Quelltext der Seite Kohlenstoff

{{Infobox Chemisches Element
<!--- Periodensystem --->
| Name         = Kohlenstoff
| Symbol       = C
| Ordnungszahl = 6
| Serie        = Nm
| Gruppe       = 14
| Periode      = 2
| Block        = p
<!--- Allgemein --->
| Aussehen     = schwarz (Graphit)<br />farblos (Diamant)<br />gelbbraun (Lonsdaleit)<br />dunkelgrau (Chaoit)
| CAS          = {{CASRN|7440-44-0}}<br />
{{CASRN|7782-42-5|Q5309}} (Graphit)<br />
{{CASRN|7782-40-3|Q5283}} (Diamant)
| EG-Nummer    = 231-153-3
| ECHA-ID      = 100.028.321
| Massenanteil = 0,087 %<ref name="Harry H. Binder">Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente.'' S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
| Hauptquelle = <ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus [http://www.webelements.com/carbon/ www.webelements.com (Kohlenstoff)] entnommen.</ref>
<!--- Atomar --->
| Atommasse = 12,011 (12,0096 – 12,0116)<ref>Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: ''Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report).'' In: ''[[Pure and Applied Chemistry]]'', 2010, S.&nbsp;1 ([[doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14]]).</ref><ref name="IUPAC">[http://www.ciaaw.org/pubs/TSAW2013_xls.xls IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013].</ref>
| Atomradius = 70
| AtomradiusBerechnet = 67
| KovalenterRadius = 76
| VanDerWaalsRadius = 170
| Elektronenkonfiguration = &#91;[[Helium|He]]&#93; 2[[S-Orbital|s]]<sup>2</sup> 2[[P-Orbital|p]]<sup>2</sup>
| Austrittsarbeit = 4,81 eV
| Ionisierungsenergie_1 = {{ZahlExp|11,2602880|suffix=(11)|post=[[Elektronenvolt|eV]]<ref name="NIST-ASD-carbon">{{NIST-ASD|carbon|Abruf=2020-06-11}}</ref>}} ≈ {{ZahlExp|1086,45|post=[[Joule|kJ]]/[[mol]]<ref name="Webelements-carbon">{{Webelements|carbon|atoms|Abruf=2020-06-11}}</ref>}}
| Ionisierungsenergie_2 = {{ZahlExp|24,383154|suffix=(16)|post=eV<ref name="NIST-ASD-carbon" />}} ≈ {{ZahlExp|2352,62|post=kJ/mol<ref name="Webelements-carbon" />}}
| Ionisierungsenergie_3 = {{ZahlExp|47,88778|suffix=(25)|post=eV<ref name="NIST-ASD-carbon" />}} ≈ {{ZahlExp|4620,47|post=kJ/mol<ref name="Webelements-carbon" />}}
| Ionisierungsenergie_4 = {{ZahlExp|64,49352|suffix=(19)|post=eV<ref name="NIST-ASD-carbon" />}} ≈ {{ZahlExp|6222,68|post=kJ/mol<ref name="Webelements-carbon" />}}
| Ionisierungsenergie_5 = {{ZahlExp|392,090515|suffix=(25)|post=eV<ref name="NIST-ASD-carbon" />}} ≈ {{ZahlExp|37831|post=kJ/mol<ref name="Webelements-carbon" />}}
<!--- Physikalisch --->
| Aggregatzustand = fest
| Modifikationen = 3 (u.&nbsp;a. Graphit (G) und Diamant (D))
| Kristallstruktur = G: hexagonal<br />D: kubisch flächenzentriert
| Dichte = G: 2,26 g/cm<sup>3</sup><br />D: 3,51 g/cm<sup>3</sup><ref>{{Holleman-Wiberg|Auflage=102.|Startseite=864}}</ref>
| RefTempDichte_K = 
| Mohshärte = G: 0,5<br />D: 10
| Magnetismus = [[Diamagnetismus|diamagnetisch]] (D: [[Magnetische Suszeptibilität|''χ<sub>m</sub>'']] = −2,2 · 10<sup>−5</sup>;<ref>Robert C. Weast (Hrsg.): ''CRC Handbook of Chemistry and Physics''. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.</ref><br />G: ''χ<sub>m</sub>'' bis −4,5 · 10<sup>−4</sup><ref name="Simon_Geim">M. D. Simon, A. K. Geim: ''Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets.'' In: ''[[Journal of Applied Physics]].'' 87, 2000, S.&nbsp;6200–6204 ([[doi:10.1063/1.372654]]).</ref>)
