Kohlenstoff / Kohlenstoffoxide

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©stu2013/07/28 (last update)


Kohlenstoff


C hat 4 Außenelektronen, ist also meist 4-wertig (außer in CO). C ist fest, in Lösungsmitteln unlöslich und brennbar. Kohlenstoff ist das Element mit dem höchsten Schmelzpunkt (3974 °C). 
Alle Organismen bestehen aus Kohlenstoffverbindungen. Die Chemie der Kohlenstoffverbindungen ist die "organische Chemie", mit den Lebensvorgängen beschäftigt sich die "Biochemie". In der "anorganischen Chemie" werden CO, CO2, H2CO3 und die Carbonate behandelt.


Reiner Kohlenstoff: Diamant, Graphit und Fullerene


Diamant

Graphit

Fullerene

Im Diamantgitter ist die Grundstruktur ein C in der Mitte eines Tetraeders. Der Abstand  ist zwischen allen C-Atomen gleich klein (starke Bindungskräfte) daher die grosse Härte.

Das Graphitgitter ist ein Schichtgitter, innerhalb der Schicht sind die Abstände klein (die Bindung stark), zwischen den Schichten sind die Abstände groß  (schwache Bindungskräfte). Daher können die Schichten übereinander gleiten => geringe Härte. Die Elektronen zwischen den Schichten sind beweglich => elektrische Leitfähigkeit.

Die "Buckyballs" wurden erst vor einigen Jahren entdeckt. Sie sind z. B. aus 60 C-Atomen aufgebaut. Momentan versucht man Anwendungen für diese Stoffe zu finden.

Diamant ist extrem hart, spröd, farblos, brennbar, unter großem Aufwand synthetisch aus Graphit herstellbar. Verwendung zum Glasschneiden, als Schleif- und Bohrmittel.

Graphit ist sehr weich, leitet elektrischen Strom,  Verwendung als Elektrodenmaterial, Schmiermittel, in Bleistiften.

Näheres über Fullerene bzw. "Buckyballs" gibt es im Internet (siehe auch "Chemie-Links").

 

GRAPHENE:

 

Kürzlich gelang es monomolekulare Schichten von Kohlenstoff herzustellen. Man erhofft sich davon z. B.:

- die Herstellung von Nanobeschichtungen mit Diamant-ähnlichen Eigenschaften

- möglicherweise Silizium in der Elektronik zu ersetzen, etc.

 


Kohle


Kohle entstand im Laufe von Jahrmillionen unter Luftabschluss aus Pflanzen. Je nach Alter unterscheiden sich Kohlen (Braunkohle, Steinkohle, Anthrazitkohle, etc.) in ihrer Zusammensetzung, ihrem Heizwert und in der Zusammensetzung ihrer Verbrennungsprodukte. 
Kohle besteht aus: 

65 - 92% C

4 - 8% H

2,5 - 30% O

1 - 1,2% N

0,5 - 3% S


"Künstliche Kohlen" werden nach demselben Prinzip hergestellt. Koks unter Luftabschluss aus Kohle, Holzkohle aus Holz, Aktivkohle aus Knochen und anderem organischen Material). 
Dabei entstehen als Nebenprodukte Teer und ein brennbares Gasgemisch. 
Bei der Zersetzungsdestillation von Holz entstehen auch Methanol und Essigsäure.


Bei der Herstellung von Koks (ziemlich reiner Kohlenstoff) aus Kohle entsteht ein brennbares Gasgemisch (H2, CO, CO2, CH4, N2, etc.), das früher als "Stadtgas" verwendet wurde. Koks wird nach wie vor im Hochofen zur Gewinnung von Roheisen verwendet. 
Aus Koks und Wasserdampf lässt sich "Wassergas" ("Synthesegas") herstellen. 
Der Wasserstoff kann für die Ammoniak-Synthese (NH3) oder zur Herstellung von Benzin aus Kohle verwendet werden bzw. kann man aus diesem Gasgemisch Methan (CH4) herstellen. 


