce{CaCO3}$), Soda, das ist Natriumcarbonat ($\ce{Na2CO3}$), und Pottasche, das ist Kaliumcarbonat
($\ce{K2CO3}$) . Natron kennst du vielleicht vom Backen; dabei handelt es sich um Natriumhydrogencarbonat ($\ce{NaHCO3}$), das auch Bestandteil des Backpulvers ist. - Die Blausäure ($\ce{HCN}$) ist ein wichtiger chemischer Grundstoff, aber auch sehr giftig. Das bekannteste Salz der Blausäure ist das Kaliumcyanid ($\ce{KCN}$), besser bekannt als Zyankali.
Kontrovers diskutiert:
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler streiten darüber, ob die Kohlenstoffdioxid-Speicherung (CCS) als Mittel gegen den Klimawandel effektiv ist. Einige Expertinnen und Experten sehen darin eine notwendige Technologie zur Reduzierung der Treibhausgase. Andere argumentieren, dass es zu teuer und unsicher ist. Was denkst du?
Wichtige Kohlenstoffverbindungen in der organischen Chemie
Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Man kennt inzwischen viele Millionen dieser Verbindungen. Bei vielen dieser Verbindungen handelt es sich um Kohlenwasserstoffe wie die Alkane. Zu den organischen Kohlenstoffverbindungen, von denen du sicher schon gehört hast, zählen aber auch die Alkohole und die organischen Säuren wie Essigsäure oder Fettsäuren. Auch Kunststoffe wie PVC, Medikamente wie Aspirin sowie viele weitere Verbindungen sind Verbindungen des Kohlenstoffs.
Wusstest du schon?
Der Begriff "organische Chemie" bezieht sich auf die Chemie von Kohlenstoffverbindungen. Obwohl Kohlenstoff so klein ist, bildet es den Kern der riesigen Welt der organischen Stoffe, die alles von Plastik bis hin zu den Nährstoffen in deinem Essen umfassen. Kohlenstoff ist wirklich das "Leben" der Chemie!
Ausblick – das lernst du nach Kohlenstoff
Mache dich bereit für die Organische Chemie. Vertiefe dein Wissen über Kohlenstoffverbindungen und lerne, wie Alkane aufgebaut sind und wie der Kohlenstoffkreislauf funktioniert.
Zusammenfassung zum Kohlenstoff
- Kohlenstoff ist ein chemisches Element. Es hat die Ordnungszahl $6$ und steht in der zweiten Periode der vierten Hauptgruppe im Periodensystem.
- Reiner Kohlenstoff kommt in vier verschiedenen Modifikationen vor: als Diamant, als Graphit, als Graphen oder als eines von vielen verschiedenen Fullerenen.
- Die wichtigsten anorganischen Verbindungen mit Kohlenstoff sind Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$), Kohlensäure ($\ce{H2CO3}$) und Salze, die das Karbonat-Ion enthalten (zum Beispiel Kalk, $\ce{CaCO3}$).
- Der Großteil der Kohlenstoffverbindungen sind allerdings organische Verbindungen, denn die organische Chemie basiert auf Kohlenstoff, hauptsächlich in Form von Kohlenwasserstoffen, zu denen bekannte Stoffe wie Kunststoffe, Medikamente, Alkohole und auch Proteine, Fette und Kohlenhydrate gehören.
