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Kohlenstoff als Element

Element Kohlenstoff - C-Kreislauf - CO2 als Treibhausgas

Kohlenstoff, ein vielseitiges Element

Das Element Kohlenstoff, chemisches Symbol C von lat. carbo = Holzkohle, kommt nicht nur in allen organischen Verbindungen vor, sondern auch in vielen anorganischen Stoffen.

Beispiele für organische Verbindungen:

Essigsäure, Hexan, Ethanol, Vitamin C, Traubenzucker, ...

Beispiele für anorganische Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten:

Kohlensäure H2CO3, Kohlenstoffdioxid CO2, Kohlenstoffmonoxid CO, Calciumcarbonat CaCO3 und andere Salze der Kohlensäure, Calciumcarbid CaC2 und andere Carbide, Kohlenstoffdisulfid CS2, Blausäure HCN und Cyanide wie KCN.

Elektronenkonfiguration

Auf der Lexikon-Seite "Kohlenstoff" finden Sie drei "Versionen" der Elektronenkonfiguration: Nach dem Schalenmodell, nach dem Kugelwolkenmodell und nach dem Orbitalmodell. Einzelheiten siehe dort.

Verhalten des C-Atoms

Elemente mit wenigen Außenelektronen

Im Chemieunterricht der Sekundarstufe 1 lernt man, dass Atome mit wenigen Außenelektronen diese gern abgeben, um in den stabilen Edelgaszustand zu gelangen. Alkalimetalle wie Natrium oder Erdalkalimetalle wie Calcium haben nur 1 bzw. 2 Außenelektronen, daher ist es sehr einfach, diese Elektronen abzugeben. Es bilden sich dann ein- oder zweiwertig positive Kationen, die dann mit negativ geladenen Anionen Salze bilden können.

Elememente mit vielen Außenelektronen

Nichtmetalle der 7. oder 6. Hauptgruppe wie Chlor oder Sauerstoff nehmen gern ein oder zwei zusätzliche Elektronen auf, damit sie auch in den stabilen Edelgaszustand gelangen. Es bilden sich dann ein- oder zweiwertig negativ geladene Anionen, die dann mit positiv geladenen Kationen Salze bilden können.

Elemente mit einer mittleren Zahl von Außenelektronen

Was aber ist mit Elementen aus der Mitte des Periodensystems wie beispielsweise Bor (3. Hauptgruppe), Kohlenstoff (4. Hauptgruppe) oder Stickstoff (5. Hauptgruppe)?. Geben diese Elemente lieber Elektronen ab, oder nehmen sie lieber Elektronen auf, um den Edelgaszustand zu erreichen?

Die Elemente der 3. Hauptgruppe können sowohl Elektronen abgeben und dann zu Kationen werden, sie können aber auch kovalente Bindungen mit anderen Elementen bilden und dann Moleküle bilden. Die Elemente der 5. Hauptgruppe können Elektronen aufnehmen und dann zu Anionen werden, aber sie können auch kovalente Bindungen mit anderen Elementen ausbilden, so dass Moleküle entstehen.

Der Kohlenstoff ist nun ein ganz besonderes Element, er steht genau in der Mitte der zweiten Periode des Periodensystems. Kohlenstoff-Atome haben vier Außenelektronen. Die Abgabe von vier Elektronen ist im Prinzip möglich, aber sehr energieaufwendig. Es muss ja viermal eine Ionisierungsenergie aufgebracht werden. Umgekehrt ist auch die Aufnahme von vier Elektronen nicht so ganz leicht, wie man sich das vielleicht vorstellt.

Die beste Möglichkeit für C-Atome, chemische Bindungen einzugehen, ist die kovalente Bindung. Kohlenstoff-Atome teilen also ihre Elektronen mit anderen Atomen. Dabei entstehen dann Molekül-Verbindungen. Alle organischen Verbindungen wie Methan, Ethan, Ethanol, Essigsäure und so weiter entstehen auf diese Weise.

Kohlenstoff-Atome können lange Ketten und Ringe bilden

Auch andere Elemente können kovalente Bindungen bilden, man denke nur an Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff. Aber diese Verbindungen bestehen dann aus recht kleinen Molekülen. Wasser H2O, Ammoniak NH3 oder Ozon O3 sind typische Beispiele. Kohlenstoff kann dagegen beliebig viele verschiedene und teils recht komplexe Verbindungen bilden. Octan C8H18 oder Glucose C6H12O6 sind da noch sehr kleine Moleküle. Manche Kunststoffe wie Polyethylen enthalten Tausende oder Zehntausende C-Atome in jedem Molekül, und die DNA des Menschen besteht aus 46 Molekülen, von denen jedes Hunderttausende Kohlenstoff-Atome enthält.

Woran liegt das, dass Kohlenstoff eine derartige Vielzahl von Verbindungen mit teils extrem komplexer Struktur bilden kann? Kohlenstoff-Atome haben eine starke Neigung, sich mit anderen Kohlenstoff-Atomen zu verbinden. So entstehen kurze, mittellange, lange und sehr lange Kohlenstoff-Ketten, aber auch Ringe aus drei, vier oder mehr C-Atomen. Aber das haben Sie ja alles schon gelernt, als Sie sich mit Alkanen, Alkenen, Alkoholen und so weiter beschäftigt haben.