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Kohlenstoff

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Die Autor/-innen
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André Otto
Kohlenstoff
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Kohlenstoff

Kohlenstoff

Das chemische Element Kohlenstoff tritt in den unterschiedlichsten Erscheinungsformen auf. Es wird mit dem Symbol $C$ dargestellt, das sich von dem lateinischen Wort carboneum ableitet. Der Bereich der organischen Chemie ist ausschließlich eine Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Einige wichtige Kohlenstoffverbindungen gehören aber in den Bereich der anorganischen Chemie. Die Kohlenstoff-Chemie ist die vielfältigste Chemie überhaupt.

Vorkommen von Kohlenstoff

Der Kohlenstoffanteil an der Erdkruste beträgt weniger als 0,1 Prozent. Einen großen Anteil davon nimmt der Kalkstein ein, in der Chemie als Calciumcarbonat ($CaCO_3$) bekannt. Kohlenstoff kommt aber auch in der Luft in Form des Gases Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) vor sowie in vielen chemischen Verbindungen der Pflanzen und Tiere. Als Diamant oder Graphit kommt Kohlenstoff auch in gediegener Form, also als reiner Kohlenstoff, vor. Außerdem trifft man den Kohlenstoff in der Kohle, im Erdöl und im Erdgas an.

Modifikationen des Kohlenstoffs

Das chemische Element Kohlenstoff kommt in vier Modifikationen vor. Graphit und Diamant sind die mit Abstand wichtigsten Modifikationen.

  • In der Modifikation als Diamant bilden die Kohlenstoffatome ein Diamantgitter. Darin ist jedes Kohlenstoffatom mit vier anderen Kohlenstoffatomen in der geometrischen Form eines Tetraeders verknüpft.
  • Graphit besteht in seiner Struktur aus Schichten, die nicht genau übereinander, sondern etwas versetzt vorliegen. In den Schichten sind die regelmäßigen Sechsecke aus Kohlenstoffatomen in der Art einer Bienenwabe verknüpft.
  • Graphen ist eine künstlich hergestellte Modifikation, die mit Graphit verwandt ist. Sie besteht jedoch nur aus einer Schicht.
  • Die Fullerene sind spezielle dreidimensionale Moleküle aus Kohlenstoff, die einen Hohlraum ausbilden. Sie werden ebenfalls künstlich hergestellt. Das Fulleren‑Molekül $C_{60}$ besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die in der Form eines Fußballs miteinander verknüpft sind.

Modifikationen des Kohlenstoff Diamant Graphit Fulleren

Die Stellung von Kohlenstoff im Periodensystem

Das Element Kohlenstoff hat im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl 6. Es steht in der zweiten Periode und gehört zu den Elementen der IV. Hauptgruppe. Kohlenstoff kann in Verbindungen in den Oxidationszahlen $+IV$, $-IV$ und seltener $+II$ auftreten.

Kohlenstoff – Eigenschaften

Steckbrief   Kohlenstoff
Atommasse $12,01~\frac{g}{mol}$
Dichte als Graphit: $\rho = 2,26~\frac{g}{cm^{3}}$
als Diamant: $\rho = 3,51 ~\frac{g}{cm^{3}}$
Sublimationspunkt $2642~ ^\circ C$
Härte als Graphit: sehr weich, Mohshärte-Skala: 1
als Diamant:sehr hart, Mohshärte-Skala: 10,0
Farbe als Graphit: schwarz
als Diamant: farblos

In der Tabelle sieht man, dass einige Eigenschaften wie Dichte, Farbe oder Härte von den Modifikationen des Kohlenstoffs abhängen. Ein Vergleich des Graphits mit dem Diamant zeigt, dass Graphit viel weicher ist als Diamant, der das härteste Material in der Natur ist. Für den Diamanten gibt es keine Schmelztemperatur und keinen Sublimationspunkt, da sich Diamant bei höheren Temperaturen in Graphit umwandelt. Wegen der schichtartigen Struktur kann Graphit den elektrischen Strom leiten, Diamanten sind dagegen Isolatoren.