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Kohlenstoff zu testen.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Kohlenstoff
Transkript Kohlenstoff
Guten Tag und herzlich willkommen. Das heutige Video heißt Kohlenstoff mit lateinischem Namen Carboneum. Kohlenstoff ist ein chemisches Element und steht in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Kohlenstoff verfügt über vier Außenelektronen. Daraus ergeben sich die Wertigkeiten 4 und seltener 2. Die vier Außenelektronen bedeuten, dass Kohlenstoff die Bindigkeit 4 hat. Seine Oxidationszahlen liegen im Bereich von -4 bis +4. Das chemische Element Kohlenstoff kommt in 4 Modifikationen/Erscheinungsformen vor. Die erste Modifikation ist der Diamant. Das Diamantgitter besteht aus vielen aneinandergefügten Tetraedern. Auch den Graphit findet man in der Natur. Die Graphitstruktur besteht aus Schichten, die wie Honigwaben aus hexagonalen regelmäßigen Sechsecken aufgebaut sind. Das Graphitmolekül ist aus mehreren solcher Schichten aufgebaut. Unlängst wurde Graphiten entdeckt. Graphiten besteht aus einigen wenigen und im Extremalfall aus einer einzigen dieser hexagonalen Schichten. Die Fullerene kennt man seit etwa 1985. Fullerene sind dreidimensionale Moleküle, bestehend aus Kohlenstoffatomen, die bei kleineren Gebilden die Struktur eines Fußballs haben und bei größeren die eines größeren Hohlkörpers. Wir wollen nun Diamant und Graphit miteinander vergleichen. Diamant hat eine Dichte von 3,5g/cm³. Graphit ist leichter. Nur 2,3g/cm³ beträgt die Dichte. Die Härte nach Mohs trägt für Diamant 10. Es ist der härteste bekannte Stoff. Graphit gehört zu den weichsten Stoffen, die man kennt. Die Härte beträgt nur 1. Bei den Schmelztemperaturen kann man für Diamant keinen Wert nennen, weil sich Diamant bei höheren Temperaturen in Graphit umwandelt. Die Schmelztemperatur des Graphits ist die Höchste aller Schmelztemperaturen für bekannte chemischen Verbindungen, 3700°C. Beim Vergleich der elektrischen Leitfähigkeit stellt man fest, dass es sich beim Diamant um einen Isolator handelt. Wenn man die elektrische Leitfähigkeit des Graphits längs der einzelnen Schichten untersucht, so stellt man fest, dass es sich hier um einen Leiter handelt. Diamant und Graphit kommen in der Natur in reiner Form vor. Der Kohlenstoffanteil an der Erdkruste beträgt in gediegener und in gebundener Form zusammengenommen weniger als 1/10%. Einen großen Anteil davon nimmt der Kalkstein ein, Calciumcarbonat CaCo3. Kohlenstoff kommt in vielen chemischen Verbindungen im menschlichen Organismus, in Tieren und in Pflanzen vor. Außerdem trifft man den Kohlenstoff in der Kohle, im Erdöl und im Erdgas an. Wenn wir die anorganische Chemie betrachten, so stellt man fest, dass Kohlenstoff zu einem großen Teil im Kohlenstoffdioxid CO2, das in der Luft enthalten ist, vorkommt. Kohlenstoff kommt auch im Oxid CO Kohlenstoffmonoxid vor. Diese wird als Synthesegas verwendet oder für die Eisenherstellung benutzt. Kohlenstoff ist in gebundener Form in der Kohlensäure H2CO3 und deren Salzen, den Carbonaten enthalten. Wichtige Carbonate sind Soda Na2CO3, das ist Natriumcarbonat, Pottasche K2CO3, das ist Kaliumcarbonat und im Natron NaHCO3, das ist Natriumhydrogencarbonat. Außerdem möchte ich noch die Blausäure HCN und deren Salze, die Cyanide nennen. Ein industriell wichtiges Cyanid ist Kaliumcyanid. Umgangssprachlich auch Cyankali genannt, KCN. Die organische Chemie umfasst etwa 15 Millionen Verbindungen. Organische Chemie ist die Kohlenstoffchemie. Repräsentativ für die vielen Verbindungen, die wir tagein tagaus benutzen, möchte ich einige Vertreter nennen. Alkohol, Essigsäure, Ethylacetat, das ist im Nagellackentferner, Seife, Glycerin, das ist in medizinischen Zäpfen, Aspirin und Zitronensäure, Ethylenglycol, das ist in Frostschutzmitteln, Polyethylen, daraus wird Verpackungsmaterial hergestellt, Polyvinylchlorid, daraus werden viele Gebrauchsgegenstände gefertigt, Teflon, daraus besteht die Beschichtung von Bratpfannen, Polybutadien, daraus wird Synthesekautschuk hergestellt, Autoreifen, Diphenylphtalat, ein Mittel gegen Mücken, Penicillin, das klassische Antibiotikum, Doxicyclin, ein moderneres Breitbandantibiotikum. Man kann mit Fug und Recht sagen, dass es sich bei Kohlenstoff um das Element des Lebens handelt. Ich danke für eure Aufmerksamkeit, alles Gute. Auf Wiedersehen.
