Kohle

Kohlenstoff (lat. Carboneum) ist ein chemisches Element in der Periodensystem der Elemente, sein Symbol ist C, er hat 4 Bindungen und seine Protonenzahl ist 6. Kohlenstoff bildet den grundlegenden Baustein aller organischen Verbindungen und somit aller lebenden Organismen. Kohlenstoffverbindungen sind eine der Grundlagen der Weltwirtschaft, fossile Brennstoffe wie Erdgas und Kohle dienen als Energiequelle zur Stromerzeugung und Heizung, Produkte der Erdölverarbeitung (Benzin, Diesel, Schweröle) sind unerlässlich für den Antrieb von Verbrennungsmotoren. Produkte der chemischen Industrie auf Kohlenstoffbasis sind Bestandteil des Alltags, sei es in Form von Kunststoffen, künstlichen Fasern, Lacken oder Medikamenten.

Kohlenstoffformen
Elementarer Kohlenstoff
Kohlenstoff ist ein typischer nichtmetallischer Stoff, der sich als Mineral im elementaren Zustand in der Natur in zwei grundlegenden Modifikationen vorkommt und in den letzten etwa 20 Jahren eine dritte Modifikation im Labor erzeugt wurde:

Grafit besteht aus Kohlenstoff, der in sechseckigen Schuppen kristallisiert und zu den weichsten bekannten Mineralien gehört. Diese Eigenschaft wird beispielsweise bei der Herstellung von Bleistiften genutzt, bei denen eine gemahlene Mischung aus Grafit und Kalkstein die Grundsubstanz des Schreib- oder Zeichenschaftes bildet.
Diamant besteht aus Kohlenstoff, der in kubischer Struktur kristallisiert, ist ein sehr wertvolles Mineral und gehört zu den härtesten Materialien. Das Gewicht von Diamanten wird in Karat angegeben, der bislang größte gefundene Diamant war der Cullinan, der bei seiner Entdeckung in SÜDAFRIKA ein Gewicht von 3 106 Karat (621,2 g) hatte.[1]
Fullerene sind neu entdeckte kugelförmige Moleküle, zusammengesetzt aus fünfringigen oder häufig sechsringigen Kohlenstoffatomen. Im Raum sind diese Moleküle in eine kugelförmige Form angeordnet und sind besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren physischen Einflüssen. Der bislang stabilste bekannte Fullerene-Molekül enthält 60 Kohlenstoffatome. Fullerene werden künstlich durch Laserpyrolyse organischer Verbindungen hergestellt. Für die Entdeckung und die Erforschung der Eigenschaften von Fullerenen wurde 1996 der Nobelpreis für Chemie an Robert F. Curl, Richard E. Smalley und Harold W. Kroto verliehen. Derzeit wird die Erforschung der Eigenschaften und Herstellungsmethoden von Fullerenen intensiv in vielen führenden wissenschaftlichen Institutionen weltweit durchgeführt.
Graphen ist ähnlich wie Grafit, mit dem Unterschied, dass es der dünnste und härteste Stoff der Welt ist. Es wurde von Andre Geim und seinem Kollegen Konstantin Novoselov im Jahr 2004 entdeckt. Elektronen des Graphens verletzen fast die Physik. Sie bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, ohne aufeinander zu prallen. Dies kann in Transistoren, Speichern oder Mikroprozessoren genutzt werden.

Vorkommen und Verwendung

Grafit

 

Grafit

Weitere Informationen im Hauptartikel: Grafit

Grafit ist ein Mineral, das sich an vielen Stellen auf der Erde befindet. Einige der größten Grafitminen befinden sich in USA (Texas und New York), Mexiko, Indien und Russland. Grafit ist beispielsweise auch ein Bestandteil von Ruß, der bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht. Er besteht jedoch aus Teilchen, die so klein sind, dass Ruß eher die Eigenschaften amorphen Kohlenstoffs besitzt.

Grafit wird industriell vor allem zur Herstellung von Bleistiften genutzt. Dabei wird er zunächst gemeinsam mit Kalkstein sehr fein gemahlen und anschließend in die passende Form gepresst. In reiner Form, ohne Kalkstein, wird er in Kohlestifte für Maler und Grafiker gepresst.

