Vier Eigenschaften von Kohlenstoff

Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element mit dem chemischen Symbol C. Es ist das vierthäufigste Element im Universum und das 15. häufigste Element der Erdkruste. Außerdem ist es nach Sauerstoff das zweithäufigste Element des Menschen. Seine chemische Zusammensetzung führt zu mehreren einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoff.

Kohlenstoff gehört zur Gruppe 14 des Periodensystems. Seine Ordnungszahl ist 6 und es hat ein Atomgewicht von 12.011. Die Oxidationsstufen von Kohlenstoff können von -4 bis +4 variieren, wobei +4 in Verbindungen wie Methan und Schwefelkohlenstoff und +2 für Kohlenmonoxid vorhanden ist.

Die physikalischen Eigenschaften verschiedener Kohlenstoffallotrope machen sie in Batterien, Elektronik und Nanomaterialien nützlich. Kohlenstoff ist auch der „König der Elemente“ und bildet fast 10 Millionen Verbindungen bis heute einschließlich organischer, anorganischer und metallorganischer Verbindungen.

Kohlenstoffisotope werden in großem Umfang für die Radiokohlenstoffdatierung (Kohlenstoff-14), die molekulare Struktur und die medizinische Forschung (Kohlenstoff-13) verwendet. Darüber hinaus weisen Carbonfasern hervorragende mechanische Eigenschaften auf und sind in der Luft- und Raumfahrt sowie im Bauwesen beliebt.

Carbon hat etwas anderes allotrope Formen, mit unterschiedlichen molekularen Konfigurationen und atomaren Strukturen. Die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff variieren stark mit jedem Allotrop. Zu den bekanntesten Allotropen des Kohlenstoffs gehören Graphit, Diamant und Fullerene.

Graphit ist eines der weichsten bekannten Materialien und wird in Bleistiften und als Festschmierstoff verwendet. Es ist auch ein guter Stromleiter, was es in Batterien und Sonnenkollektoren nützlich macht.

Graphen ist einfach eine atomare Graphitschicht, die in einem Wabengitter angeordnet ist. In einer Graphenschicht ist jedes Kohlenstoffatom kovalent an drei andere Atome gebunden, sodass das vierte Elektron frei in der Ebene wandern kann, daher seine elektrische Leitfähigkeit.

Diamant hingegen ist die härteste natürlich vorkommende Substanz und gehört zu den einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoff. Es hat fast die doppelte Dichte von Graphit, und jedes Kohlenstoffatom ist ohne frei fließende Elektronen tetraedrisch an vier andere gebunden. Diamant ist also ein schlechter Stromleiter. Diamant hat auch ein klares Aussehen, im Gegensatz zu Graphit, das undurchsichtig ist.

Wissenschaftler haben auch andere Allotrope von Kohlenstoff synthetisiert, wie Fullerene, Kohlenstoff-Nanoschäume und andere. Sie besitzen besondere Eigenschaften und sind ein blühendes Forschungsgebiet in Nanomaterialien. Fullerene sind eine Gruppe hohler Kohlenstoffmoleküle in einer geschlossenen Käfig- (Buckyball) oder Zylinder- (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) Konformation.

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Das C₆₀ Buckyball wurde von Sir Harold Kroto, Richard Smalley und Robert Curl Jr. entdeckt, als sie mit einem Laser Graphitstäbe in einer Heliumatmosphäre verdampften. Die Kohlenstoffatome sind durch Einfach- und Doppelbindungen zu 12 fünfeckigen und 20 sechseckigen Flächen in Fußballform verbunden. Ihre Pionierleistungen brachten ihnen 1996 den Nobelpreis ein.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die längliche Versionen von Buckyballs sind, wurden von Iijima Sumio identifiziert. Sie sind ausgezeichnete Leiter von Wärme und Elektrizität und sind nützlich für die Elektronik.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen auch eine beeindruckende Zugfestigkeit auf und haben spannende Anwendungen in Strukturmaterialien und in der Medizin. Die kontrollierte Synthese solcher Nanomaterialien stellt die Wissenschaftler jedoch vor große Herausforderungen.

Kohlenstoff bildet die Grundlage des Lebens auf der Erde, wobei Millionen kohlenstoffhaltiger Verbindungen 18 Prozent aller Lebewesen ausmachen. Es kann stabile, kovalente Bindungen mit anderen Atomen eingehen und als lange Ketten oder Ringe mit starken, miteinander verbundenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen erscheinen. Diese tragen zur Vielfalt und Komplexität der auf der Erde existierenden Kohlenstoffverbindungen bei.

Diese Kohlenstoffverbindungen Dazu gehören organische Moleküle wie Proteine, Kohlenhydrate und DNA, die in den Zellen lebender Organismen vorkommen, sowie anorganische Verbindungen wie Kohlenoxide. Das Studium organischer Moleküle bildet ein Spezialgebiet namens organische Chemie. Kohlenstoff kann auch als metallorganische Verbindungen kovalente Bindungen mit Metall eingehen. Eisenporphyrin, die Sauerstoffbindungsstelle des Hämoglobins, ist ein solches Beispiel.

