Kohlenstoff

Kohlenstoff ist das chemische Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6. Er gehört zur Kohlenstoffgruppe des Periodensystems und steht in der zweiten Periode. In der Natur tritt er sowohl elementar als Diamant, Graphit oder Chaoit als auch gebunden in Carbiden, Carbonaten, Kohlenstoffdioxid, Erdöl, Erdgas und Kohle auf. Seine Elektronenkonfiguration ermöglicht die Bildung außerordentlich vieler Verbindungen und macht ihn zur Basis der organischen Chemie und damit des Lebens.

Vorkommen und Kreislauf

Kohlenstoff ist ein Schlüsselelement der Biosphäre und nach Sauerstoff der wichtigste Massenbestandteil lebender Materie. Geologisch ist er in der Erdkruste mit nur etwa 0,027 Prozent vertreten. Elementare Formen finden sich als Diamant vor allem in Afrika und Russland sowie als Graphit in metamorphem Gestein mit Vorkommen unter anderem in Indien und China. Ein Großteil des globalen Kohlenstoffs liegt als anorganisches Carbonatgestein vor, etwa in Kalkstein, Dolomit, Marmor, Eisenspat oder Zinkspat, und bildet teilweise ganze Gebirge wie die Dolomiten. Bedeutende Kohlenstofflager sind auch die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas, die aus umgewandelten organischen Resten hervorgegangen sind.

In der Atmosphäre erscheint Kohlenstoff als Kohlenstoffdioxid, gebildet durch Verbrennung, Atmung und Vulkantätigkeit und aufgenommen durch Photosynthese. Ein Teil ist im Meerwasser gelöst. Seit Beginn der Industrialisierung steigt der CO₂-Anteil der Luft, da zusätzlich langfristig gebundener Kohlenstoff freigesetzt wurde. Mengenmäßig befindet sich der weitaus größte Anteil des gesamten Kohlenstoffs in der Lithosphäre.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoff bildet mehrere allotrope Modifikationen, deren Grundtypen Diamant und Graphit sind. Diamant besitzt ein dreidimensional kovalent verknüpftes Gitter, ist transparent, elektrisch isolierend und das härteste natürliche Material. Graphit besteht aus stark gebundenen Basalebenen mit schwacher Wechselwirkung zwischen den Ebenen. Entlang der Ebenen ist er elektrisch und thermisch gut leitfähig und lässt sich leicht spalten. Die bekannten Schmiereigenschaften treten in Anwesenheit von Feuchtigkeit auf, während trockene Bedingungen zu stark erhöhter Reibung führen.

Bei Normaldruck ist Graphit unterhalb von etwa 4000 Kelvin thermodynamisch stabil. Diamant bleibt wegen hoher Aktivierungsbarrieren bei Raumtemperatur bestehen und wandelt sich erst bei höheren Temperaturen merklich in Graphit um. Die Umwandlung von Graphit zu Diamant erfordert sehr hohen Druck und hohe Temperatur. Kohlenstoff zeigt die höchste Temperaturbeständigkeit bekannter Materialien und sublimiert bei Normaldruck bei rund 3915 Kelvin. Er ist diamagnetisch und kann je nach Form extrem harte oder sehr weiche Eigenschaften aufweisen. Seine Wärmeleitfähigkeit erreicht bei Raumtemperatur außergewöhnlich hohe Werte.

Chemische Eigenschaften und Bindung

Molekularer Kohlenstoff ist bei Raumtemperatur wenig reaktiv. Reaktionen setzen meist hohe Temperaturen voraus. Kohlenstoff kann oxidierend oder reduzierend wirken und wird wegen seiner reduzierenden Stärke in der Metallurgie genutzt. Entscheidend ist seine Fähigkeit zur Ketten und Ringbildung und zur Ausbildung von Einfach, Doppel und Dreifachbindungen unter Beteiligung von π-Orbitalen. Die Reaktivität hängt von Temperatur, Modifikation und Dispersion ab.

Elektronenstruktur und Hybridisierung

Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Zwei besetzen die 1s Schale, vier liegen in der zweiten Schale und bestimmen die Chemie. Durch Hybridisierung entstehen sp3, sp2 oder sp Orbitale.

sp3 und Diamantstruktur

Aus einem 2s und drei 2p Niveaus entstehen vier gleichwertige sp3 Orbitale, die tetraedrisch ausgerichtet sind. Ihre Überlappung führt zu starken kovalenten Bindungen und bildet das Diamantgitter.

sp2 und Graphitstruktur

Bei sp2 Hybridisierung richten sich drei Orbitale trigonal in einer Ebene aus, das verbleibende p Orbital steht senkrecht darauf und bildet π-Bindungen. So entstehen planare Netze mit delokalisierten Elektronen, die die Leitfähigkeit und die typische Spaltbarkeit des Graphits erklären. In Sechsringstrukturen stabilisieren delokalisierte π-Elektronen die Bindung.

sp und Dreifachbindungen

Bei sp Hybridisierung entstehen linear ausgerichtete Orbitale. Zwei Atome können eine Dreifachbindung ausbilden, wie beim Ethin. Solche Einheiten bilden lineare Ketten.

Erscheinungsformen und Modifikationen

Graphit

Sp²-gebundene Schichten ergeben ein stark anisotropes Material, da die Leitfähigkeit entlang der Ebenen hoch, senkrecht dazu jedoch gering ist. Außerdem ist die leichte Spaltbarkeit makroskopisch prägend.