Reaktionsgleichungen:
1) Aus Koks und Wasserdampf entsteht Kohlenmonoxid und Wasserstoff,
2) Aus Stickstoff und Wasserstoff entsteht Ammoniak.
3) Aus Kohlendioxid und Wasserstoff entsteht Methan und Wasser. (siehe Lösungsseite)


Kohlenmonoxid / Kohlendioxid


Bei der Verbrennung von Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff-Verbindungen entsteht CO und/oder CO2
siehe auch: Boudouard-Gleichgewicht

bei niedrigen Temperaturen/genügend Sauerstoff: CO2
dazwischen: Gemisch aus CO und CO2
bei hohen Temperaturen/ungenügend Sauerstoff: CO


Reaktionsgleichungen:
4) Aus Kohlenstoff und Kohlendioxid wird Kohlenmonoxid.
5) Kohlenmonoxid verbrennt zu Kohlendioxid.   (siehe Lösungsseite)


Kohlenmonoxid ist ein geruchloses, farbloses, giftiges, brennbares Gas. Es entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoff bzw. C-Verbindungen vor allem bei höheren Temperaturen. Giftig ist CO, da es sich statt Sauerstoff an das Hämoglobin anlagert und somit den Sauerstofftransport im Blut verhindert. 
Herstellung: Siehe oben. Verwendung: Als Brenngas, als Reduktionsmittel im Hochofen und für verschiedene Synthesen.


Reaktionsgleichungen:
6) Im Hochofen verbrennt C zu CO. 
7) Das CO reagiert mit FeO  zu CO2 und Fe. 
8) Das CO reagiert mit Fe2O3 zu CO2 und Fe.  (siehe Lösungsseite)


Kohlendioxid ist geruchlos, farblos, unbrennbar und schwerer als Luft. Es entsteht bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff bzw. C-Verbindungen vor allem bei niedrigeren Temperaturen. Menschen, Tiere und viele Mikroorganismen atmen CO2 aus, das sie bei der Oxidation ihrer Nahrung herstellen. Ein Mensch atmet täglich 700g (350 Liter) CO2 aus.


Kohlendioxid und der Treibhauseffekt


Reaktionsgleichungen:
9) Pflanzen machen aus Kohlendioxid und Wasser Glucose (C6H12O6) und Sauerstoff.
10) Glucose wird im Körper mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut.


Kohlendioxid wird bei ca. -80° C fest. Im "Kohlensäureschnee-Feuerlöscher" steht das Gas unter hohem Druck, beim Austritt aus dem Löscher kühlt es stark ab und wird fest. Da CO2 schwerer als Luft ist und die Luft verdrängt, wird es zum Feuerlöschen verwendet. 
Löschschaum: Mit CO2 aufgeblasene Tensidlösung:


NaHCO3  ("Speisesoda"), Citronensäure und Geschirr-Spülmittel werden in den Kolben gegeben. Nachdem das Wasser zugegeben wurde, kommt schnell der Stopfen drauf. Mit dem Schaum wird brennendes Benzin in einer Porzellanschale gelöscht. Die Chemikalien gibt es im Supermarkt.



Verwendung von Kohlendioxid:

- als "Trockeneis" zum Kühlen 
- als Treibgas in Sprays 
- in Erfrischungsgetränken/Schaumwein 
- zur Kleiderreinigung ("chemische Putzerei")
- zum Entcoffeinieren von Kaffee
- zum Feuerlöschen, etc.


Der Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre steigt vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe. CO2 trägt 50% zum Treibhauseffekt bei. Eine Erwärmung der Atmosphäre wird vermutlich Auswirkungen auf das Klima haben. Es ist allerdings fraglich, ob der Klimawandel auf das Kohlendioxid zurückzuführen ist. Klimaänderungen hat es in der Erdgeschichte oft gegeben.


Kohlenstoffkreislauf - "Captain Carbon" (English)

Buckyballs, Diamant & Graphit (English)


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Kohlensäure / Carbonate

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