Kohlenstoff Übung
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Ergänze den Steckbrief des Kohlenstoffs.
TippsVier ist die wichtigste Zahl, die man sich zum Kohlenstoff merken muss.
LösungKohlenstoff ist das sechste Element des Periodensystems der Elemente. Es ist damit das erste Element der vierten Hauptgruppe und verfügt über vier Außenelektronen. Damit kann es diese vier Elektronen abgeben oder bis zu vier Elektronen aufnehmen, um zur nächsten Edelgas-Konfiguration zu kommen. Es ist daher sehr flexibel und kann mit sehr vielen Atomen anderer Elemente Verbindungen eingehen.
Da es über vier Außenelektronen verfügt, bildet Kohlenstoff vier Einfachbindungen zu Nachbaratomen aus. Es kann daher Verknüpfungen in alle Raumrichtungen ausbilden und eignet sich zum Aufbau großer, raumfüllender Moleküle. Dies ist beim Diamantgitter der Fall und auch bei vielen anderen organischen Verbindungen.
Das ist der Grund dafür, dass Kohlenstoff am Aufbau fast aller in der Biologie vorkommenden Verbindungen beteiligt ist.
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Benenne die Verbindungen des Kohlenstoffs.
TippsDie Bezeichnung -dioxid verrät dir, dass zwei Sauerstoffatome enthalten sein müssen.
Der englische Name von Kalium (K) ist Potassium und leitet sich vom Namen der Verbindung $K_2CO_3$ ab.
LösungSicher ist dir schon aufgefallen, dass manche Namen von Verbindungen dir mitteilen, wie diese aufgebaut sind. Dies ist zum Beispiel beim Namen Kohlenstoffdioxid der Fall. Du siehst sofort, dass Kohlenstoff enthalten ist, Dioxid ist die Bezeichnung für Verbindungen, die zwei Sauerstoffatome enthalten.
Andere Namen lassen sich nicht so einfach merken. Sie sind nach ihrem Vorkommen oder nach ihrem Entdecker benannt. Diese Namen nennt man Trivialnamen und man muss sie lernen wie Vokabeln. Manchmal gibt es gute Eselsbrücken: Blausäure, $HCN$, ist ein starkes Atemgift und trägt seinen Namen, weil man nach dem Einatmen schnell blau anläuft und stirbt. Der Name Pottasche für $K_2CO_3$ ist mit dem englischen Namen von Kalium, nämlich Potassium, verwandt.
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Entscheide, um welche Verbindung es sich handelt.
TippsVon einer Schicht spricht man, wenn die Atome annähernd in einer Ebene liegen.
LösungBei der dargestellten Verbindung handelt es sich um ein Fulleren. Man kann sich das wie eine aufgerollte Graphen-Schicht vorstellen: Auch im Fulleren bilden die Kohlenstoffatome Sechsecke, teils jedoch auch Fünfecke. Diese liegen jedoch anders als beim Graphen nicht in einer Ebene, sondern der Winkel zwischen zwei benachbarten Sechsecken ist kleiner als 180°. Dies ergibt eine ähnliche Struktur wie bei einem Fußball, da sich die Sechsecke so zu einer Kugel schließen.