Diamant

Sp3 gebundener Kohlenstoff besitzt keine freien Elektronen. Diamant ist ein Isolator mit großer Bandlücke. Fremdatome verändern Farbe und elektrische Eigenschaften, zum Beispiel Stickstoff gelblich oder Bor bläulich und halbleitend. Unter Luftabschluss kann Diamant bei hohen Temperaturen in Graphit übergehen und verbrennt bereits deutlich darunter zu Kohlenstoffdioxid. Die Frage nach der genauen Stabilität unter Standardbedingungen wird in der Forschung weiter diskutiert.

Lonsdaleit und Chaoit

Lonsdaleit ist ein seltener, hexagonaler Diamant, der aus Graphit durch Schockereignisse entsteht. Chaoit ist selten und kristallisiert hexagonal, wobei er abweichende Parameter aufweist, und bildet sich unter schockmetamorphen Bedingungen in graphitischem Gestein.

Weitere kohlenstoffbasierte Materialien

Amorpher Kohlenstoff, Fasern und Glaskohlenstoff

Amorpher Kohlenstoff bildet Netzwerke ohne Fernordnung. Je nach Anteil sp2 zu sp3 lassen sich Eigenschaften von graphitähnlich bis diamantähnlich einstellen. Industriell werden dazu Begriffe wie Diamond like Carbon oder tetraedrisch amorpher Kohlenstoff verwendet. Kohlenstofffasern bestehen aus graphitartig gebundenem Kohlenstoff. Durch Ausrichtung der Basalebenen entstehen sehr leichte und steife Fasern für Verbundwerkstoffe. Glaskohlenstoff vereint glasartige, keramische und graphitähnliche Eigenschaften auf Basis einer fullerenartigen Mikrostruktur.

Moderne Kohlenstoffformen und Nanomaterialien

Graphen bezeichnet eine einzelne Basalebene des Graphits und dient damit als Ausgangspunkt für zweidimensionale Materialien sowie für neue Verbunde. Außerdem besitzt Aktivkohle eine sehr große innere Oberfläche und adsorbiert sowohl gelöste Stoffe als auch Gase. Darüber hinaus besteht Ruß aus graphitbasierten Partikeln, deren Eigenschaften von der Reinheit abhängen. Schließlich sind Kohlenstoffnanoröhren aus aufgerollten Graphenlagen aufgebaut und können entweder einwandig oder mehrwandig vorliegen. Weitere Systeme verbinden Nanoröhren mit Fullerenen oder bilden netzartige Nanoschäume sowie extrem leichte Aerographitstrukturen. Nicht graphitischer Kohlenstoff besteht aus turbostratisch gestapelten Graphenschichten ohne Fernordnung. Linear verkettete Carbinstrukturen wurden in doppelwandigen Nanoröhren erzeugt. Q Carbon ist eine künstlich hergestellte diamantartige Form mit besonderen mechanischen und magnetischen Eigenschaften. Molekularer Dikohlenstoff trägt zur blauen Flammenfarbe bei und prägt grüne Kometenfarben. Trikohlenstoff wurde im interstellaren Raum und in Kometenschweifen spektroskopisch nachgewiesen. Harter Kohlenstoff zeigt hohe Mikroporosität und bleibt auch bei sehr hohen Temperaturen nicht graphitisierbar.

Isotope

Bekannt sind Isotope von 8C bis 23C. Natürlich stabil sind 12C und 13C. 12C definiert die atomare Massenskala, 13C ist in der NMR messbar und sein Verhältnis zu 12C dient als geochemischer Marker. 14C entsteht in der Atmosphäre aus 14N durch kosmische Strahlung und ermöglicht über seinen Zerfall die Altersbestimmung organischer Materialien durch die Radiokarbonmethode. In graphitmoderierten Reaktoren können durch Neutroneneinfang die Anteile von 13C und 14C ansteigen, was zu neuen Nutzungskonzepten für langlebige Radionuklidbatterien geführt hat. Das kurzlebige 11C wird in der Positronen Emissionstomografie eingesetzt.

Verbindungen

Kohlenstoff bildet mit Abstand die meisten Verbindungen nach Wasserstoff, wodurch er eine zentrale Rolle in der Chemie einnimmt. Sowohl die organische Chemie als auch die Biochemie untersuchen die riesige Vielfalt dieser Stoffe, die von einfachen Alkanen wie Methan und Ethan bis hin zu komplexen Biomolekülen reicht. Zur anorganischen Seite zählen Carbide, die oft eine große Härte besitzen, sowie Kohlenstoffmonoxid, das als giftiges Reduktionsmittel in der Metallurgie eingesetzt wird. Außerdem gehören Kohlenstoffdioxid, das ein wichtiges Treibhausgas ist, und Kohlensäure dazu, aus der Hydrogencarbonate und Carbonate entstehen, die wiederum geologisch bedeutende Mineralbildner sind. Weitere wichtige Gruppen sind Verbindungen mit Schwefel wie Kohlenstoffdisulfid und Cyanide mit starker toxischer Wirkung.

Der vorliegende Text stellt eine vollständig überarbeitete und neu strukturierte Fassung des Wikipedia-Artikels „Kohlenstoff“ dar. Er unterliegt der Lizenz CC BY-SA 3.0 und enthält keine inhaltlichen Ergänzungen über die Originalquelle hinaus. Stand: 05.10.2025