Kohlenstoff – Einführung

Ohne Kohlenstoff kein Leben. Denn in allen lebenden Organismen kommt zumindest eine Verbindung mit Kohlenstoff vor. Sowohl deine Bleistiftmine aus Graphit als auch der Diamant in der neuen Kette deiner Mutter bestehen nur aus Kohlenstoffatomen, dennoch sind sie bezüglich der Farbe, der Form und des Härtegrades vollkommen unterschiedlich. Wie kann das sein? In diesem Video erfährst du in welchen verschiedenen Erscheinungsformen das vierthäufigste Element in unserem Universum vorkommen kann, welche Eigenschaften diese haben und wieso kovalente Bindungen eine so wichtige Rolle für das Erscheinungsbild der Elemente spielen.

Jedes Kohlenstoffatom hat 4 Valenzelektronen, also Elektronen in der äußersten Schale, und kann so bis zu vier kovalente Bindungen mit anderen Atomen eingehen. Schon im elementaren Zustand, das heißt, wenn er keine Verbindung mit anderen Atomen eingeht, kann Kohlenstoff in vier allotropen Formen in der Natur vorkommen. Als Allotrope bezeichnet man in der Chemie zwei oder mehr unterschiedliche Strukturformen eines Elements im gleichen Aggregatzustand. Beim Kohlenstoff unterscheiden wir in Graphit, Diamant, Graphen und amorphen Kohlenstoff.

Graphit kennst du aus dem Alltag, denn es wird zum Beispiel für Bleistiftminen genutzt. Daher ist dir sicherlich auch bekannt, dass es sich um einen schwarzen, glänzenden Festkörper handelt und wenn man mit dem Finger daran reibt, bleibt meist etwas davon an deinen Händen zurück. Dies liegt daran, dass bei dieser Verbindung nur drei der vier äußeren Elektronen für die Bindung genutzt werden. So entsteht ein schichtartiger Aufbau, wobei die Bindungen zwischen den Schichten nur schwach ausgeprägt und die nicht gebundenen Elektronen delokalisiert sind. Sie können sich also frei zwischen den Schichten bewegen, sodass Graphit elektrischen Strom leiten kann.

Ebenso bekannt, aber komplett verschieden ist das Allotrop Diamant – eines der härtesten und wertvollsten Materialien der Welt. Im Gegensatz zu Graphit werden hier alle äußeren Elektronen für Bindungen genutzt. Des Weiteren werden nicht nur zweidimensionale Schichten ausgebildet, sondern es entsteht eine dreidimensionale, äußerst stabile Gitterstruktur.

Kohlenstoffhaltige Stoffe wie Steinkohle, Holzkohle und Koks werden meist als amorpher Kohlenstoff angesehen. Hier bilden die Atome keine feste Struktur aus, sodass die Materialien relativ weich sind und aufgrund der freien Elektronen Strom leiten können.

Wir stellen also fest, dass die kovalenten Bindungen einen großen Einfluss auf die Eigenschaften und das Aussehen der gebildeten Stoffe haben und wir je nach Verwendungszweck das Kohlenstoffallotrop mit den für uns passendsten Eigenschaften wählen können.