Was ist eigentlich... Kohlenstoff?

 

Kohlenstoff ist Bestandteil aller Lebewesen. Das Element kommt zu weniger als 0,05 Prozent in der Erdrinde vor. Trotzdem nimmt es unter den Elementen eine Sonderstellung ein. Seine Einzigartigkeit verdankt Kohlenstoff seiner Eigenschaft, Bindungen mit anderen Elementen und vor allem mit sich selbst zu ketten- und ringförmigen Strukturen einzugehen. Über 45 Millionen Kohlenstoffverbindungen sind bekannt. Damit ist die Zahl der Kohlenstoffverbindungen weit größer als die Gesamtheit aller Verbindungen der übrigen Elemente.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Kohlenstoff tritt in mehreren unterschiedlichen Erscheinungsformen (Modifikationen) auf. Diamant ist der härteste natürliche Stoff, den wir kennen. Der größte Diamant “Cullinan” wurde in Südafrika gefunden und hat 3106 Karat. – Wer erinnert sich nicht an Marilyn Monroes „Diamonds are a girl’s best friend”. 

In geschliffener Form (Brilliant) ist Diamant ein kostbarer Edelstein. Erhitzt man Diamant, wandelt sich dieser bei sehr hohen Temperaturen in den stabileren, weichen und schwarzen Graphit um. Koks, Holzkohle, Tierkohle und Ruß sind andere Formen des (teil)graphitischen Kohlenstoffs. Neben diesen Modifikationen gibt es noch eine dritte: die graphitähnlichen Fullerene, in 5- und 6-gliedrigen Ringen angeordnete Kohlenstoffatome, die sphärische (fußballähnliche) Gebilde aufbauen. 

Kohlen sind komplexe Gemische, die neben Kohlenstoff noch Wasserstoff, Sauerstoff und flüchtige Bestandteile sowie Schwefel enthalten. Sie sind wichtige Energiequellen und verbrennen an der Luft zu Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2). Darüber hinaus spielt Kohlenstoff in Form von Koks eine bedeutende Rolle in der Metallgewinnung (Stahlerzeugung, Hochofenprozess). Kohlen und Kohlenwasserstoffverbindungen (Erdgas, Erdöl, Asphalt, Bitumen) sind die Verwesungsreste organischen Lebens (Pflanzen, Tiere). 

Ruß bildet sich, wenn man Kohlenstoffverbindungen bei ungenügend Luftzufuhr verbrennt. Er dient als Füllstoff in Kautschuk für Autoreifen sowie zur Herstellung von Druckerschwärze, Tusche und Schuhcreme.

Kohlefasern sind wertvolle Werkstoffe mit hoher Bruchfestigkeit, die z.B. im Flugzeugbau verwendet. 

Medizin und Haushalt

Im fein verteilten Zustand besitzt Kohlenstoff ein außerordentliches Adsorptionsvermögen und wird als Medizinische Kohle zum Aufsaugen von Giftstoffen, Bakterien und deren Toxine eingesetzt (Aktivkohle). 
Im Mineralbereich kommt Kohlenstoff vor allem in Form von Carbonaten, den Salzen der Kohlensäure, vor. Als Kalkstein, Marmor, Kreide (Calciumcarbonat) oder als Dolomit (Calcium-Magnesium-Carbonat) können Carbonate ganze Gebirge aufbauen. Früher nutzte man Soda (Natriumcarbonat, „kohlensaures Natrium“) im Haushalt als Wasch- und Reinigungsmittel, zudem diente es der Wasserenthärtung.
 

Symbol für Zusammenspiel von unbelebter und belebter Welt

Gebunden in Kohlendioxid (CO2) findet sich Kohlenstoff auch in der Luft, große Mengen davon sind in gelöster Form im Meerwasser. Die Bestimmung des Gehalts an radioaktivem C14-Kohlenstoff dient zur Altersbestimmung fossiler Funde (Radiocarbonmethode).

Im Pflanzen- und Tierreich bildet das Element Kohlenstoff den Grundbaustein aller Moleküle. Deshalb bezeichnet man Kohlenstoffverbindungen auch als „organische Moleküle“. Der Kohlenstoffkreislauf ist ein wichtiger Teil des Ökosystems unserer Erde; er steht für das Zusammenspiel von unbelebter und belebter Welt. Diesen Kreislauf hat der Schriftsteller Primo Levi eindrucksvoll in der „Geschichte eines Kohlenstoffatoms“ beschrieben, hier verkürzt: 
„Millionen von Jahren hat das Kohlenstoffatom – (C) als Kalkfelsen (CaCO3) existiert, bevor es eines Tages mit der Spitzhacke abgebaut, im Kalkofen erhitzt und getrennt vom Kalk (CaO) als Kohlendioxid (CO2) aus dem Schornstein fliegt. Es reist mit dem Wind, löst sich in Wasser, wird wieder freigesetzt, streift eines Tages das Blatt eines Weinstocks in das es eindringt. Dort stößt es mit großen und kleinen Molekülen zusammen und wird mit Hilfe von Licht und Blattgrün (Photosynthese) in ein Zuckermolekül (Glucose) eingebaut. Es wandert dann im Pflanzensaft vom Blatt über Stängel und Stamm in eine Weintraube, gelangt in den Wein und wird getrunken. In der Leber des Weintrinkers verbleibt es eine Zeit. Dann wird die Glucose für eine schwere Arbeit gebraucht, über den Blutstrom in eine Muskelfaser transportiert und dort zum Energiegewinn in zwei Moleküle Milchsäure aufgespalten. Mit Hilfe des eingeatmeten Sauerstoffs verbrennt die Milchsäure und ein Kohlendioxid-Molekül (CO2) kehrt mit der Atemluft in die Atmosphäre zurück.“

So schließt sich der Kreislauf des Kohlenstoffs. Diese und ähnliche Geschichten dokumentieren die beeindruckende Rolle von Kohlenstoff als „Element des Lebens“.

Der Beitrag wurde vom Arbeitskreis Öffentlichkeitsarbeit der Seniorexperten Chemie, einer Fachgruppe der Gesellschaft Deutscher Chemiker, erstellt.
Autoren: Prof. Dr. Eberhard Ehlers und Dr. Ursula Kraska (bearbeitet durch sue)

Titelbild: Mario SartoDiamant tropfenCC BY-SA 3.0

Wer noch mehr über Kohlenstoff erfahren möchte, kann hier weiterlesen.

In der Reihe „Was ist eigentlich…“ stellen wir in leicht verständlicher Form chemische Substanzen vor, die jeder kennt oder fast jeder benutzt.

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