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Kohlenstoff


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Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle oder lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element
Eigenschaften
Bor - Kohlenstoff - Stickstoff
 
C
Si   
 
 

Allgemein
Name Symbol Ordnungszahl Kohlenstoff C 6
Serie Nichtmetalle
Gruppe Periode Block 14 (IVA) 2 p
Dichte Mohshärte 2267 kg/m 3
0.5 (Graphit)
10.0 (Diamand)
Aussehen schwarz (Graphit)
farblos (Diamand)
Atomar
Atomgewicht 12.0107 amu
Atomradius (berechnet) 70 (67) pm
Kovalenter Radius 77 pm
van der Waals-Radius 170 pm
Elektronenkonfiguration [ He ]2 s 2 2p 2
e - 's pro Energieniveau 2 4
Oxidationszustände ( Oxid ) 4 2 (leicht sauer )
Kristallstruktur hexagonal
Physikalisch
Aggregatzustand ( Magnetismus ) fest ( unmagnetisch )
Schmelzpunkt 3773 K (3500° C )
Siedepunkt 5100 K (4827°C)
Molares Volumen 5.29 × 10 -6 m 3 /mol
Verdampfungswärme 355.8 kJ/mol ( sublimiert )
Schmelzwärme k.A. ( sublimiert )
Dampfdruck 0 Pa
Schallgeschwindigkeit 18350 m/s
Verschiedenes
Elektronegativität 2.55 ( Pauling-Skala )
Spezifische Wärmekapazität 710 J/(kg*K)
Elektrische Leitfähigkeit 0.061 × 10 6 /m Ohm
Wärmeleitfähigkeit 129 W/(m*K)
1. Ionisierungsenergie 1086.5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 2352.6 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 4620.5 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 6222.7 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie 37831 kJ/mol
6. Ionisierungsenergie 47277.0 kJ/mol
Stabilste Isotope
Isotop NH t 1/2 ZM ZE M eV ZP
12 C 98.9% C ist stabil mit 6 Neutronen
13 C 1.1% C ist stabil mit 7 Neutronen
14 C in Spuren 5730 y beta - 0.156 14 N
SI -Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt
sofern nicht anders angegeben.

Inhaltsverzeichnis

Modifikationen des Kohlenstoff

Elementarer Kohlenstoff kommt in zwei Modifikationen vor: Diamant und Graphit . Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
Graphit ist ein guter elektrischer Halbleiter von tiefschwarzer Farbe. Er ist leicht und dient als Schmiermittel.
Diamant ist ein sehr guter Isolator transparent. Diamant ist das härteste bekannte Material wird als Schleifmittel eingesetzt.
Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich diese Grundtypen zurückführen (s.u.).

Atommodell des Kohlenstoffs

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der des Kohlenstoffs kommt.

Kohlenstoff besitzt 6 Elektronen. Nach dem Schalenmodell besetzen 2 Elektronen die innere 1s -Schale. Das 2s -Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls 2 auf 2 weitere das 2px - und 2py - Niveau. Nur die 4 äußeren Elektronen zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung. Die der Elektronen in einem s -Niveau ist kugelförmig. In einem p -Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern tropfenförmigen Raum jeweils einen Tropfen links und vom Zentrum entlang der x-Achse wenn man das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py - und pz -Orbital.

Diamant ( sp 3 ) Struktur

Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem zueinander aus.

Wird ein Kohlenstoff-Atom in einen angeregten versetzt hybridisieren die s und p Niveaus und bilden gemeinsam neue Aufenthaltswahrscheinlichkeiten die Elektronen aus. Beteiligen sich das s - und alle drei p -Orbitale spricht man von einer sp3 Hybridisierung. Die Orbitale nehmen eine langgestreckte an. War sie bei den p - Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet erscheinen jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das veranschaulicht die Hauptkeulen die Nebenkeulen wurden der wegen fortgelassen.
Die vier sp3 -Orbitale orientieren sich symmetrisch zueinander im Raum nehmen die Form eines Tetraders an.

Überlappen sich die sp3 -Orbitale angeregter Atome bilden sie feste kovalente Bindungen. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit ( sp 2 ) Struktur

Drei sp2-Orbitale richten sich in einer Ebene (hexagonal) zueinander aus.

Beteiligen sich nur 2 der p -Orbitale an der Hybridisierung entstehen die sog. sp2 -Orbitale. Die sp2 - Orbitale richten sich senkrecht zum übriggebliebenen p -Orbital aus. Steht z.B. das p -Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene liegen die sp2 - Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das links veranschaulicht die Situation. Das p -Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden.

