Einführung in die Chemie

Begriffe

• HalbwertszeitIn einem radioaktiven Zerfallsprozess ist die Zeitspanne, die erforderlich ist, um die Hälfte des ursprünglichen (nicht zerfallenen) Materials zu erhalten.
• radiometrische DatierungEine Technik, die zur Datierung von Materialien verwendet wird, indem die natürliche Häufigkeit radioaktiver Atome mit ihren verbleibenden Zerfallsprodukten verglichen wird.
• AllotropeUnterschiedliche Formen eines chemischen Elements, die in seinem natürlichen Zustand vorkommen.

Kohlenstoff ist das chemische Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6 (enthält 6 Protonen in seinem Kern). Als Mitglied der Gruppe 14 des Periodensystems ist es nichtmetallisch und vierwertig, d.h. es stehen vier Elektronen zur Verfügung, um kovalente chemische Bindungen einzugehen. Das häufigste Isotop des Kohlenstoffs hat 6 Protonen und 6 Neutronen und hat eine Atommasse von 12,0107 amu. Seine Elektronenkonfiguration im Grundzustand ist 1s22s22p2. Seine Oxidationsstufe reicht von 4 bis -4, und seine Elektronegativität liegt bei 2,55 auf der Pauling-Skala. Es ist ein Feststoff und sublimiert bei 3.642 °C (es hat den höchsten Sublimationspunkt aller Elemente).

Kohlenstoff-Allotrope

Kohlenstoff hat mehrere Allotrope, also verschiedene Formen, in denen er existiert. Interessanterweise decken die Kohlenstoff-Allotrope ein breites Spektrum an physikalischen Eigenschaften ab: Diamant ist die härteste natürlich vorkommende Substanz, und Graphit ist eine der weichsten bekannten Substanzen. Diamant ist transparent, das ultimative Schleifmittel und kann ein elektrischer Isolator und Wärmeleiter sein. Im Gegensatz dazu ist Graphit undurchsichtig, ein sehr gutes Schmiermittel, ein guter elektrischer Leiter und ein Wärmeisolator. Allotrope Kohlenstoffe sind nicht auf Diamant und Graphit beschränkt, sondern umfassen auch Buckyballs (Fullerene), amorphen Kohlenstoff, glasartigen Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoschaum, Nanotubes und andere.

Chemische Reaktivität von Kohlenstoff

Kohlenstoffverbindungen bilden die Grundlage allen bekannten Lebens auf der Erde, und der Kohlenstoff-Stickstoff-Kreislauf liefert einen Teil der von der Sonne und anderen Sternen erzeugten Energie. Kohlenstoff hat eine Affinität zur Bindung mit anderen kleinen Atomen, einschließlich anderer Kohlenstoffatome, durch die Bildung stabiler, kovalenter Bindungen. Obwohl er in einer Vielzahl von Verbindungen vorkommt, ist Kohlenstoff im Vergleich zu anderen Elementen unter normalen Bedingungen nur schwach reaktiv. Bei Standardtemperatur und -druck ist er oxidationsbeständig; er reagiert nicht mit Schwefelsäure, Salzsäure, Chlor oder Alkalimetallen. Bei höheren Temperaturen reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffoxiden und mit Metallen zu Metallcarbiden.

Kohlenstoff hat die Fähigkeit, sehr lange Ketten aus starken und stabilen, miteinander verbundenen C-C-Bindungen zu bilden. Diese Eigenschaft erlaubt es dem Kohlenstoff, eine fast unendliche Anzahl von Verbindungen zu bilden; tatsächlich gibt es mehr bekannte kohlenstoffhaltige Verbindungen als alle Verbindungen der anderen chemischen Elemente zusammen, mit Ausnahme derjenigen des Wasserstoffs (weil fast alle organischen Verbindungen auch Wasserstoff enthalten).

Kohlenstoffisotope

Kohlenstoff hat zwei stabile, natürlich vorkommende Isotope: Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13. Kohlenstoff-12 macht 98,93 % aus und Kohlenstoff-13 bildet die restlichen 1,07 %. Die Konzentration von 12C ist in biologischen Materialien noch höher, da biochemische Reaktionen 13C diskriminieren. Die Identifizierung von Kohlenstoff in NMR-Experimenten erfolgt mit dem Isotop 13C. 14C ist ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffs mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Es hat eine sehr geringe natürliche Häufigkeit (0,0000000001%) und zerfällt durch Betazerfall zu 14N. Es wird in der radiometrischen Datierung verwendet, um das Alter von Kohlenstoffproben (physikalischen oder biologischen Ursprungs) bis zu einem Alter von etwa 60.000 Jahren zu bestimmen.

Insgesamt sind 15 Kohlenstoffisotope bekannt, von denen das kurzlebigste 8C ist, das durch Protonenemission und Alphazerfall zerfällt und eine Halbwertszeit von 1,98739 x 10-21 Sekunden hat. Das exotische 19C weist einen Kernhalo auf, was bedeutet, dass sein Radius deutlich größer ist, als man erwarten würde, wenn der Kern eine Kugel mit konstanter Dichte wäre.