| Sublimationspunkt_K = 3915<ref name="CRC_4_008">{{CRC Handbook |Auflage=90 |Titel= |Kapitel=4 |Startseite=8 |Endseite= }}</ref>
| Sublimationspunkt_C = 3642
| MolaresVolumen = G: 5,31 · 10<sup>−6</sup> m<sup>3</sup>/mol<br />D: 3,42 · 10<sup>−6</sup>
| Verdampfungswärme = [[Sublimation (Physik)|Sublimation]]: 715 kJ/mol
| Schmelzwärme = 
| Schallgeschwindigkeit = D: 18350
| RefTempSchallgeschwindigkeit_K = 
| SpezifischeWärmekapazität = G: 709 J/(kg · K)<ref name="CRC_4_135">{{CRC Handbook |Auflage=90 |Titel= |Kapitel=4 |Startseite=135 |Endseite= }}</ref><br />D: 427
| RefTempSpezifischeWärmekapazität_K = 
| ElektrischeLeitfähigkeit = <!--G: 3 · 10<sup>6</sup> S/m<br/>D: 1 · 10<sup>−4</sup>-->
| RefTempElektrischeLeitfähigkeit_K = 
| Wärmeleitfähigkeit = <!--G: 119–165 W/(m·K)<br/>D: 900–1300-->
| RefTempWärmeleitfähigkeit_K = 
<!--- Chemisch --->
| Oxidationszustände = −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4
| Normalpotential = 
| Elektronegativität = 2,55
| Quelle GHS-Kz   = <ref name="GESTIS">{{GESTIS|Name=Kohlenstoff|ZVG=8040|CAS=7440-44-0|Abruf=2017-04-30}}</ref>
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|-}}
| GHS-Signalwort  = 
| H               = {{H-Sätze|-}}
| EUH             = {{EUH-Sätze|-}}
| P               = {{P-Sätze|-}}
| Quelle P        = <ref name="GESTIS" />
| Radioaktiv      = 
<!--- Isotope --->
| Isotope = 
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 10
| NH = 0
| Halbwertszeit = 19,255 s
| Zerfallstyp1ZM = [[Elektronen-Einfang|ε]]
| Zerfallstyp1ZE = 3,648
| Zerfallstyp1ZP = [[Bor|<sup>10</sup>B]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 11
| NH = 0
| Halbwertszeit = 20,39 min
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>+</sup>]], [[Elektronen-Einfang|ε]]
| Zerfallstyp1ZE = 1,982
| Zerfallstyp1ZP = [[Bor|<sup>11</sup>B]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Symbol = C
| Massenzahl = 12
| NH = '''98,9'''
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Symbol = C
| Massenzahl = 13
| NH = 1,1
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 14
| NH = < 10<sup>−9</sup>
| Halbwertszeit = 5730 [[Jahr|a]]
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 0,156
| Zerfallstyp1ZP = [[Stickstoff|<sup>14</sup>N]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 15
| NH = 0
| Halbwertszeit = 2,449 s
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 9,772
| Zerfallstyp1ZP = [[Stickstoff|<sup>15</sup>N]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Symbol = C
| Massenzahl = 16
| NH = 0
| Halbwertszeit = 0,747 s
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 8,012
| Zerfallstyp1ZP = [[Stickstoff|<sup>16</sup>N]]
}}
| NMREigenschaften = 
{{Infobox Chemisches Element/NMR
| Symbol = C
| Massenzahl_1 = 12
| Kernspin_1 = 0
| Gamma_1 = 0
| Empfindlichkeit_1 = –
| Larmorfrequenz_1 = –
| Massenzahl_2 = 13
| Kernspin_2 = 1/2
| Gamma_2 = +6,728 · 10<sup>7</sup>
| Empfindlichkeit_2 = 0,0159
| Larmorfrequenz_2 = {{0}}50,33
}}
}}

