Kohlenstoff in seinen elementaren Formen (Holzkohle, Ruß, Diamant, Graphit) ist seit der Urzeit bekannt. Menschen nutzten Holzkohle als Brennstoff und zur Erzeugung von Pigmenten in Höhlenmalereien vor über 30.000 Jahren. Diamanten wurden seit der Antike als Edelsteine geschätzt. Erst im Jahr 1772 zeigte Antoine Lavoisier (1743-1794), dass Diamant eine Form von reinem Kohlenstoff ist, indem er ihn verbrannte und beobachtete, dass nur Kohlendioxid entstand. Im Jahr 1779 zeigte der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), dass auch Graphit reiner Kohlenstoff ist. Der Name Kohlenstoff leitet sich vom lateinischen carbo ab, was "Kohle" bedeutet. Im Jahr 1985 wurde eine neue allotrope Form des Kohlenstoffs entdeckt: die Fullerene (C₆₀), gefolgt von Kohlenstoffnanoröhren im Jahr 1991 und Graphen im Jahr 2004, was die Materialwissenschaft revolutionierte.
Kohlenstoff (Symbol C, Ordnungszahl 6) ist ein Nichtmetall der Gruppe 14 im Periodensystem, bestehend aus sechs Protonen, in der Regel sechs Neutronen (für das häufigste Isotop) und sechs Elektronen. Die stabilen Isotope sind Kohlenstoff-12 \(\,^{12}\mathrm{C}\) (≈ 98,93%) und Kohlenstoff-13 \(\,^{13}\mathrm{C}\) (≈ 1,07%). Kohlenstoff-14 \(\,^{14}\mathrm{C}\) ist radioaktiv mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren und wird für die archäologische Datierung verwendet.
Kohlenstoff kommt in mehreren allotropen Formen mit radikal unterschiedlichen Eigenschaften vor. Diamant ist transparent, extrem hart (10 auf der Mohs-Skala), ein elektrischer Isolator, mit einer tetraedrischen Struktur, in der jedes Atom mit vier anderen verbunden ist (sp³-Hybridisierung). Graphit ist undurchsichtig, schwarz, weich, elektrisch leitfähig, mit einer geschichteten planaren Struktur, in der jedes Atom mit drei anderen verbunden ist (sp²-Hybridisierung). Andere Formen umfassen Fullerene (kugelförmige oder ellipsoidale Strukturen), Kohlenstoffnanoröhren (gerollte Graphenschichten) und Graphen (eine einzelne atomare Schicht von Graphit). Amorpher Kohlenstoff kommt in Formen wie Holzkohle, Ruß und Aktivkohle vor.
Dichte: Graphit ≈ 2,26 g/cm³, Diamant ≈ 3,51 g/cm³. Schmelzpunkt (Graphit, unter Druck): ≈ 3823 K (3550 °C). Sublimationspunkt (Graphit, atmosphärischer Druck): ≈ 3915 K (3642 °C).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kohlenstoff-11 — \(\,^{11}\mathrm{C}\,\) | 6 | 5 | 11.011433 u | Unnatürlich | 20,334 Minuten | Radioaktiver β\(^+\)-Zerfall zu \(\,^{11}\mathrm{B}\); in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verwendet. |
| Kohlenstoff-12 — \(\,^{12}\mathrm{C}\,\) | 6 | 6 | 12.000000 u (per Definition) | ≈ 98,93 % | Stabil | Referenzisotop für die atomare Massenskala; Grundlage der gesamten organischen Chemie. |
| Kohlenstoff-13 — \(\,^{13}\mathrm{C}\,\) | 6 | 7 | 13.003355 u | ≈ 1,07 % | Stabil | In der Kohlenstoff-13-NMR-Spektroskopie und als Tracer in Biochemie und Geochemie verwendet. |
| Kohlenstoff-14 — \(\,^{14}\mathrm{C}\,\) | 6 | 8 | 14.003241 u | Spuren (kosmogen) | 5.730 Jahre | Radioaktiver β\(^-\)-Zerfall zu \(\,^{14}\mathrm{N}\); durch kosmische Strahlung erzeugt; für Kohlenstoff-14-Datierung verwendet. |
| Kohlenstoff-15 — \(\,^{15}\mathrm{C}\,\) | 6 | 9 | 15.010599 u | Unnatürlich | 2,449 s | Radioaktiver β\(^-\)-Zerfall; künstlich in Teilchenbeschleunigern hergestellt. |
| Andere Isotope — \(\,^{8}\mathrm{C}-\,^{10}\mathrm{C},\,^{16}\mathrm{C}-\,^{22}\mathrm{C}\) | 6 | 2-4, 10-16 | — (Resonanzen) | Unnatürlich | \(10^{-21}\) — 0,747 s | Instabile Zustände in der Kernphysik beobachtet; einige haben Neutronenhalo-Strukturen. |
Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen, die es ihm ermöglichen, vier stabile kovalente Bindungen zu bilden. Diese Tetravalenz und die Fähigkeit von Kohlenstoff, einfache, doppelte und dreifache Bindungen mit sich selbst und anderen Elementen (insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor) zu bilden, sind die Grundlage für die außergewöhnliche Vielfalt der organischen Chemie. Kohlenstoff kann lineare, verzweigte, zyklische Ketten und komplexe dreidimensionale Strukturen bilden und so Millionen verschiedener organischer Verbindungen erzeugen.
