Kohlenstoff

Eigenschaften und Verwendungen

Auf Gewichtsbasis wird Kohlenstoff in der Reihenfolge der elementaren Fülle in der Erdkruste gemessen, und es gibt schätzungsweise 3,5-mal so viele Kohlenstoffatome wie Siliziumatome im Universum. Nur Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Neon und Stickstoff sind im Kosmos atomar häufiger als Kohlenstoff. Kohlenstoff ist das kosmische Produkt des „Brennens“ von Helium, bei dem drei Heliumkerne mit Atomgewicht 4 zu einem Kohlenstoffkern mit Atomgewicht 12 verschmelzen.,

In der Erdkruste ist elementarer Kohlenstoff eine untergeordnete Komponente. Kohlenstoffverbindungen (z. B. Karbonate von Magnesium und Calcium) bilden jedoch gemeinsame Mineralien (z.,, Magnesit, Dolomit, Marmor oder Kalkstein). Korallen und die Schalen von Austern und Muscheln sind in erster Linie Calciumcarbonat. Kohlenstoff ist als Kohle und in den organischen Verbindungen, die Erdöl, Erdgas und alle pflanzlichen und tierischen Gewebe bilden, weit verbreitet., Eine natürliche Abfolge chemischer Reaktionen, die als Kohlenstoffkreislauf bezeichnet wird und die Umwandlung von atmosphärischem Kohlendioxid in Kohlenhydrate durch Photosynthese in Pflanzen, den Verzehr dieser Kohlenhydrate durch Tiere und deren Oxidation durch den Stoffwechsel zur Herstellung von Kohlendioxid und anderen Produkten sowie die Rückführung von Kohlendioxid in die Atmosphäre umfasst, ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse.

Kohlenstoff als element wurde entdeckt, durch die erste person zu behandeln Holzkohle aus dem Feuer., So war Kohlenstoff zusammen mit Schwefel, Eisen, Zinn, Blei, Kupfer, Quecksilber, Silber und Gold eine der kleinen Gruppen von Elementen, die in der Antike bekannt waren. Moderne Kohlenstoffchemie stammt aus der Entwicklung von Kohlen, Erdöl und Erdgas als Brennstoffe und aus der Aufklärung der synthetischen organischen Chemie, die beide seit den 1800er Jahren wesentlich entwickelt wurden.

Elementarer Kohlenstoff existiert in verschiedenen Formen, von denen jede ihre eigenen physikalischen Eigenschaften hat. Zwei seiner klar definierten Formen, Diamant und Graphit, sind kristallin in der Struktur, aber sie unterscheiden sich in den physikalischen Eigenschaften, weil die Anordnungen der Atome in ihren Strukturen unterschiedlich sind. Eine dritte Form, Fulleren genannt, besteht aus einer Vielzahl von Molekülen, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen., Kugelförmige, geschlossene Käfig-Fullerene werden Buckerminsterfullerene oder „Buckyballs“ genannt, und zylindrische Fullerene werden Nanoröhren genannt. Eine vierte Form, Q-Carbon genannt, ist kristallin und magnetisch. Noch eine andere Form, genannt amorpher Kohlenstoff, hat keine kristalline Struktur. Andere Formen—wie Ruß, Kohle, Lampschwarz, Kohle und Koks-werden manchmal als amorph bezeichnet, aber die Röntgenuntersuchung hat ergeben, dass diese Substanzen eine geringe Kristallinität besitzen., Diamant und Graphit kommen natürlich auf der Erde vor, und sie können auch synthetisch hergestellt werden; Sie sind chemisch inert, verbinden sich aber mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen, genau wie amorpher Kohlenstoff. Fulleren wurde 1985 im Rahmen von Laborexperimenten zur Simulation der Chemie in der Atmosphäre von Riesensternen als synthetisches Produkt serendipitär entdeckt. Es wurde später festgestellt, dass es auf natürliche Weise in winzigen Mengen auf der Erde und in Meteoriten vorkommt. Q-Carbon ist auch synthetisch, aber Wissenschaftler haben spekuliert, dass es sich in den heißen Umgebungen einiger Planetenkerne bilden könnte.,

