Kohlenstoff

Kohlenstoff Definition

Nomen
Plural: Kohlenstoff
Kohlenstoff, /ˈkɑɹbən/

(Biochemie) Das chemische Element mit der Ordnungszahl 6, das weit verbreitet ist und in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff usw. organische Verbindungen bildet.

Etymologie: Lateinisch carbō („Holzkohle“, „Kohle“). Symbol: C

Übersicht

Kohlenstoff ist eines der in der Natur vorkommenden chemischen Elemente. Ein chemisches Element ist die reine Substanz einer Atomart. Gegenwärtig sind 94 Elemente natürlich und 24 synthetisch. Kohlenstoff ist zusammen mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff eines der häufigsten Elemente in Lebewesen.

Eigenschaften von Kohlenstoff

Kohlenstoff ist das sechste Element im Periodensystem. Sein Atomgewicht beträgt 12,011. Sein Symbol ist C. Sein Sublimationspunkt liegt bei 3642 °C. Kohlenstoff ist ein Nichtmetall. Seine Ordnungszahl ist 6. Er gehört zur Gruppe 14 des Periodensystems. Er kann als Atom oder als reines Element vorkommen. Je nach Strukturkonfiguration unterscheiden sich die Allotrope des Kohlenstoffs morphologisch. Graphit ist zum Beispiel undurchsichtig und schwarz, während Diamant durchsichtig ist. Kohlenstoff ist vierwertig, das heißt, er hat eine Wertigkeit von vier Elektronen. Er kann so viele Verbindungen eingehen, dass er als König der Elemente bezeichnet wird.

Entdeckung des Kohlenstoffs

Kohlenstoff ist ein polyatomares Nichtmetall, das manchmal als metalloides Element betrachtet wird. Es wurde zuerst von den Ägyptern und Sumerern (3750 v. Chr.)1 entdeckt, aber erst von Antoine Lavoisier (1789)2 als Element erkannt.

Kohlenstoffhaltige Substanzen

Kohlenstoff ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde. Er hat drei natürlich vorkommende Isotope: Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14. Kohlenstoff kann mit anderen Kohlenstoffatomen reagieren und Allotrope bilden. Er kann auch mit Atomen oder Gruppen von Atomen anderer Elemente interagieren, um Verbindungen zu bilden. Kohlenstoffhaltige Verbindungen können als organisch oder anorganisch klassifiziert werden.

Isotope

Isotope bezeichnen zwei oder mehr Formen desselben Elements. Sie haben die gleiche Anzahl von Protonen, unterscheiden sich aber in der Anzahl der Neutronen in ihren Kernen. Daher unterscheiden sie sich in ihrer Atommassenzahl. Dennoch weisen sie nahezu identische chemische Eigenschaften auf. Zu den natürlich vorkommenden Kohlenstoffisotopen gehören Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 sind stabile Isotope. Kohlenstoff-14 ist ein Radioisotop, d. h. ein radioaktives Isotop. Ein Radioisotop zerfällt in andere Elemente durch einen Prozess, der radioaktiver Zerfall genannt wird. Bei diesem Prozess verliert der instabile Atomkern des Radioisotops Energie, indem er Strahlung abgibt. Kohlenstoff-14 ist ein Betastrahler mit einer Halbwertszeit von etwa 5.715 Jahren. Es wird häufig als Tracer bei der Untersuchung verschiedener Aspekte des Stoffwechsels verwendet. Dieses natürlich vorkommende Isotop aus dem Beschuss durch kosmische Strahlen kann zur Datierung von Relikten verwendet werden, die natürliche kohlenstoffhaltige Materialien enthalten. Kohlenstoff-11 ist ein synthetisches Isotop, das im Zyklotron erzeugt wird. Es ist ein Positronen emittierendes Radioisotop des Kohlenstoffs mit einer Halbwertszeit von 20,3 Minuten, das in der Positronentomographie verwendet wird.

Allotrop

Ein Allotrop eines Elements ist eine der vielen Substanzen, die von nur einer Art von Element gebildet werden. Die Allotrope können sich jedoch in ihrer Struktur unterscheiden. So sind zum Beispiel Kohle, Graphit und Diamanten Allotrope des Kohlenstoffs. Obwohl sie nur aus einer einzigen Art von Element, nämlich Kohlenstoff, bestehen, unterscheiden sie sich in ihren physikalischen Eigenschaften. So ist Graphit beispielsweise undurchsichtig, während Diamant durchsichtig ist. Graphit ist weich, während Diamant als der härteste natürlich vorkommende Stoff gilt. Graphit ist ein guter elektrischer Leiter, während Diamant dies nicht ist. Allotrope sind jedoch keine Verbindungen, sondern reine Elemente.

