Kohlenstoff
IMPP-Score: 0.8
Kohlenstoff in der Anorganischen Chemie
Oxidationszahlen von Kohlenstoff
Kohlenstoff ist bekannt für seine Variabilität in Oxidationszahlen, die abhängig von den jeweiligen Bindungspartnern ist. Üblicherweise sehen wir Kohlenstoff in der Oxidationszahl +IV, zum Beispiel in Kohlendioxid (\(CO_2\)), wo jedes Sauerstoffatom formal zwei Elektronen vom Kohlenstoff “entnimmt”. Das ist einfach zu merken, denn Sauerstoff hat in der Regel die Oxidationszahl -II.
Achtet darauf, dass das IMPP gerne nach ungewöhnlichen Oxidationszahlen fragt – wie die +II in Blausäure (HCN).
Interessant wird es bei Blausäure, wo Kohlenstoff an Stickstoff und Wasserstoff gebunden ist. Mit einer Oxidationszahl von +II bildet dies eine Ausnahme, da Stickstoff mit -III und Wasserstoff mit +I in die Rechnung eingehen.
Kohlenstoffisotope und ihre Bedeutung
Kohlenstoff kommt in drei natürlichen Isotopen vor: \(^{12}C\), \(^{13}C\) und dem radioaktiven \(^{14}C\). Während \(^{12}C\) und \(^{13}C\) stabil sind, zerfällt \(^{14}C\) mit einer Halbwertszeit von 5370 Jahren, was wichtig für die Radiokarbon-Datierung, eine Methode zur Altersbestimmung von archäologischen Fundstücken ist.
Besonders interessant kann für das IMPP sein, warum und wie \(^{14}C\) in der Archäologie verwendet wird.
Allotrope des Kohlenstoffs
Kohlenstoff ist ein Meister der Verwandlung – er kommt in mehreren Allotropen vor.
Diamant: Jeder Kohlenstoffatom ist hier sp³-hybridisiert und bildet starke Sigma-Bindungen zu vier benachbarten Atomen. Das ergibt die extrem harte Struktur von Diamanten.
Graphit: Besteht aus Schichten sp²-hybridisierter Kohlenstoffatome in einem hexagonalen Muster. Die Schichten sind durch Van-der-Waals-Kräfte verbunden und können leicht übereinander gleiten (deswegen fühlt sich Graphit “schmierig” an). Diese Struktur ermöglicht auch die elektrische Leitfähigkeit von Graphit.
Fullerene: Dazu gehört das Buckminsterfulleren C₆₀, das aus fünf- und sechseckigen Ringen in einer geschlossenen Sphäre besteht – ähnlich eines Fußballs.
Kohlenstoffnanoröhren: Zylindrische Strukturen aus zusammenrollten Graphitlagen, die außergewöhnliche mechanische und elektrische Eigenschaften haben.
Besonders harte Nuss, die das IMPP gelegentlich knacken lässt: Die verschiedenen Bindungsarten und Hybridisierungszustände beim Übergang von einem Allotrop zum anderen.
Reaktivität und Anwendung
Cyanid-Ionen in Verbindungen wie Kaliumcyanid können in Wasser Blausäure (HCN) freisetzen, da HCN eine schwache Säure ist. HCN zeigt interessante Säure-Base-Eigenschaften und das Cyanid-Ion ist als ambidentes Nucleophil in der Organischen Chemie von Bedeutung.
Elektronegativität und Chemie des Kohlenstoffs
Die höhere Elektronegativität von Kohlenstoff im Vergleich zu seinem Gruppennachfolger Silicium hat drastische Einflüsse auf die Chemie und Bindungsfähigkeit. Kohlenstoff zieht Elektronen stärker an, was ihn fähig macht, vier stabile kovalente Bindungen einzugehen – denkt hier an die Struktur von Alkanen (CnH2n+2).
Anwendungen von Kohlenstoffverbindungen
Aktivkohle, hergestellt durch Pyrolyse und Aktivierung von kohlenstoffhaltigen Materialien, ist eine hochporöse Form von Kohlenstoff, die als ausgezeichnetes Adsorbens dient. Diese Eigenschaft wird genutzt in Luft- und Wasserreinigung, in Gasmasken, aber auch in der Medizin zur Entgiftung.
Aktivkohle und ihre Adsorptionseigenschaften sind ein häufiger Prüfspunkt – merkt euch die Prinzipien hinter der Anwendung!
Zusammenfassend: Kohlenstoff ist ein vielseitiges Element, dessen Verständnis für die anorganische Chemie unentbehrlich ist. Sicherheit im Umgang mit seinen Allotropen, dem Konzept der Oxidationszahlen und den Anwendungen im Alltag ist essenziell. Viel Erfolg beim Lernen!
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Verschiedene alltrope Kohlenstoffmodifikationen. a) Diamant, b) Amorpher Kohlenstoff, c) Fullerene d) Kohlenstoffnanoröhre und e) Graphit. Grafik: Jozef Sivek, Carbon allotropes, CC BY-SA 4.0↩︎