'''Kohlenstoff''' (von [[Urgermanisch|urgerm.]] ''kul-a-, kul-ō(n)-'' ,Kohle‘) oder '''Carbon''' (von [[Latein|lat.]] ''carbō'' ,Holzkohle‘, latinisiert ''Carboneum'' oder ''Carbonium'') ist ein [[chemisches Element]] mit dem [[Elementsymbol]] C und der [[Ordnungszahl]] 6. Im [[Periodensystem]] steht es in der vierten [[Hauptgruppe]] bzw. der 14.&nbsp;[[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]] oder [[Kohlenstoffgruppe]] sowie der zweiten [[Chemische Elemente der zweiten Periode|Periode]].

Es kommt in der Natur sowohl in [[gediegen]]er (reiner) Form ([[Diamant]], [[Graphit]], [[Chaoit]]) als auch chemisch gebunden (z.&nbsp;B. in Form von [[Carbide]]n, [[Carbonate]]n, [[Kohlenstoffdioxid]], [[Erdöl]], [[Erdgas]] und [[Kohle]]) vor. Aufgrund seiner besonderen [[Elektronenkonfiguration]] (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung komplexer [[Molekül]]e und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an [[Chemische Verbindung|chemischen Verbindungen]] auf. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff und seine Verbindungen zur Grundlage des [[Leben]]s auf der Erde.

== Vorkommen ==
{{Hauptartikel|Kohlenstoffzyklus}}
[[Datei:Carbon cycle-cute diagram.svg|mini|[[Kohlenstoffzyklus]]: Die schwarzen Zahlen geben an, wie viele Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die violetten Zahlen geben an, wie viele Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr (Gt/a C) zwischen den einzelnen Speichern ausgetauscht werden.]]
Kohlenstoff ist ein essenzielles Element der [[Biosphäre]]; es ist in allen Lebewesen – nach [[Sauerstoff]] ([[Wasser]]) – dem Gewicht nach das bedeutendste Element. Alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.

Geologisch dagegen zählt Kohlenstoff nicht zu den häufigsten Elementen, denn in der Erdkruste beträgt der [[Massenanteil]] von Kohlenstoff nur 0,027 %.<ref Name="Brown">{{Literatur |Autor=Theodore L. Brown, H. Eugene Le May, Bruce E. Bursten |Titel=Chemie Die zentrale Wissenschaft |Verlag=MZ Pearson Studium Deutschland GmbH|Ort=München |Datum=2007 |ISBN=978-3-8273-7191-1 |Seiten=1123}}</ref>

In der unbelebten Natur findet sich Kohlenstoff sowohl elementar ([[Diamant]], [[Graphit]]) als auch in Verbindungen.
Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika (v.&nbsp;a. Südafrika und die Demokratische Republik Kongo) und Russland. Diamanten findet man häufig in vulkanischen Gesteinen wie [[Kimberlit]]. Graphit kommt relativ selten in kohlenstoffreichem [[Metamorphes Gestein|metamorphem Gestein]] vor. Die wichtigsten Vorkommen liegen in Indien und China.