Organische Verbindungen

Organische Verbindungen wurden ursprünglich als Stoffe definiert, die nur von lebenden Organismen produziert werden. Diese Definition wurde jedoch später als falsch angesehen, da es Stoffe gibt, die sowohl von lebenden als auch von unbelebten Dingen produziert werden können. So wurde eine organische Verbindung schließlich definiert als „eine Verbindung, die kovalent an andere Atome gebundenen Kohlenstoff enthält“, insbesondere Kohlenstoff-Kohlenstoff (C-C) und Kohlenstoff-Wasserstoff (C-H) (wie in Kohlenwasserstoffen). Es gibt viele Möglichkeiten, organische Verbindungen zu klassifizieren. Eine davon basiert darauf, wie sie synthetisiert werden. Eine natürliche organische Verbindung (oder einfach eine natürliche Verbindung) ist eine Verbindung, die auf natürliche Weise hergestellt wird, z. B. durch Pflanzen oder Tiere. Eine synthetische organische Verbindung (oder synthetische Verbindung) ist eine organische Verbindung, die durch chemische Manipulationen (chemische Reaktionen) hergestellt wird. Beispiele für natürliche organische Verbindungen sind Zucker, Enzyme, Hormone, Lipide, Antigene, Fettsäuren, Neurotransmitter, Nukleinsäuren, Proteine, Peptide, Aminosäuren, Vitamine, Lektine, einige Alkaloide und Terpenoide usw. Beispiele für synthetische organische Verbindungen sind synthetische Polymere wie Kunststoffe und Kautschuk.

Anorganische Verbindungen

Eine allgemeine Beschreibung einer anorganischen Verbindung ist eine Verbindung, der Kohlenstoffatome fehlen und die archaischerweise nicht von einem Lebewesen hergestellt wird. Später wird sie als eine Verbindung definiert, die keine kovalenten C-C- und C-H-Bindungen aufweist. Einige der kohlenstoffhaltigen Verbindungen, die als anorganisch bezeichnet werden, sind Carbonate, Cyanide, Cyanate, Carbide, Thiocyanate, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im Universum, nach den Elementen Wasserstoff, Helium und Sauerstoff. Was die Erdkruste betrifft, so ist Kohlenstoff das 15. häufigste Element. Kohlenstoff ist also weit verbreitet und wird von einer Form in die andere umgewandelt. Der Kohlenstoffkreislauf ist einer der biogeochemischen Kreisläufe, die auf der Erde stattfinden. Kohlenstoff durchläuft die Lithosphäre, die Hydrosphäre und die Atmosphäre.

In der Atmosphäre existiert Kohlenstoff hauptsächlich in Form von Kohlendioxid und Methan. Diese beiden sind die Hauptfaktoren, die für den Treibhauseffekt verantwortlich sind. Kohlendioxid gilt als wichtiges Treibhausgas, mehr noch als Methan. Die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre ist im Laufe der Jahre gestiegen, und einer der Hauptfaktoren, die zu diesem Anstieg geführt haben, sind menschliche Aktivitäten, z. B. die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die Herstellung von Beton, die Abholzung von Wäldern usw.

Unter terrestrischen Bedingungen ist die Menge an Kohlenstoff relativ konstant. Kohlenstoff kommt in Organismen (etwa 500 Gigatonnen Kohlenstoff) und in Böden (etwa 1500 Gigatonnen Kohlenstoff) vor und wird dort gespeichert. Organischer Kohlenstoff wird von lebenden Organismen verwertet, insbesondere von photoautotrophen Organismen. Photoautotrophe Organismen wie Pflanzen und Cyanobakterien verwenden Kohlendioxid als wichtigen Reaktionspartner, um durch Photosynthese Zucker zu erzeugen. Da Lebewesen aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen bestehen, werden sie durch Zersetzung in kleinere, einfachere Verbindungen zerlegt, wenn sie sterben. Lebende Organismen scheiden auch Material aus, das als organisches Material (Materie) betrachtet wird. Organische Stoffe sind alle in der Natur vorkommenden Verbindungen auf Kohlenstoffbasis. Diese organischen Stoffe von Lebewesen werden zu einem Teil der Umwelt. So ist organische Materie im Ökosystem, z. B. im Bodenökosystem, reichlich vorhanden. Sie gelangt in den Boden oder in das Grundwasser, wo sie dann als Nahrungsquelle für lebende Organismen dient.
Neben diesen biogenen Quellen wird Kohlendioxid auch aus anderen natürlichen Quellen wie Vulkanen, heißen Quellen und Geysiren erzeugt. Vor allem Vulkane stoßen pro Jahr etwa 0,2 bis 0,3 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus. In Wasser und Säuren aufgelöstes Karbonatgestein ist ebenfalls eine Quelle für Kohlendioxid. Bei einem Druck von über 5,1 atm löst sich Kohlendioxid in verschiedenen Gewässern. Es kehrt als Gas in die Atmosphäre zurück, wenn der Druck sinkt.

Biologische Bedeutung

Kohlenstoff wird aufgrund seiner chemischen Eigenschaften oft als Grundlage des Lebens auf der Erde angesehen. Im menschlichen Körper ist er nach Sauerstoff das zweithäufigste Element nach Masse. Kohlenstoff macht etwa 18,5 % des erwachsenen menschlichen Körpers aus.

Siehe auch

• Kovalente Bindung
• Organische Verbindung
• Organische Materie
• Anorganische Verbindung

Referenz