Trotz seines Vorkommens in der Natur ist Kohlenstoff unter normalen Bedingungen relativ unreaktiv. Bei Normaltemperatur reagiert es nicht auf Säuren (Schwefelsäure oder Salzsäure) oder Laugen. Es ist auch bei dieser Temperatur oxidationsstabil. Bei höheren Temperaturen kann Kohlenstoff jedoch mit Sauerstoff zu Kohlenoxiden (CO₂ und CO), mit Schwefelgas zur Bildung von Schwefelkohlenstoff und mit Silizium zur Bildung von Carbiden.

Es gibt 15 bekannte Kohlenstoffisotope, von denen Kohlenstoff-12 (98,93 Prozent des natürlichen Kohlenstoffs) und Kohlenstoff-13 (1,07 Prozent) die beiden stabilen Isotope sind. Kohlenstoff-14 ist das am längsten lebende Isotop mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren. Das kurzlebigste Kohlenstoffisotop ist Kohlenstoff-8 und hat eine Halbwertszeit von 1,98739 x 10⁻²¹ Sekunden.

Das Isotop Kohlenstoff-14 wird repräsentiert durch ¹⁴₆C, wobei der Präindex 14 die Atommasse und der Präindex 6 die Ordnungszahl ist. Kohlenstoff-14 hat eine sehr geringe natürliche Häufigkeit (0,0000000001 Prozent), aber seine lange Halbwertszeit macht es nützlich für radiometrische Datierung.

Kohlenstoff-14 entsteht, wenn Stickstoff-14 mit Neutronen aus der kosmischen Strahlung reagiert und dabei ein Proton freisetzt. Der Kohlenstoff-14 reagiert dann mit Sauerstoff, um ¹⁴CO₂, das sich gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt mit ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n > ¹⁴₆C + ¹₁p

Der Kohlenstoffkreislauf beginnt, wenn lebende Organismen Kohlendioxid (¹⁴CO₂ und ¹²CO₂ aus der Atmosphäre) durch Photosynthese in organische Verbindungen umwandeln und durch Atmung wieder an die Atmosphäre abgeben. In diesem Gleichgewicht gibt es ein festes Verhältnis von ¹⁴CO₂ und ¹²CO₂ bei den Organismen. Wenn sie jedoch sterben, hört das Gleichgewicht auf und Kohlenstoff-14 unterliegt einem Beta-Zerfall in Stickstoff-14 gemäß seiner Halbwertszeit von 5730 Jahren.

¹⁴₆C > ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Die Messung des relativen Anteils von Kohlenstoff-14 in einer toten Probe ermöglicht somit die Berechnung der Zeit, die nach ihrem Tod verstrichen ist. Diese Methode der Radiokarbon-Datierung wird häufig zur Datierung von Fossilien und archäologischen Exemplaren im Alter von 500 bis 50.000 Jahren verwendet.

Kohlenstoff-13 ist ein weiteres Isotop, das in vielen Anwendungen ausgiebig verwendet wird. Es wird beispielsweise in der Kernspinresonanz (NMR) zur Bestimmung der molekularen Strukturen organischer Verbindungen verwendet. Es wird auch als Markierungswerkzeug in Kombination mit einem Massenspektrometer für die medizinische Forschung verwendet.

Kohlenstoff weist neben seinen physikalischen, chemischen und nuklearen Eigenschaften auch nützliche mechanische Eigenschaften auf.

Es kann sich bilden Legierungen mit Stahl in Kohlenstoffstahl, dessen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,05 und 2 Gewichtsprozent variiert. Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,3-0,6 Prozent Kohlenstoff) hat eine ausgewogene Festigkeit und Duktilität sowie eine ausgezeichnete Zugfestigkeit. Durch ein Wärmebehandlungsverfahren kann ultrahochkohlenstoffhaltiger Stahl (1,25-2 Prozent Kohlenstoff) auf große Härte angelassen und zur Herstellung von Messern verwendet werden.

Carbonfasern, das sind 5 bis 10 µm dicke Fasern, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen, weisen hohe Steifigkeit, Zugfestigkeit, chemische Beständigkeit, Temperaturtoleranz und geringes Gewicht und thermisches Erweiterung. Die Streckgrenze von Stahl hängt von seiner Güte ab und Weichstahl hat eine Streckgrenze von 247 MPa. Carbonfasern haben Zugfestigkeiten von 1.600 bis 6.370 MPa und sind daher beliebt in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen und Sport.

Wird ein Material belastet, verformt es sich zunächst elastisch. In diesem Stadium kann es in seine ursprüngliche Form zurückkehren, wenn die Spannung entfernt wird. Streckgrenze ist definiert als die Belastung, der ein Material ohne bleibende Verformung standhalten kann.

Wenn es einen Punkt (obere Streckgrenze) erreicht, an dem es nicht mehr zu seinen ursprünglichen Abmessungen zurückkehren kann, erfährt es eine plastische Verformung, die dauerhaft und irreversibel ist. Die Zugfestigkeit ist die maximale Festigkeit, der ein Material standhalten kann, ohne zu versagen oder zu brechen.