Wichtige Kohlenstoffverbindungen in der anorganischen Chemie

  • Das Gas Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) ist in der Luft enthalten. Sein Gehalt in der Luft beeinflusst über den Treibhauseffekt das Erdklima.
  • Das Gas Kohlenstoffmonoxid ($CO$) spielt zusammen mit Wasserstoff eine bedeutende Rolle als Synthesegas bei der Herstellung der Grundchemikalie Methanol.
  • Die Kohlensäure ($H_2CO_3$) entsteht bei der Lösung von Kohlenstoffdioxid in Wasser. Du kennst sie als Bestandteil des Mineralwassers.
  • Die Carbonate sind die Salze der Kohlensäure. Am bekanntesten sind Kalk, das ist Calciumcarbonat ($CaCO_3$), Soda, das ist Natriumcarbonat ($Na_2CO_3$), und Pottasche, das ist Kaliumcarbonat ($K_2CO_3$). Natron kennst du vielleicht vom Backen, dabei handelt es sich um Natriumhydrogencarbonat ($NaHCO_3$), welches auch Bestandteil des Backpulvers ist.
  • Die Blausäure ($HCN$) ist ein wichtiger chemischer Grundstoff, aber auch sehr giftig. Das bekannteste Salz der Blausäure ist das Kaliumcyanid ($KCN$), besser bekannt als Zyankali.

Wichtige Kohlenstoffverbindungen in der organischen Chemie

Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Man kennt inzwischen viele Millionen dieser Verbindungen. Bei vielen dieser Verbindungen handelt es sich um Kohlenwasserstoffe wie die Alkane. Zu den organischen Kohlenstoffverbindungen, von denen du sicher schon gehört hast, zählen aber auch die Alkohole und die organische Säuren wie Essigsäure oder Fettsäuren. Auch Kunststoffe wie PVC, Medikamente wie Kopfschmerztabletten sowie viele, viele weitere Verbindungen sind Verbindungen des Kohlenstoffs.

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Übersicht zum Element Kohlenstoff, seinen Modifikationen und Verwendungen.

Übungen und Arbeitsblätter
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Kohlenstoff zu testen.

Transkript Kohlenstoff

Guten Tag und herzlich willkommen. Das heutige Video heißt Kohlenstoff mit lateinischem Namen Carboneum. Kohlenstoff ist ein chemisches Element und steht in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Kohlenstoff verfügt über vier Außenelektronen. Daraus ergeben sich die Wertigkeiten 4 und seltener 2. Die vier Außenelektronen bedeuten, dass Kohlenstoff die Bindigkeit 4 hat. Seine Oxidationszahlen liegen im Bereich von -4 bis +4. Das chemische Element Kohlenstoff kommt in 4 Modifikationen/Erscheinungsformen vor. Die erste Modifikation ist der Diamant. Das Diamantgitter besteht aus vielen aneinandergefügten Tetraedern. Auch den Graphit findet man in der Natur. Die Graphitstruktur besteht aus Schichten, die wie Honigwaben aus hexagonalen regelmäßigen Sechsecken aufgebaut sind. Das Graphitmolekül ist aus mehreren solcher Schichten aufgebaut. Unlängst wurde Graphiten entdeckt. Graphiten besteht aus einigen wenigen und im Extremalfall aus einer einzigen dieser hexagonalen Schichten. Die Fullerene kennt man seit etwa 1985. Fullerene sind dreidimensionale Moleküle, bestehend aus Kohlenstoffatomen, die bei kleineren Gebilden die Struktur eines Fußballs haben und bei größeren die eines größeren Hohlkörpers. Wir wollen nun Diamant und Graphit miteinander vergleichen. Diamant hat eine Dichte von 3,5g/cm³. Graphit ist leichter. Nur 2,3g/cm³ beträgt die Dichte. Die Härte nach Mohs trägt für Diamant 10. Es ist der härteste bekannte Stoff. Graphit gehört zu den weichsten Stoffen, die man kennt. Die Härte beträgt nur 1. Bei den Schmelztemperaturen kann man für Diamant keinen Wert nennen, weil sich Diamant bei höheren Temperaturen in Graphit umwandelt. Die Schmelztemperatur des Graphits ist die Höchste aller Schmelztemperaturen für bekannte chemischen Verbindungen, 3700°C. Beim Vergleich der elektrischen Leitfähigkeit stellt man fest, dass es sich beim Diamant um einen Isolator handelt. Wenn man die elektrische Leitfähigkeit des Graphits längs der einzelnen Schichten untersucht, so stellt man fest, dass es sich hier um einen Leiter handelt. Diamant und Graphit kommen in der Natur in reiner Form vor. Der Kohlenstoffanteil an der Erdkruste beträgt in gediegener und in gebundener Form zusammengenommen weniger als 1/10%. Einen großen Anteil davon nimmt der Kalkstein ein, Calciumcarbonat CaCo3. Kohlenstoff kommt in vielen chemischen Verbindungen im menschlichen Organismus, in Tieren und in Pflanzen vor. Außerdem trifft man den Kohlenstoff in der Kohle, im Erdöl und im Erdgas an. Wenn wir die anorganische Chemie betrachten, so stellt man fest, dass Kohlenstoff zu einem großen Teil im Kohlenstoffdioxid CO2, das in der Luft enthalten ist, vorkommt. Kohlenstoff kommt auch im Oxid CO Kohlenstoffmonoxid vor. Diese wird als Synthesegas verwendet oder für die Eisenherstellung benutzt. Kohlenstoff ist in gebundener Form in der Kohlensäure H2CO3 und deren Salzen, den Carbonaten enthalten. Wichtige Carbonate sind Soda Na2CO3, das ist Natriumcarbonat, Pottasche K2CO3, das ist Kaliumcarbonat und im Natron NaHCO3, das ist Natriumhydrogencarbonat. Außerdem möchte ich noch die Blausäure HCN und deren Salze, die Cyanide nennen. Ein industriell wichtiges Cyanid ist Kaliumcyanid. Umgangssprachlich auch Cyankali genannt, KCN. Die organische Chemie umfasst etwa 15 Millionen Verbindungen. Organische Chemie ist die Kohlenstoffchemie. Repräsentativ für die vielen Verbindungen, die wir tagein tagaus benutzen, möchte ich einige Vertreter nennen. Alkohol, Essigsäure, Ethylacetat, das ist im Nagellackentferner, Seife, Glycerin, das ist in medizinischen Zäpfen, Aspirin und Zitronensäure, Ethylenglycol, das ist in Frostschutzmitteln, Polyethylen, daraus wird Verpackungsmaterial hergestellt, Polyvinylchlorid, daraus werden viele Gebrauchsgegenstände gefertigt, Teflon, daraus besteht die Beschichtung von Bratpfannen, Polybutadien, daraus wird Synthesekautschuk hergestellt, Autoreifen, Diphenylphtalat, ein Mittel gegen Mücken, Penicillin, das klassische Antibiotikum, Doxicyclin, ein moderneres Breitbandantibiotikum. Man kann mit Fug und Recht sagen, dass es sich bei Kohlenstoff um das Element des Lebens handelt. Ich danke für eure Aufmerksamkeit, alles Gute. Auf Wiedersehen.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. danke für habe im test eine eins

