KOHLENSTOFF: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, GEWINNUNG, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Der Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches chemisches Element, dessen chemisches Symbol C. ist, benannt nach Kohle, Gemüse oder Mineralien, wobei seine Atome verschiedene Strukturen definieren. Viele Autoren qualifizieren es als König der Elemente, da es eine breite Palette organischer und anorganischer Verbindungen bildet und auch in einer beträchtlichen Anzahl von Allotropen vorkommt.

Und wenn dies nicht ausreicht, um es als besonderes Element zu bezeichnen, ist es in allen Lebewesen zu finden; Alle seine Biomoleküle verdanken ihre Existenz der Stabilität und Stärke der CC-Bindungen und ihrer hohen Neigung zur Verkettung. Kohlenstoff ist das Element des Lebens, und mit seinen Atomen werden ihre Körper aufgebaut.

Das Holz der Bäume besteht hauptsächlich aus Kohlenhydraten, einer der vielen kohlenstoffreichen Verbindungen. Quelle: Pexels.

Die organischen Verbindungen, mit denen Biomaterialien aufgebaut sind, bestehen praktisch aus Kohlenstoffgerüsten und Heteroatomen. Diese können mit bloßem Auge im Wald der Bäume gesehen werden; und auch, wenn ein Blitz sie trifft und sie brät. Der verbleibende inerte schwarze Feststoff hat auch Kohlenstoff; aber es ist Holzkohle.

Daher gibt es „tote“ Manifestationen dieses Elements: Holzkohle, ein Produkt der Verbrennung in sauerstoffarmen Umgebungen; und Mineralkohle, ein Produkt geologischer Prozesse. Beide Feststoffe sehen gleich aus, sie sind schwarz und sie verbrennen, um Wärme und Energie zu erzeugen. obwohl mit unterschiedlichen Ausbeuten.

Von diesem Zeitpunkt an ist Kohlenstoff das 15. häufigste Element in der Erdkruste. Kein Wunder, wenn jährlich Millionen Tonnen Kohle produziert werden. Diese Mineralien unterscheiden sich in ihren Eigenschaften je nach Grad der Verunreinigungen, wodurch Anthrazit als Mineralkohle höchster Qualität eingestuft wird.

Die Erdkruste ist nicht nur reich an Mineralkohle, sondern auch an Karbonaten, insbesondere Kalkstein und Dolomiten. Und in Bezug auf das Universum ist es das vierthäufigste Element; Ich meine, es gibt mehr Kohlenstoff auf anderen Planeten.

Kohlenstoffgeschichte

Rückblick

Kohlenstoff kann so alt sein wie die Erdkruste selbst. Seit jeher sind antike Zivilisationen in ihren vielen natürlichen Darstellungen auf dieses Element gestoßen: Ruß, Holzkohle, Holzkohle oder Holzkohle, Diamanten, Graphit, Kohlenteer, Anthrazit usw.

Alle diese Feststoffe, obwohl sie die dunklen Töne teilten (mit Ausnahme von Diamant), unterschieden sich der Rest ihrer physikalischen Eigenschaften sowie ihre Zusammensetzung erheblich. Damals war es unmöglich zu behaupten, dass sie im Wesentlichen aus Kohlenstoffatomen bestanden.

So wurde Kohle im Laufe der Geschichte nach ihrer Qualität zum Zeitpunkt der Verbrennung und Wärmeversorgung klassifiziert. Und mit den durch seine Verbrennung gebildeten Gasen wurden Wassermassen erwärmt, die wiederum Dämpfe erzeugten, die Turbinen bewegten, die elektrische Ströme erzeugten.

Kohlenstoff war auf unerwartete Weise in Holzkohle vorhanden, die durch Verbrennen von Bäumen in geschlossenen oder hermetischen Räumen erzeugt wurde. in dem Graphit, mit dem die Stifte hergestellt wurden; in Diamanten, die als Edelsteine ​​verwendet werden; Er war für die Härte des Stahls verantwortlich.

Seine Geschichte geht Hand in Hand mit Holz, Schießpulver, Stadtbeleuchtungsgasen, Zügen und Schiffen, Bier, Schmiermitteln und anderen wesentlichen Objekten für den Fortschritt der Menschheit.

Anerkennung

Ab wann konnten Wissenschaftler die Allotrope und Mineralien von Kohlenstoff mit demselben Element assoziieren? Kohle wurde als Mineral angesehen und nicht als chemisches Element angesehen, das dem Periodensystem würdig war. Der erste Schritt sollte sein, zu zeigen, dass alle diese Feststoffe in dasselbe Gas umgewandelt wurden: Kohlendioxid, CO ₂ .

