Kohlenstoff Verbindungen

Kohlenstoff ist ein Element der IV. Hauptgruppe. Das Kohlenstoffatom besitzt 6 Protonen und meist 6 Neutronen im Atomkern sowie 6 Elektronen in der Atomhülle. Auf der ersten Schale befinden sich zwei und auf der zweiten Schale vier Elektronen. Diese vier Elektronen der äußeren Schale nennt man Außenelektronen.

Um eine stabile Elektronenanordnung, die Achterschale des Neons, zu erreichen, muss ein Kohlenstoffatom vier Elektronen von Bindungspartnern aufnehmen. Alternativ würde durch Abgabe von 4 Elektronen eine abgeschlossene Schale erreicht werden. Beides ist energetisch ungünstig, daher bildet Kohlenstoff Atombindungen aus, um das Elektronenoktett zu erreichen. Wie alle Elemente der 2. Periode des PSE kann Kohlenstoff nur maximal vier Atombindungen eingehen.

Modifikationen

Modifikationen sind verschiedene Erscheinungsformen ein und desselben Stoffs. Modifikationen eines Elements bestehen aus den gleichen Atomen, haben aber durch unterschiedliche Anordnung der Atome (Struktur), unterschiedliche physikalische und z. T. auch chemische Eigenschaften.
Kohlenstoff kommt in der Natur in mehreren Modifikationen, als Grafit, Diamant oder Fullerene mit sehr verschiedenen Eigenschaften vor.

Anders als im Grafit ist im Diamant jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Alle vier Außenelektronen sind an Atombindungen beteiligt, und alle Atome sind gleich weit voneinander entfernt. Je vier Atome bilden regelmäßige Tetraeder, die untereinander zu einer sehr stabilen Gitterstruktur verknüpft sind. Die stabilen Bindungen im regelmäßigen Kristallgitter sind der Grund für die extreme Härte des Diamanten. Da die Außenelektronen alle an Atombindungen beteiligt sind, kann Diamant den elektrischen Strom nicht leiten und ist ein Isolator.

Reiner Kohlenstoff ist jedoch relativ reaktionsträge, sodass nur wenige Verbindungen direkt aus dem Element hergestellt werden können.
Mit Sauerstoff verbrennt Kohlenstoff zu den Oxiden. Je nachdem, wie viel Sauerstoff zur Verfügung steht, entsteht Kohlenstoffmonooxid oder Kohlenstoffdioxid.

$\text{2 C}\text{+}{\text{O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }\text{2 CO Q = -110}\text{,5 kJ }·mo{\text{l}}^{\text{-1}}$

$\text{C}\text{+}{\text{O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{ CO}}_{\text{2}}\text{ Q = -393 kJ }·{\text{ mol}}^{\text{-1}}$

Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen

Kohlenwasserstoffe sind Molekülverbindungen, die ausschließlich aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Je nach Verknüpfung der Kohlenstoffatome unterscheidet man zwischen ketten- und ringförmigen bzw. gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
Aufgrund der verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung der Kohlenstoff- und Wasserstoffatome gibt es eine riesige Anzahl verschiedener Kohlenwasserstoffe. Trotz ihrer unterschiedlichen Struktur sind sie die einfachsten organischen Kohlenstoffverbindungen; alle anderen organischen Verbindungen können daraus abgeleitet werden.
Das Reaktionsverhalten der Kohlenwasserstoffe ist in den Beiträgen über Alkane, Alkene und Alkine auf der DVD ausführlich beschrieben.

Der einfachste Vertreter der Kohlenwasserstoffe ist Methan. Das Methanmolekül besteht aus einem Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen. Die Wasserstoffatome bilden ein regelmäßiges Tetraeder, in dessen Zentrum sich das Kohlenstoffatom befindet. Die stabile Tetraederstruktur ist in der Chemie sehr häufig und tritt sowohl bei den Alkanen als auch in anorganischen Festkörpern, z. B. im Diamant auf.

Methan ist ein farbloses, leicht brennbares Gas, das mit Luft explosive Gemische bildet. Es ist Hauptbestandteil des Erdgases. Auch in Kohlelagerstätten ist Methan in mehr oder weniger großen Mengen in der Kohle eingeschlossen als sogenanntes Grubengas. Bei unzureichenden Sicherheitsmaßnahmen kann es dann folgenschwere Untertage- Explosionen in Bergwerken verursachen.
Es hat große technische Bedeutung als Heizgas, als ökologische Alternative zu herkömmlichen Treibstoffen und als Synthesegas in der chemischen Industrie.

Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindungen

Die bekannten Oxide des Kohlenstoffs sind Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid. Zusammen mit den Kohlenstoff-Schwefel-Verbindungen (Kohlenstoffdisulfid, ${\text{CS}}_{\text{2}}$) bilden die Oxide, die Kohlensäure und die Carbonate die Gruppe der anorganischen Kohlenstoffverbindungen.

Auch Kohlenstoffdioxid ist eine Molekülverbindung, in der die Atome durch polare Atombindungen verbunden sind.
Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, das schwerer als Luft ist. Das Gas ist nicht brennbar und wirkt erstickend. Daher dient es beim Schweißen als Schutzgas und ist häufig in flüssiger Form in Feuerlöschern (Schaumlöschern) enthalten. Es kann unter Druck zu einer farblosen Flüssigkeit verdichtet werden, die bei Abkühlung fest wird („Trockeneis“). Während dieses feste Kohlenstoffdioxid zur Kühlung von Transportgut eingesetzt wird, dient es gasförmig (Kohlenstoffdioxidbegasung) in Gewächshäusern der Ertragssteigerung bei Fotosynthese betreibenden Pflanzen.
Darüber hinaus ist Kohlenstoffdioxid Ausgangsstoff zur Herstellung von Soda und Harnstoff. Bei der Reaktion mit Wasser entsteht in geringen Mengen Kohlensäure.

${\text{CO}}_{\text{2}}\text{+}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}$

„Kohlensäure“ wird in Form von Kohlenstoffdioxid Getränken zugesetzt, um deren Geschmack und die Haltbarkeit zu verbessern. In wässriger Lösung werden nur 0,1 % des Kohlenstoffdioxids in die Säure umgewandelt, 99,9 % liegen als physikalisch gelöstes Oxid vor. Das Kohlenstoffdioxid entweicht nach dem Öffnen der Flaschen als kleine Gasbläschen.

Beim Nachweis des Kohlenstoffdioxids nutzt man seine Reaktion mit Hydroxidlösungen von Metallen der II. Hauptgruppe. In einer Fällungsreaktion entstehen dabei schwer lösliche Carbonate.
Im Labor wird Bariumhydroxidlösung (Barytwasser) oder Calciumhydroxidlösung verwendet.

${\text{CO}}_{\text{2}}\text{+}{\text{Ba(OH)}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{BaCO}}_{\text{3}}\text{+}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$

In der atmosphärischen Luft sind etwa 0,039 Vol% ${\text{CO}}_{\text{2}}$ enthalten. Das Gas wirkt in der Atmosphäre als „Wärmespeicher“ und hat eine große Bedeutung für das Temperaturgleichgewicht auf der Erde. Diesen Effekt nennt man Treibhauseffekt (Bild10). Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ist der ${\text{CO}}_{\text{2}}$-Gehalt der Atmosphäre in den letzten Jahrzehnten erheblich gestiegen, was zu einer künstlichen Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts führt.