    Von David T., vor etwa 2 Jahren
  2. Passt hilfreich

    Von Afra Zeynep, vor mehr als 4 Jahren
  3. gut

    Von Liesegang26, vor mehr als 7 Jahren

Kohlenstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kohlenstoff kannst du es wiederholen und üben.
  • Ergänze den Steckbrief des Kohlenstoffs.

    Tipps

    Vier ist die wichtigste Zahl, die man sich zum Kohlenstoff merken muss.

    Lösung

    Kohlenstoff ist das sechste Element des Periodensystems der Elemente. Es ist damit das erste Element der vierten Hauptgruppe und verfügt über vier Außenelektronen. Damit kann es diese vier Elektronen abgeben oder bis zu vier Elektronen aufnehmen, um zur nächsten Edelgas-Konfiguration zu kommen. Es ist daher sehr flexibel und kann mit sehr vielen Atomen anderer Elemente Verbindungen eingehen.

    Da es über vier Außenelektronen verfügt, bildet Kohlenstoff vier Einfachbindungen zu Nachbaratomen aus. Es kann daher Verknüpfungen in alle Raumrichtungen ausbilden und eignet sich zum Aufbau großer, raumfüllender Moleküle. Dies ist beim Diamantgitter der Fall und auch bei vielen anderen organischen Verbindungen.

    Das ist der Grund dafür, dass Kohlenstoff am Aufbau fast aller in der Biologie vorkommenden Verbindungen beteiligt ist.

  • Benenne die Verbindungen des Kohlenstoffs.

    Tipps

    Die Bezeichnung -dioxid verrät dir, dass zwei Sauerstoffatome enthalten sein müssen.

    Der englische Name von Kalium (K) ist Potassium und leitet sich vom Namen der Verbindung $K_2CO_3$ ab.

    Lösung

    Sicher ist dir schon aufgefallen, dass manche Namen von Verbindungen dir mitteilen, wie diese aufgebaut sind. Dies ist zum Beispiel beim Namen Kohlenstoffdioxid der Fall. Du siehst sofort, dass Kohlenstoff enthalten ist, Dioxid ist die Bezeichnung für Verbindungen, die zwei Sauerstoffatome enthalten.