Antoine Lavoisier fokussierte 1772 mit einem Holzrahmen mit großen Linsen die Sonnenstrahlen auf Proben von Holzkohle und Diamanten. Er fand heraus, dass keiner von ihnen Wasserdämpfe bildete, sondern CO ₂ . Er tat dasselbe mit dem Ruß und erzielte die gleichen Ergebnisse.

Carl Wilhelm Scheele fand 1779 die chemische Beziehung zwischen Holzkohle und Graphit; Das heißt, beide Feststoffe bestanden aus den gleichen Atomen.

Smithson Tennant und William Hyde Wollaston bestätigten 1797 methodisch (durch Reaktionen), dass der Diamant tatsächlich aus Kohlenstoff bestand, wenn er bei seiner Verbrennung CO ₂ erzeugte .

Mit diesen Ergebnissen wurde bald Licht auf Graphit und Diamant geworfen, Feststoffe, die durch Kohlenstoff gebildet wurden und daher von hoher Reinheit waren; im Gegensatz zu den unreinen Feststoffen von Kohle und anderen kohlenstoffhaltigen Mineralien.

Eigenschaften

Die physikalischen oder chemischen Eigenschaften von Feststoffen, Mineralien oder kohlenstoffhaltigen Materialien unterliegen vielen Variablen. Dazu gehören: die Zusammensetzung oder der Grad der Verunreinigungen, die Hybridisierungen der Kohlenstoffatome, die Vielfalt der Strukturen und die Morphologie oder Größe der Poren.

Bei der Beschreibung der Eigenschaften von Kohlenstoff basieren die meisten Texte oder bibliografischen Quellen auf Graphit und Diamant.

Warum? Weil sie die bekanntesten Allotrope für dieses Element sind und Feststoffe oder hochreine Materialien darstellen; Das heißt, sie bestehen praktisch nur aus Kohlenstoffatomen (obwohl sie unterschiedliche Strukturen haben, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird).

Die Eigenschaften von Holzkohle und Mineralkohle unterscheiden sich in ihrer Herkunft bzw. Zusammensetzung. Beispielsweise kriecht Braunkohle (kohlenstoffarm) als Kraftstoff im Vergleich zu Anthrazit (kohlenstoffarm). Und was ist mit den anderen Allotropen: Nanoröhren, Fullerene, Graphene, Graffine usw.

Chemisch haben sie jedoch einen Punkt gemeinsam: Sie oxidieren mit einem Überschuss an Sauerstoff in CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Nun ist die Geschwindigkeit oder Temperatur, die sie zum Oxidieren benötigen, für jedes dieser Allotrope spezifisch.

Graphit gegen Diamant

Hier wird auch kurz auf die sehr unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Allotrope eingegangen:

Tabelle, in der einige Eigenschaften der beiden kristallinen Allotrope von Kohlenstoff verglichen werden. Quelle: Gabriel Bolívar.

Struktur und elektronische Konfiguration

Hybridisierungen

Beziehung zwischen Hybridorbitalen und möglichen Strukturen für Kohlenstoff. Quelle: Gabriel Bolívar.

Die Elektronenkonfiguration für das Kohlenstoffatom ist 1s ² 2s ² 2p ² , auch als 2s ² 2p ^{2 geschrieben} (oberes Bild). Diese Darstellung entspricht seinem Grundzustand: Das Kohlenstoffatom ist isoliert und in einem solchen Vakuum suspendiert, dass es nicht mit anderen interagieren kann.

Es ist ersichtlich, dass einem seiner 2p-Orbitale Elektronen fehlen, die durch elektronische Förderung ein Elektron aus dem 2s-Orbital mit niedrigerer Energie aufnehmen. und somit erhält das Atom die Fähigkeit, bis zu vier kovalente Bindungen durch seine vier sp ³ -Hybridorbitale zu bilden .

Beachten Sie, dass alle vier sp ³ -Orbitale entartet sind (auf derselben Ebene ausgerichtet). Reine p-Orbitale sind energetischer, weshalb sie über den anderen Hybridorbitalen (rechts im Bild) platziert sind.

Wenn es drei Hybridorbitale gibt, liegt dies daran, dass ein nicht hybridisiertes p-Orbital übrig bleibt; Daher sind es drei sp ² -Orbitale . Und wenn es zwei dieser Hybridorbitale gibt, stehen zwei p-Orbitale zur Bildung von Doppel- oder Dreifachbindungen zur Verfügung, nämlich die Hybridisierung des sp-Kohlenstoffs.