Elementarer Kohlenstoff ist bei Raumtemperatur relativ inert, reagiert aber bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO₂) oder Kohlenmonoxid (CO), je nach Bedingungen. Er reagiert mit Metallen zu Carbiden, mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen und mit Halogenen zu Kohlenstofftetrahalogeniden. Kohlenstoff kann in verschiedenen Hybridisierungszuständen (sp, sp², sp³) existieren, die die Geometrie und Eigenschaften seiner Verbindungen bestimmen.
Kohlenstoff ist das zentrale Element der Biochemie. Alle bekannten lebenden Organismen basieren auf kohlenstoffhaltigen organischen Molekülen: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren. Die einzigartige Fähigkeit von Kohlenstoff, stabile und komplexe Makromoleküle zu bilden, macht ihn zum grundlegenden Element des Lebens, wie wir es kennen.
Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im beobachtbaren Universum (nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff) und spielt eine absolut zentrale Rolle in der Stern- und Galaxienentwicklung. Im Gegensatz zu Wasserstoff und Helium, die aus dem Urknall stammen, wird Kohlenstoff vollständig durch stellare Nukleosynthese in den Kernen massereicher Sterne erzeugt.
Die Bildung von Kohlenstoff in Sternen erfolgt durch den Dreifach-Alpha-Prozess: Drei Helium-4-Kerne verschmelzen zu Kohlenstoff-12 bei Temperaturen über 100 Millionen Kelvin. Diese Reaktion wird durch die Existenz eines bestimmten angeregten Zustands von Kohlenstoff-12 (Hoyle-Zustand, 1953 von Fred Hoyle vorhergesagt) ermöglicht, der es erlaubt, die "Beryllium-8-Lücke" zu überwinden. Ohne diese bemerkenswerte quantenmechanische Übereinstimmung könnte Kohlenstoff nicht effizient gebildet werden, und kohlenstoffbasiertes Leben würde wahrscheinlich nicht existieren. Diese Beobachtung war eines der ersten Argumente für das anthropische Prinzip in der Kosmologie.
In entwickelten massereichen Sternen dient Kohlenstoff als Brennstoff für nachfolgende Fusionsreaktionen (Kohlenstoffbrennen) bei Temperaturen von etwa 600 Millionen Kelvin, wobei Neon, Natrium und Magnesium entstehen. Kohlenstoff ist auch ein essenzieller Katalysator im CNO-Zyklus (Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff), einem Wasserstoff-zu-Helium-Fusionsprozess, der in Sternen dominiert, die massereicher als die Sonne sind.
Sterne am Ende ihres Lebens bereichern das interstellare Medium mit Kohlenstoff durch Sternwinde und Supernova-Explosionen. AGB-Sterne (asymptotischer Riesenast) sind besonders effektiv bei der Produktion und Verbreitung von Kohlenstoff und erzeugen Kohlenstoffsterne, in denen Kohlenstoff in der Sternatmosphäre häufiger als Sauerstoff ist. Dieser stellare Kohlenstoff bildet Kohlenstoffstaub im interstellaren Medium, der eine entscheidende Rolle bei der Bildung neuer Sterne und Planeten spielt.
Im interstellaren Medium kommt Kohlenstoff in mehreren Formen vor: atomar (C, C⁺), molekular (CO, C₂, Kohlenstoffketten), als Graphitkörner und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Kohlenmonoxid (CO) ist die zweit häufigste molekulare Verbindung nach H₂ und dient als Haupttracer zur Kartierung kalter molekularer Wolken, in denen Sterne entstehen.
Das Isotopenverhältnis ¹²C/¹³C in Sternen und planetaren Objekten liefert wertvolle Informationen über Nukleosyntheseprozesse, stellare Durchmischung und galaktische chemische Evolution. Variationen in diesem Verhältnis, die in primitiven Meteoriten und interstellarem Staub beobachtet werden, zeigen die Vielfalt der stellaren Quellen, die zur Bildung unseres Sonnensystems beigetragen haben.
N.B.:
Der kosmische Kohlenstoffkreislauf veranschaulicht die tiefe Verbindung zwischen Sternen, dem interstellaren Medium und der Planetenbildung. In Sternen gebildeter Kohlenstoff wird in den Weltraum dispergiert, in molekulare Wolken eingebaut, trägt zur Bildung neuer Sterngenerationen und Planetensysteme bei und ermöglicht schließlich das Entstehen von Leben auf Planeten wie der Erde. Auf unserem Planeten zirkuliert Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre (CO₂), den Ozeanen (gelöste Carbonate), der Biosphäre (lebende organische Materie) und der Lithosphäre (Carbonatgesteine, fossile Brennstoffe) in einem komplexen geochemischen Kreislauf. Die Menschheit stört derzeit diesen Kreislauf, indem sie massiv fossilen Kohlenstoff in die Atmosphäre freisetzt, was zu einer globalen Klimaerwärmung führt. Das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs auf allen Ebenen, vom kosmischen bis zum planetaren Maßstab, ist daher nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Zukunft unserer Zivilisation von entscheidender Bedeutung.