Weitere bedeutende Anwendung von Grafit ist in der Metallurgie. Aufgrund seiner sehr guten Wärmebeständigkeit werden aus ihm Behälter, sogenannte Kokillen, hergestellt, in die flüssige Metalle und deren Legierungen gegossen werden. So wird verhindert, dass die flüssigen Metalle mit dem Metall verunreinigt werden, aus dem die Kokille hergestellt sein müsste. Aus Grafit werden auch Elektroden für die elektrolytische Herstellung von Aluminium aus der Schmelze von Bauxit und Kryolith oder bei der Herstellung von Silizium aus der Schmelze von Kieselsäure hergestellt.

Glasartiger Grafit[

Eine künstlich hergestellte Form von Grafit ist sogenannte Glasartiger Kohlenstoff (engl. glassy carbon), der sich durch eine hohe Dichte, geringe Porosität und sehr gute chemische und mechanische Beständigkeit auszeichnet. In der Praxis wird er durch präzise kontrollierte langfristige Hochtemperatur-(pyrolytische) Zersetzung organischer Substanzen auf der Oberfläche normalen Grafit hergestellt.

Dank der außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften des Glasartigen Grafit ist seine praktische Anwendung, trotz seiner hohen Kosten, stetig wachsend.

• Für Elektrochemie ist wichtig, dass die Oberflächen von Elektroden aus Glasartigem Grafit chemisch hochbeständig sind und auf ihnen ein hoher positiver Potenzial erreicht werden kann, ohne dass es zu ihrer Auflösung kommt, wie bei normalen metallischen Elektroden. Dies kann sowohl in der analytischen Chemie bei der Untersuchung elektrochemischer Eigenschaften organischer Moleküle als auch bei der präparativen Oxidation bei der Herstellung einiger Verbindungen genutzt werden.

• Die analytische Methode GFAAS (atomabsorptionsspektrometrie mit flammenloser Atomisierung) verwendet zur Verdampfung der analysierten Probe eine Zelle, die für mehrere Sekunden auf eine Temperatur von etwa 3 000 °C erhitzt wird. Die Beschichtung der inneren Fläche dieser Zelle mit Glasartigem Grafit erhöht dramatisch ihre Beständigkeit und im Vergleich zu der klassischen Grafitzelle verlängert sie ihre Anwendbarkeit.

• In der Metallurgie werden zur Reinigung von Metallen durch die Methode zonalen Schmelzen Rohre mit Glasartigem Grafit beschichtet, in denen der gesamte Prozess stattfindet.

• Laborgeräte mit einer Oberfläche aus Glasartigem Grafit erreichen die gleiche oder sogar bessere chemische Beständigkeit als Geräte aus Platin oder aus deren Legierung mit Rhodium.

Bernstein

 

Bernsteinanhänger mit eingebetteten Fossilien

Eine besondere Form des kohlenstoffhaltigen Minerals ist Bernstein - mineralisierte Reste von Tertiärharz von etwa 50 Millionen Jahren. Das durchschnittliche chemische Zusammensetzung von Bernstein wurde als C₁₀H₁₆O bestimmt. Die Grundfarbe von Bernstein ist goldgelb, aber es gibt auch Sorten, die vollständig transparent, rot, braun oder weiß sind.

Es kommt in Europa als versteinertes Harz von Kiefern und in Mittelamerika und Mexiko, wo es sich um Harz tropischer Bäume handelt, genannt Kopál.

Die Bedeutung von Bernstein liegt vor allem in der Herstellung von Schmuck und dekorativen Gegenständen. Einer der bedeutendsten Projekte in diesem Bereich war die berühmte Bernsteinzimmer, ein Raum, der mit wunderbar verzierten Bernsteinblöcken ausgestattet war, im Petersburger Zarenpalast. Während des Zweiten Weltkriegs räumten die deutschen Besatzungstruppen das Bernsteinzimmer aus und brachten es an einen unbekannten Ort. Bis heute wird erfolglos nach dieser kulturellen Erinnerung gesucht.

Weitere Bedeutung von Bernstein ist paläontologisch. In der Masse von Bernsteinfunden sind oft perfekt erhaltene Körper von Tertiärinsekten, Pollen damaliger Pflanzen und andere Artefakte.

Interessant ist, dass es bis heute nicht gelungen ist, Bernstein künstlich herzustellen, obwohl sein chemisches Zusammensetzung gut bekannt ist und auch der vermutete Entstehungsprozess.