Solche elektronischen Aspekte sind wichtig, um zu verstehen, warum Kohlenstoff in unendlichen Allotropen vorkommt.

Oxidationszahlen

Bevor wir mit den Strukturen fortfahren, ist zu erwähnen, dass Kohlenstoff angesichts der Elektronenkonfiguration der Valenz 2s ² 2p ² die folgenden Oxidationszahlen haben kann: +4, +2, 0, -2 und -4.

Warum? Diese Zahlen entsprechen der Annahme, dass es eine Ionenbindung gibt, so dass Sie die Ionen mit den jeweiligen Ladungen bilden; das heißt C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neutral), C ^2- und C ^4- .

Damit Kohlenstoff eine positive Oxidationszahl hat, muss er Elektronen verlieren. Und dazu muss es unbedingt an sehr elektronegative Atome (wie Sauerstoff) gebunden sein.

Damit Kohlenstoff eine negative Oxidationszahl aufweist, muss er Elektronen gewinnen, indem er sich an Metallatome bindet oder weniger elektronegativ ist (wie Wasserstoff).

Die erste Oxidationszahl +4 bedeutet, dass der Kohlenstoff alle seine Valenzelektronen verloren hat; Die 2s und 2p Orbitale bleiben leer. Wenn das 2p-Orbital seine zwei Elektronen verliert, hat der Kohlenstoff eine Oxidationszahl von +2; Wenn Sie zwei Elektronen gewinnen, haben Sie -2; und wenn Sie zwei weitere Elektronen gewinnen, indem Sie Ihr Valenzoktett vervollständigen, -4.

Beispiele

Zum Beispiel beträgt für CO ₂ die Oxidationszahl von Kohlenstoff +4 (weil Sauerstoff elektronegativer ist); während es für CH ₄ -4 ist (weil Wasserstoff weniger elektronegativ ist).

Für CH ₃ OH beträgt die Oxidationszahl von Kohlenstoff -2 (+1 für H und -2 für O); während für HCOOH es +2 ist (überprüfen Sie, ob die Summe 0 ergibt).

Andere Oxidationsstufen wie -3 und +3 sind ebenfalls wahrscheinlich, insbesondere wenn es um organische Moleküle geht; zum Beispiel in den Methylgruppen -CH ₃ .

Molekülgeometrien

Das obere Bild zeigte nicht nur die Hybridisierung der Orbitale für das Kohlenstoffatom, sondern auch die resultierenden Molekülgeometrien, wenn mehrere Atome (schwarze Kugeln) mit einem zentralen verbunden waren. Dieses Zentralatom muss die entsprechende chemische Hybridisierung aufweisen, die es ermöglicht, um eine bestimmte geometrische Umgebung im Raum zu haben.

Zum Beispiel hat für den Tetraeder der zentrale Kohlenstoff eine sp ³ -Hybridisierung ; denn dies ist die stabilste Anordnung für die vier sp ³ -Hybridorbitale . Im Fall von sp ² -Kohlenstoffen können sie Doppelbindungen bilden und eine Umgebung auf trigonaler Ebene aufweisen; und so definieren diese Dreiecke ein perfektes Sechseck. Und für eine sp-Hybridisierung nehmen die Kohlenstoffe eine lineare Geometrie an.

Somit werden die in den Strukturen aller Allotrope beobachteten Geometrien einfach durch Tetraeder (sp ³ ), Sechsecke oder Pentagone (sp ² ) und Linien (sp) bestimmt.

Tetraeder definieren eine 3D-Struktur, während Sechsecke, Pentagone und Linien 3D- oder 2D-Strukturen; Letztere sind die Ebenen oder Blätter, die den Wänden der Waben ähnlich sind:

Wand mit sechseckigen Wabenmustern in Analogie zu Flugzeugen aus sp2-Kohlenstoffen. Quelle: Pixabay.

Und wenn wir diese sechseckige Wand (fünfeckig oder gemischt) falten, erhalten wir eine Röhre (Nanoröhren) oder eine Kugel (Fullerene) oder eine andere Figur. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Figuren führen zu unterschiedlichen Morphologien.

Amorphe oder kristalline Feststoffe

Abgesehen von den Geometrien, Hybridisierungen oder Morphologien der möglichen Strukturen von Kohlenstoff können seine Feststoffe global in zwei Typen eingeteilt werden: amorph oder kristallin. Und zwischen diesen beiden Klassifikationen sind ihre Allotrope verteilt.

