Kohlenstoff

Diamanten. Holzkohle. Kunststoff. Petroleum. Ein Mensch.

Was sie alle gemeinsam haben? Sie alle basieren auf Kohlenstoff. Sehen wir vom Wasser in unserem Körper ab, dann machen Kohlenstoffatome zwei Drittel unseres Gewichts aus. Und wenn wir uns umblicken,... ...stellen wir fest, dass Kohlenstoff die Grundlage für unzählige Stoffe bildet. Was aber ist an Kohlenstoff so besonders?

Beginnen wir damit – wie in der Chemie üblich – indem wir uns die Atome anschauen. Ein Kohlenstoffatom hat sechs Elektronen. Davon befinden sich vier in der äußeren Elektronenschale. Für ein Atom ist es immer wünschenswert, in der Außenschale acht Elektronen zu haben. Kohlenstoff möchte also noch vier weitere Elektronen dazugewinnen,...

von anderen Atomen. Kohlenstoff hat sozusagen vier Arme, die sich an andere Atome anhängen können. Vier mögliche Bindungen – das ist mehr als bei den anderen natürlichen Elementen. Das macht Kohlenstoff vielseitig – es kann Millionen verschiedener Verbindungen bilden. Für sich allein, gibt es Kohlenstoff in verschiedenen Formen.

Zum Beispiel als Diamant. Ein Diamant besteht komplett aus Kohlenstoffatomen. Und jedes Kohlenstoffatom ist an vier andere Kohlenstoffatome gebunden. Alle Atome halten einander fest. Ein Diamant ist folglich ein extrem harter und fester Stoff.

Der härteste, der in der Natur vorkommt. Alle äußeren Elektronen sind in chemischen Bindungen verriegelt. Kein Elektron kann sich frei bewegen. Ein Diamant leitet überhaupt keine Elektrizität. Kohlenstoffatome sind aber nicht immer so fest in alle Richtungen gebunden.

Das hier ist Graphit – auch eine Form von reinem Kohlenstoff. Hier bilden die Kohlenstoffatome Schichten. Jede von ihnen mit einem hexagonalen Muster, wie in einer Honigwabe. Jedes Kohlenstoffatom ist nur an drei andere Kohlenstoffatome gebunden, so dass von jedem Atom ein Elektron frei beweglich ist:... Graphit leitet Strom.

Jede Atomschicht hat starke Bindungen zu sich selbst; die verschiedenen Schichten werden jedoch nur durch schwache Anziehungskräfte aneinander gehalten. Sie gleiten leicht auseinander, was Graphit zu einem weichen und formbaren Material macht. Graphit, gemischt mit Lehm, ist das Material, das in Bleistiften verwendet wird. Schreiben wir mit einem Bleistift, so wird das Geschriebene durch Graphitschichten gebildet, die auf das Papier abschmieren. Wenn wir nur eine einzige Graphitschicht ablösen könnten, dann bekämen wir eine Graphenschicht.

Die ist nur eine Atomlage dick, sie ist also extrem leicht. Aber ebenfalls sehr fest. Graphen könnte in den Touch-Screens der Zukunft verwendet werden. Oder als Baumaterial. Es gibt NOCH eine Art von reinem Kohlenstoff.

Das sind Moleküle in Kugelform, bestehend aus etwa sechzig Kohlenstoffatomen. Diese runden Moleküle nennt man Fullerene. Man findet sie in Rußpartikeln, beispielsweise von Kerzen. Diamant, Graphit, Graphen und Fulleren bestehen alle aus Kohlenstoff in Reinform. Was Kohlenstoff so besonders macht, ist jedoch seine Fähigkeit, verschiedenartige Verbindungen zu bilden – Millionen davon.

Warum so viele Kombinationen möglich sind? Wegen der hohen Anzahl der möglichen Bindungen für jedes Atom: vier.