Angeregte sp2 -Kohlenstoff-Atome reagieren miteinander und bilden feste kovalente aber nur in einer Ebene. Ihre Struktur hexagonal d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen p -Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die pi -Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma -Bindungen der sp2 bzw. sp3 - Orbitale.
Chemisch spechen wir von einer Doppelbindung. Schreibweise C=C vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3 -Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350 kJ/mol die graphitartigen hexagonalen sp2 -Doppelbindung C-C nur um 260 kJ/mol höher.
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen sich die pi -Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des (mehr dazu siehe Benzol ).

Dreifach ( sp 1 ) Bindung

Wenn nur ein p -Orbital mit dem s -Orbital hybridisiert formen sich zwei linear angeordnete Orientieren wir sie entlang der x-Achse zeigen verbliebenen p -Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei Atome eine Kohlenstoff-Dreifachbindung. Die pi -Bindung lokalisiert die Elektronen zwischen den beiden weitere Atome können nicht in den Verband werden. Das Gas Acetylen HC --- CH ist die größtmögliche Struktur auf Basis sp1 -Bindung.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen basierend den Bindungsstrukturen sp3 sp2 und sp1 . sp1 tritt makroskopisch nicht in Erscheinung. Unterschiede der Anordnung von sp2 -gebundenen Kohlenstoff-Atomen werden manchesmal als gesonderte (makroskopische) bezeichnet.

Diamant

Die sp3 -kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Das Material ist deshalb ein Isolator das nicht absorbiert. Diamant ist metastabil unter schonenden wandelt er sich bei hohen Temperaturen um Graphit. (siehe Diamant ).

Graphit

Die sp2 -kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Ebenen untereinander sind nur locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang Planarebenen. Die Festigkeit der Ebenen tritt nicht Erscheinung dafür sind sie zu dünn (siehe Graphit ).

Fullerene

Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt einige Sechsecke durch Fünfecke entsteht eine räumliche ein Fußball -Molekül. Hier liegen die sp2 -Bindungen nicht in einer Ebene sondern sind zu einer Kugel geformt sind. Die kleinste Fußballstruktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome. Die Molekülkugeln untereinander sich über eine schwache Van-der-Waals -Wechselwirkung genauso wie beim Graphit (siehe Fulleren ).

Kohlenstoffnanoröhren

Die vierte Form von Kohlenstoff sind angeordnete sp2 -gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer Schicht Graphit die zu einem Zylinder aufgerollt Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen so man von multiple wall carbon nanotubes (MWCNT) im Gegensatz zu single wall carbon nanotubes (siehe Kohlenstoffnanoröhren )

Kohlenstoffnanoschaum

Die fünfte Form von Kohlenstoff ist zufällig orientierte netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern die durchschnittlichen Durchmesser von je 6 bis 9 Nanometern besitzen. Sie hat mit 2 Milligramm / Kubikzentimeter die niedrigste Dichte aller bekannten Feststoffe weist als erste Form reinen Kohlenstoffs bei ferromagnetische Eigenschaften auf wenn auch nur für Stunden nach der Herstellung. Bei weniger als Kelvin wird sie wieder magnetisiert. Der Stoff ein Halbleiter.

Kohlenstoff-Fasern

Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2 -gebundenem Kohlenstoff. In einer Idealfaser liegen die geordnet wie in einer langen Papierrolle vor Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse. In Wirklichkeit die Ebenen stark gestört und bilden nur Ordnungen aus. Das Maß der Störung beeinflusst Festigkeit (siehe Kohlenstofffaser ).

Ruß

Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Je reiner der Ruß desto deutlicher treten Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß stark mit organischen Verbindungen verunreinigt die die größerer Graphit-Verbände verhindern (siehe Ruß )

Glaskohlenstoff

Glasartiger Kohlenstoff ist eine Sonderform des Im Graphit liegen die Ebenen wohlgeordnet in von Basalebenen. Beim Glaskohlenstoff sind die Ebenen noch parallel gestapelt aber nur auf mikroskopischer Anschaulich ist ein Stapel Papier ein Beispiel Graphit. Große Bögen von mehrlagigem Papier gepresst einem Quader kommen der Struktur von Glaskohlenstoff (siehe Graphit ).

Kohlenstoff-Verbindungen

Einige Verbindungen des Kohlenstoffs gehören zur anorganischen Chemie :

Anorganische Verbindungen in denen Kohlenstoff vorkommt:

Die gesamte lebende Natur basiert auf organischen Kohlenstoff-Verbindungen hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff Sauerstoff und Stickstoff. Die organische Chemie umfasst der Fähigkeit des Kohlenstoffs lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden mehr als die gesamte anorganische Chemie. Auch die ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie.

Siehe auch:



Bücher zum Thema Kohlenstoff

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