Amorpher Kohlenstoff ist einfach einer, der eine beliebige Mischung aus Tetraedern, Sechsecken oder Linien aufweist und kein Strukturmuster herstellen kann. Dies ist der Fall bei Kohle, Holzkohle oder Aktivkohle, Koks, Ruß usw.

Während der kristalline Kohlenstoff aus Strukturmustern besteht, die aus einer der vorgeschlagenen Geometrien bestehen; Zum Beispiel Diamant (dreidimensionales Netzwerk von Tetraedern) und Graphit (gestapelte hexagonale Schichten).

Erhalten

Kohlenstoff kann als Graphit oder Diamant rein sein. Diese befinden sich in ihren jeweiligen mineralogischen Lagerstätten, die auf der ganzen Welt und in verschiedenen Ländern verstreut sind. Deshalb exportieren einige Nationen eines dieser Mineralien mehr als andere. Kurz gesagt, "Sie müssen die Erde graben", um den Kohlenstoff zu erhalten.

Gleiches gilt für Mineralkohle und ihre Arten. Dies ist jedoch bei Holzkohle nicht der Fall, da ein kohlenstoffreicher Körper zuerst "untergehen" muss, entweder unter Beschuss oder durch einen elektrischen Blitz. in Abwesenheit von Sauerstoff würde natürlich CO ₂ freigesetzt .

Ein ganzer Wald ist eine Kohlenstoffquelle wie Holzkohle; nicht nur für seine Bäume, sondern auch für seine Fauna.

Im Allgemeinen müssen kohlenstoffhaltige Proben einer Pyrolyse unterzogen werden (Verbrennung in Abwesenheit von Sauerstoff), um einige der Verunreinigungen als Gase freizusetzen. und somit bleibt ein kohlenstoffreicher Feststoff (amorph oder kristallin) als Rückstand zurück.

Anwendungen

Wie die Eigenschaften und die Struktur stimmen auch die Verwendungen oder Anwendungen mit den Allotropen oder mineralogischen Formen von Kohlenstoff überein. Es gibt jedoch einige allgemeine Aspekte, die zusätzlich zu einigen bekannten Punkten erwähnt werden können. Solche sind:

-Kohlenstoff wird seit langem als mineralisches Reduktionsmittel zur Gewinnung von reinen Metallen verwendet; Zum Beispiel Eisen, Silizium und Phosphor.

-Es ist der Eckpfeiler des Lebens, und organische Chemie und Biochemie sind die Studien dieser Reflexion.

-Es war auch ein fossiler Brennstoff, der es den ersten Maschinen ermöglichte, ihre Gänge zu starten. In gleicher Weise wurde daraus Kohlenstoffgas für die alten Beleuchtungssysteme gewonnen. Kohle war ein Synonym für Licht, Wärme und Energie.

- Das Mischen als Additiv mit Eisen in verschiedenen Anteilen ermöglichte die Erfindung und Verbesserung von Stählen.

-Ihre schwarze Farbe fand in der Kunst statt, insbesondere Graphit und alle mit seinen Linien gemachten Schriften.

Risiken und Vorsichtsmaßnahmen

Kohlenstoff und seine Feststoffe stellen kein Gesundheitsrisiko dar. Wer hat sich um eine Tüte Holzkohle gekümmert? Sie werden in Scharen in den Gängen einiger Märkte verkauft, und solange kein Feuer in der Nähe ist, brennen ihre schwarzen Blöcke nicht.

Koks hingegen kann ein Risiko darstellen, wenn sein Schwefelgehalt hoch ist. Wenn es brennt, werden schwefelhaltige Gase freigesetzt, die nicht nur giftig sind, sondern auch zu saurem Regen beitragen. Und obwohl CO ₂ in kleinen Mengen uns nicht ersticken kann, hat es als Treibhausgas einen enormen Einfluss auf die Umwelt.

Aus dieser Perspektive ist Kohlenstoff eine „langfristige“ Gefahr, da seine Verbrennung das Klima unseres Planeten verändert.

Im physikalischen Sinne können feste oder kohlenstoffhaltige Materialien, wenn sie pulverisiert werden, leicht durch Luftströmungen transportiert werden. und folglich werden sie direkt in die Lunge eingeführt, was sie irreparabel schädigen kann.

Im Übrigen ist es sehr üblich, "Holzkohle" zu konsumieren, wenn etwas gekocht wird.

Verweise

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