Mehr als die Hälfte des Kohlenstoffs liegt in Form von anorganischem [[Carbonate#Carbonatgestein|Carbonatgestein]] vor<ref Name="Brown"/> (ca. 2,8 · 10<sup>16</sup>&nbsp;t). Carbonatgesteine sind weit verbreitet und bilden zum Teil Gebirge. Ein bekanntes Beispiel für Carbonat-Gebirge sind die [[Dolomiten]] in Italien. Die wichtigsten Carbonat-[[Mineral]]ien sind [[Calciumcarbonat]] (Modifikationen: [[Kalkstein]], [[Kreide (Gestein)|Kreide]], [[Marmor]]) CaCO<sub>3</sub>, Calcium-Magnesium-Carbonat ([[Dolomit (Mineral)|Dolomit]]) CaCO<sub>3</sub> · MgCO<sub>3</sub>, [[Eisen(II)-carbonat]] ([[Eisenspat]]) FeCO<sub>3</sub> und [[Zinkcarbonat]] ([[Zinkspat]]) ZnCO<sub>3</sub>.

Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Rohstoffe [[Kohle]], [[Erdöl]] und [[Erdgas]]. Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen, sondern Mischungen vieler verschiedener [[Organische Verbindung|organischer Verbindungen]]. Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher (Kohle) und tierischer (Erdöl, Erdgas) Überreste unter hohem Druck. Wichtige Kohlevorkommen liegen in den USA, China und Russland, ein bekanntes deutsches im [[Ruhrgebiet]]. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel (Irak, Saudi-Arabien). Weitere wichtige Ölvorkommen gibt es im Golf von Mexiko und in der Nordsee. Über festes [[Methanhydrat]] in der Tiefsee ist noch wenig bekannt.

Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als [[Kohlenstoffdioxid]] (kurz Kohlendioxid) vor. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen, bei der Atmung sowie vulkanisch und wird durch [[Photosynthese]] der Pflanzen verwertet. Auch in Wasser ist CO<sub>2</sub> gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil im Meer). Mit Stand 2015 waren ca. 830 Mrd. Tonnen Kohlenstoff in der Atmosphäre vorhanden. Da durch die Verbrennung [[Fossile Energie|fossiler Energieträger]] seit Beginn der [[Industrialisierung]] den Stoffflüssen in der Umwelt zuvor langfristig gebundenes CO<sub>2</sub> hinzugefügt wird, steigt der Anteil an der Zusammensetzung der Luft sukzessive an. 2015 betrug der Anteil 400 [[Parts per million|ppm]] bzw. 0,04 %; ein Anstieg von ca. 120 ppm gegenüber dem vorindustriellen Wert von 280 ppm. Insgesamt wurden seit Beginn der Industrialisierung ca. 530 Mrd. Tonnen Kohlenstoff durch fossile Energieträger freigesetzt, von denen etwa knapp die Hälfte in der Atmosphäre verblieb und jeweils gut ein Viertel von Ozeanen und Landökosystemen aufgenommen wurde.<ref>[[Markus Reichstein]]: ''Universell und Überall. Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem.'' In: [[Jochem Marotzke]], [[Martin Stratmann]] (Hrsg.): ''Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft.'' Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S.&nbsp;125–127.</ref>

Mengenmäßig ist der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Gesteinshülle ([[Lithosphäre]]) gespeichert. Alle anderen Vorkommen machen mengenmäßig nur etwa 1/1000 des Gesamt-Kohlenstoffs aus.

== Eigenschaften ==
[[Datei:carbon-phase-diagramp german.svg|mini|links|Phasendiagramm des Kohlenstoffs]]

=== Physikalische Eigenschaften ===
Kohlenstoff kommt in mehreren [[Allotropie|allotropen Modifikationen]] vor. Alle Feststoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf die beiden Grundtypen Diamant und Graphit zurückführen.

Im Diamant ist Kohlenstoff dreidimensional [[kovalent]] gebunden. Diamant ist ein [[Nichtleiter|Isolator]] und transparent. Er ist das härteste bekannte natürliche Material und wird als Schleifmittel eingesetzt.

Im Graphit ist die kovalente Bindung innerhalb der [[Basalebene]]n stärker als die beim Diamanten, während die Ebenen locker über [[Van-der-Waals-Kräfte]] gebunden sind. Die freien [[Π-Elektronensystem|π-Elektronen]] sind verantwortlich für die tiefschwarze Farbe, die leichte Spaltbarkeit und die hohe Leitfähigkeit entlang der Basalebenen. Graphit dient als hochtemperaturbeständiges Dichtungsmaterial und Schmiermittel sowie als Grundstoff für [[Bleistift]]minen.

