Kohlenstoff (C)

Kohlenstoff ist in der Natur äusserst weit verbreitet: Die wissenschaftliche Literatur verzeichnet über eine Million Moleküle. Kohlenstoff bildet mehr Verbindungen als alle anderen Elemente zusammen, macht aber trotzdem nur rund 0.025% der Erdkruste aus.

Allotrope Formen von Kohlenstoff

Beispiele der fünf allotropen Formen von Kohlenstoff und ihres dreidimensionalen Aufbaus: (a) Diamant; (b) Graphit; (d) Fulleren C60; (g) amorpher Kohlenstoff (h) Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Bild: Michael Ströck/Wikimedia commons, CC-Lizenz)

Die Masse des gesamten Kohlenstoffs wird auf 20'000 bis 50'000 Milliarden Tonnen geschätzt. Er kommt in den meisten Ozeanen (74%) in Form von Karbonat-Ionen und Bikarbonaten vor sowie in fossiler Form in den Überresten toter Organismen (22%), in lebenden Organismen (3%) und in der Atmosphäre (1%).

Mit seinen einzigartigen Eigenschaften, insbesondere der Fähigkeit, einfache zwei- und dreifach-Verbindungen mit sich selbst einzugehen, ist Kohlenstoff die Grundlage des wahrscheinlich komplexesten physikalischen Phänomens: des Lebens.

Alle lebenden Organismen, von Pflanzen und Tieren über Bakterien bis hin zu Pilzen, bestehen in ihren fundamentalen Verbindungen aus auf Kohlenstoff basierenden Molekülen: aus Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten, Nukleinsäuren.

Ursprung der Kohlenstoffatome

Im Universum entstehen Kohlenstoffatome ursprünglich in den Sternen durch die Fusion von drei Heliumatomen (Ordnungszahl 4) zu einem Kohlenstoffatom (Ordnungszahl 12). Im Kosmos ist Kohlenstoff in Bezug auf seine globale Masse das vierthäufigste Element nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff.

Allotropien und Verbindungen von Kohlenstoff

Graphit (oben) und Diamant (unten)

Zwei allotrope Formen von Kohlenstoff: Graphit (oben) und Diamant (unten). (Bilder: Anke/CanStockPhoto und everythingpossible/CanStockPhoto)

Mit Ausnahme der Edelgase (Helium, Neon, Argon, etc.), die dank ihrer vollbesetzten Valenzschale stabil sind, sind auf der Erde alle anderen Elemente einschliesslich der Kohlenstoffatome nur in Verbindung mit anderen Elementen stabil.

Mit seiner Tetravalenz (der Fähigkeit, vier Verbindungen einzugehen) geht Kohlenstoff Verbindungen mit anderen Elementen ein und bildet komplexe Ketten und Ringe, Moleküle, die essentieller Bestandteil lebender Organismen sind. Es sind aber auch verschiedene Strukturen möglich, die einzig aus Kohlenstoffatomen bestehen und sich nur durch die dreidimensionale Anordnung der Atome unterscheiden.

Diese verschiedenen kristallinen Formen nennt man Kohlenstoff-“Allotropien”. Die bekanntesten sind der Graphit – aus dem Bleistiftminen bestehen – und der Diamant. Bei ersterem formen die Atome ebene, parallele und schwach verbundene Schichten, bei letzterem hingegen sind sie gleichmässig dreidimensional angeordnet und äusserst kompakt. Daraus ergeben sich die einzigartigen Eigenschaften des Diamanten, der als das härteste Material auf Erden bekannt ist.

Die Kohlenstoff-14-Datierung als Messmethode

Kohlenstoff hat zwei stabile Isotope: Kohlenstoff 12, das 98.89% des natürlich vorkommenden Kohlenstoffs ausmacht, und Kohlenstoff 13, das 1.11% ausmacht. Kohlenstoff hat ebenfalls zwei instabile Isotope: Kohlenstoff 11, das nur äusserst kurz existiert, und Kohlenstoff 14, bei dem die Halbwertszeit 5730 ± 40 Jahre beträgt.

Lebende Organismen konsumieren (Photosynthese) und produzieren stetig Kohlenstoff, den sie als Kohlenstoffdioxid über die Atmung an die Luft abgeben. Solange der Organismus lebt, bleibt das Verhältnis von Kohlenstoff 12 zu Kohlenstoff 14 daher konstant und entspricht dem Verhältnis in der Atmosphäre. Beim Tod des Organismus wird diese Erneuerung unterbrochen und die Gesamtmenge des Kohlenstoffs 14 gegenüber dem Kohlenstoff 12 verringert sich mit der Zeit.Diese Verringerung des Kohlenstoffs 14 kann nachverfolgt werden und erlaubt einen Rückschluss auf die Zeit, die seit dem Tod vergangen ist. Dies nennt man Kohlenstoff-14-Datierung.

Quelle: Maurice Cosandey / Redaktion SimplyScience.ch

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