The word carbon probably derives from the Latin carbo, meaning variously „coal,” „charcoal,” „ember.,“Der Begriff Diamant, eine Verfälschung des griechischen Wortes adamas, „der Unbesiegbare“, beschreibt treffend die Beständigkeit dieser kristallisierten Form von Kohlenstoff, genau wie Graphit, der Name für die andere Kristallform von Kohlenstoff, abgeleitet vom griechischen Verb graphein, „zu schreiben“, spiegelt seine Eigenschaft wider, beim Reiben auf einer Oberfläche eine dunkle Markierung zu hinterlassen. Vor der Entdeckung im Jahre 1779, dass Graphit, wenn es in Luft verbrannt wird, Kohlendioxid bildet, wurde Graphit sowohl mit dem Metall Blei als auch mit einer oberflächlich ähnlichen Substanz, dem Mineral Molybdän, verwechselt.,

Reiner Diamant ist die härteste natürlich vorkommende Substanz bekannt und ist ein schlechter Leiter der Elektrizität. Graphit hingegen ist ein weicher, rutschiger Feststoff, der sowohl Wärme als auch Elektrizität gut leitet. Kohlenstoff als Diamant ist der teuerste und brillanteste aller natürlichen Edelsteine und der härteste der natürlich vorkommenden Schleifmittel. Graphit wird als Schmiermittel verwendet. In mikrokristalliner und fast amorpher Form wird es als schwarzes Pigment, als Adsorbens, als Brennstoff, als Füllstoff für Gummi und, gemischt mit Ton, als „Blei“ von Bleistiften verwendet., Da es Strom leitet, aber nicht schmilzt, wird Graphit auch für Elektroden in Elektroöfen und Trockenzellen sowie zur Herstellung von Tiegeln verwendet, in denen Metalle geschmolzen werden. Moleküle von Fullerene zeigen Versprechen in einer Reihe von Anwendungen, einschließlich hochfesten Materialien, einzigartige elektronische und Energiespeichergeräte und sichere Verkapselung von brennbaren Gasen, wie Wasserstoff., Q-Kohlenstoff, der durch schnelles Abkühlen einer Probe von elementarem Kohlenstoff erzeugt wird, deren Temperatur auf 4,000 K (3,727 °C) angehoben wurde, ist härter als Diamant und kann zur Herstellung von Diamantstrukturen (wie Diamantfolien und Mikronadeln) verwendet werden innerhalb seiner Matrix. Elementarer Kohlenstoff ist ungiftig.

Jede der „amorphen“ Formen von Kohlenstoff hat ihren eigenen spezifischen Charakter und daher hat jede ihre eigenen spezifischen Anwendungen. Alle sind Produkte der Oxidation und anderer Formen der Zersetzung organischer Verbindungen. Kohle und Koks zum Beispiel werden ausgiebig als Brennstoffe verwendet., Holzkohle wird als Absorptions – und Filtermittel sowie als Brennstoff verwendet und wurde einst häufig als Zutat in Schießpulver verwendet. (Kohlen sind elementarer Kohlenstoff, gemischt mit unterschiedlichen Mengen an Kohlenstoffverbindungen. Koks und Holzkohle sind fast reiner Kohlenstoff.) Zusätzlich zu seiner Verwendung bei der Herstellung von Tinten und Farben wird dem in Reifen verwendeten Gummi Ruß zugesetzt, um seine Verschleißeigenschaften zu verbessern. Knochenschwarz oder tierische Holzkohle kann Gase und Farbstoffe aus vielen anderen Materialien adsorbieren.,

Kohlenstoff, entweder elementar oder kombiniert, wird üblicherweise quantitativ durch Umwandlung in Kohlendioxidgas bestimmt, das dann von anderen Chemikalien absorbiert werden kann, um entweder ein gewichtiges Produkt oder eine Lösung mit sauren Eigenschaften zu erhalten, die titriert werden können.