In diesem Fulleren sind 60 Kohlenstoffatome enthalten. Es ist nach einem Architekten benannt und heißt Buckminster-Fulleren. An jedes Fünfeck schließen fünf Sechsecke an, und jedes Sechseck ist von drei Sechsecken und drei Fünfecken umgeben. Diese Struktur ist besonders stabil und wird auch für Kuppeln von Gebäuden verwendet.
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Bestimme, in welche Raumrichtungen Graphit leitfähig ist.
TippsGraphit leitet den elektrischen Strom innerhalb der Schichten.
LösungDer elektrische Strom wird im Graphit über die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen übertragen. Daher wird der elektrische Strom nur in Richtung der Schichten geleitet. In dem Bild sind die Schichten in der x-y-Ebene ausgerichtet. Daher wird der Strom in x-Richtung und in y-Richtung geleitet.
In z-Richtung gibt es keine Bindungen zwischen den C-Atomen. Daher ist Graphit in dieser Richtung ein Isolator, in z-Richtung liegt also keine Leitfähigkeit vor.
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Gib an, in welchen der folgenden Stoffe Kohlenstoff enthalten ist.
TippsSeifen sind aus organischen Verbindungen aufgebaut.
LösungObwohl Kohlenstoff nur einen geringen Anteil am Material hat, aus dem die Erde besteht, kommt er in fast allen Stoffen vor, die uns im Alltag begegnen. Auf der Basis von Kohlenstoffgerüsten sind die meisten Naturstoffe aufgebaut – Holz, pflanzliche und tierische Organe, alle Zellbestandteile und vieles mehr. Auch viele der Werkstoffe, die der Mensch herstellt, enthalten Kohlenstoff: von den Energieträgern, wie Erdgas, Benzin oder Kohle, über Kunststoffe, Kleidung und sogar als Bestandteil von Stahl.
Kohlenstoff ist also in so vielen Alltagsgegenständen zu finden, dass es schwer fällt, etwas zu finden, worin kein Kohlenstoff enthalten ist.
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Erkläre den Zusammenhang zwischen den Strukturen von Graphit und Diamant.
TippsEin Würfel hat sechs Ecken, ein Tetraeder vier.
LösungZwischen den Strukturen von Graphit und Diamant gibt es Gemeinsamkeiten. In beiden Strukturen liegen hexagonale Schichten von Kohlenstoffatomen vor. Im Graphit sind diese Schichten in einer Ebene, im Diamant sind die Kohlenstoffatome abwechselnd nach oben und nach unten verschoben. Dadurch ergibt sich eine Struktur, die man als Sesselstruktur bezeichnet.
Im Graphit sind die Schichten weit auseinander, es gibt keine Bindungen zwischen den Schichten. Die Schichten sind gegeneinander verschoben, die Kohlenstoffatome liegen jedoch trotzdem genau übereinander.
Im Diamant gibt es Bindungen zwischen den Schichten. Jedes Kohlenstoffatom ist entweder mit der darüber liegenden oder mit der darunter liegenden Schicht verbunden, je nach dem, ob es nach oben oder nach unten zeigt.
Man kann also von der Graphit-Struktur zur Diamant-Struktur kommen, indem man die Kohlenstoffatome in jeder Schicht des Graphits abwechselnd nach oben und nach unten verschiebt, sodass sich die Kohlenstoffatome benachbarter Schichten aufeinander zu bewegen.
Kohlenstoff – Einführung
Kohlenstoff
Kohlenstoff – Modifikationen
Grafit und Diamant
Graphen und Fullerene
Kohlenstoff und seine Oxide
Schwefel
Schwefel und seine Oxide
Schwarzpulver
Wasser, Schwefelwasserstoff und die Wasserstoffbrückenbindung
Stickstoff
Linde-Verfahren
Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung
Phosphor
Der Treibhauseffekt
Treibhausgase – Entstehung und Wirkung
Stickstoff – Vorkommen
8'905
sofaheld-Level
6'601
vorgefertigte
Vokabeln
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