Kohlenstoff

Kohlenstoff Übung

• 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.