    Andere Namen lassen sich nicht so einfach merken. Sie sind nach ihrem Vorkommen oder nach ihrem Entdecker benannt. Diese Namen nennt man Trivialnamen und man muss sie lernen wie Vokabeln. Manchmal gibt es gute Eselsbrücken: Blausäure, $HCN$, ist ein starkes Atemgift und trägt seinen Namen, weil man nach dem Einatmen schnell blau anläuft und stirbt. Der Name Pottasche für $K_2CO_3$ ist mit dem englischen Namen von Kalium, nämlich Potassium, verwandt.

  • Entscheide, um welche Verbindung es sich handelt.

    Tipps

    Von einer Schicht spricht man, wenn die Atome annähernd in einer Ebene liegen.

    Lösung

    Bei der dargestellten Verbindung handelt es sich um ein Fulleren. Man kann sich das wie eine aufgerollte Graphen-Schicht vorstellen: Auch im Fulleren bilden die Kohlenstoffatome Sechsecke, teils jedoch auch Fünfecke. Diese liegen jedoch anders als beim Graphen nicht in einer Ebene, sondern der Winkel zwischen zwei benachbarten Sechsecken ist kleiner als 180°. Dies ergibt eine ähnliche Struktur wie bei einem Fußball, da sich die Sechsecke so zu einer Kugel schließen.

    In diesem Fulleren sind 60 Kohlenstoffatome enthalten. Es ist nach einem Architekten benannt und heißt Buckminster-Fulleren. An jedes Fünfeck schließen fünf Sechsecke an, und jedes Sechseck ist von drei Sechsecken und drei Fünfecken umgeben. Diese Struktur ist besonders stabil und wird auch für Kuppeln von Gebäuden verwendet.

  • Bestimme, in welche Raumrichtungen Graphit leitfähig ist.

    Tipps

    Graphit leitet den elektrischen Strom innerhalb der Schichten.

    Lösung

    Der elektrische Strom wird im Graphit über die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen übertragen. Daher wird der elektrische Strom nur in Richtung der Schichten geleitet. In dem Bild sind die Schichten in der x-y-Ebene ausgerichtet. Daher wird der Strom in x-Richtung und in y-Richtung geleitet.

    In z-Richtung gibt es keine Bindungen zwischen den C-Atomen. Daher ist Graphit in dieser Richtung ein Isolator, in z-Richtung liegt also keine Leitfähigkeit vor.

  • Gib an, in welchen der folgenden Stoffe Kohlenstoff enthalten ist.

    Tipps

    Seifen sind aus organischen Verbindungen aufgebaut.

    Lösung

    Obwohl Kohlenstoff nur einen geringen Anteil am Material hat, aus dem die Erde besteht, kommt er in fast allen Stoffen vor, die uns im Alltag begegnen. Auf der Basis von Kohlenstoffgerüsten sind die meisten Naturstoffe aufgebaut – Holz, pflanzliche und tierische Organe, alle Zellbestandteile und vieles mehr. Auch viele der Werkstoffe, die der Mensch herstellt, enthalten Kohlenstoff: von den Energieträgern, wie Erdgas, Benzin oder Kohle, über Kunststoffe, Kleidung und sogar als Bestandteil von Stahl.

    Kohlenstoff ist also in so vielen Alltagsgegenständen zu finden, dass es schwer fällt, etwas zu finden, worin kein Kohlenstoff enthalten ist.

  • Erkläre den Zusammenhang zwischen den Strukturen von Graphit und Diamant.

    Tipps

    Ein Würfel hat sechs Ecken, ein Tetraeder vier.

    Lösung

    Zwischen den Strukturen von Graphit und Diamant gibt es Gemeinsamkeiten. In beiden Strukturen liegen hexagonale Schichten von Kohlenstoffatomen vor. Im Graphit sind diese Schichten in einer Ebene, im Diamant sind die Kohlenstoffatome abwechselnd nach oben und nach unten verschoben. Dadurch ergibt sich eine Struktur, die man als Sesselstruktur bezeichnet.

    Im Graphit sind die Schichten weit auseinander, es gibt keine Bindungen zwischen den Schichten. Die Schichten sind gegeneinander verschoben, die Kohlenstoffatome liegen jedoch trotzdem genau übereinander.

    Im Diamant gibt es Bindungen zwischen den Schichten. Jedes Kohlenstoffatom ist entweder mit der darüber liegenden oder mit der darunter liegenden Schicht verbunden, je nach dem, ob es nach oben oder nach unten zeigt.

    Man kann also von der Graphit-Struktur zur Diamant-Struktur kommen, indem man die Kohlenstoffatome in jeder Schicht des Graphits abwechselnd nach oben und nach unten verschiebt, sodass sich die Kohlenstoffatome benachbarter Schichten aufeinander zu bewegen.

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