[[Datei:Graphite-pV.svg|mini|Molvolumen von Graphit als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur]]
[[Datei:Diamond-pV.svg|mini|Molvolumen von Diamant als Funktion des Drucks bei Zimmertemperatur]]
Im Gegensatz zur landläufigen Meinung sind die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit jedoch keine Eigenschaft von Graphit an sich, sondern werden nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren gefunden. In Vakuen oder sehr trockener Atmosphäre steigt der [[Reibungskoeffizient]] von Graphit daher drastisch an.<ref>Bing K. Yen, Birgit E. Schwickert: [http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-10429.pdf ''Origin of low-friction behavior in graphite investigated by surface x-ray diffraction.''] (PDF; 215&nbsp;kB), Mai 2004.</ref>

Bei Normaldruck und Temperaturen unterhalb 4000&nbsp;K ist Graphit die thermodynamisch stabile Modifikation des Kohlenstoff (siehe Phasendiagramm). Wegen der hohen Aktivierungsenergie ist auch Diamant bei Raumtemperatur stabil und wandelt sich erst oberhalb 500&nbsp;°C merklich in Graphit um. Umgekehrt erfordert die Transformation von Graphit in Diamant einen Druck von mindestens 20.000&nbsp;bar (2&nbsp;GPa). Für eine ausreichend schnelle Reaktion sollte die Temperatur oberhalb von 1500&nbsp;°C liegen, bei einem Druck von 60.000&nbsp;bar entsprechend dem Phasendiagramm.

Kohlenstoff hat die höchste Temperaturbeständigkeit aller bekannten Materialien. Er sublimiert bei Normaldruck bei 3915&nbsp;K (3642&nbsp;°C),<ref name="CRC_4_008" /> ohne vorher an Festigkeit einzubüßen. Der [[Tripelpunkt]] liegt bei (10,8 ± 0,2) MPa und (4600 ± 300)&nbsp;K.<ref name="triple">{{Literatur |Autor=A. Greenville Whittaker |Titel=The controversial carbon solid–liquid–vapour triple point |Sammelwerk=[[Nature]] |Band=276 |Datum=1978 |Seiten=695–696 |DOI=10.1038/276695a0 }}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://lbruno.home.cern.ch/lbruno/documents/Bibliography/LHC_Note_78.pdf |titel=On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam |autor=J. M. Zazula |datum=1997 |zugriff=2009-06-06 |hrsg=CERN |format=PDF}}</ref><!--Zitat nach [[en:carbon]]-->

Kohlenstoff ist diamagnetisch. Pyrolytisch abgeschiedener Graphit hat eine große [[Anisotropie]] in der [[Magnetische Suszeptibilität|magnetischen Suszeptibilität]] (parallel: <math>\chi_{m}</math> = −85 · 10<sup>−6</sup>; senkrecht: <math>\chi_{m}</math> = −450 · 10<sup>−6</sup>),<ref name="Simon_Geim" /> Diamant ist dagegen isotrop (<math>\chi_{m}</math> = −22 · 10<sup>−6</sup>).

In seinen verschiedenen Modifikationen zeigt Kohlenstoff sehr unterschiedliche Eigenschaften. Kohlenstoff ist das härteste Element: als kristalliner Diamant wird auf der [[Härte#Härteprüfung nach Knoop|Härteskala nach Knoop]] der absolute Höchstwert von 90&nbsp;GPa erreicht. In der Form des Graphits ist Kohlenstoff nach Rubidium und Caesium mit 0,12&nbsp;GPa das drittweichste Element. Kohlenstoff besitzt auch die höchste Wärmeleitfähigkeit, die bei Raumtemperatur weit über 2000&nbsp;W/(m·K) liegt.<ref>''GIT Labor-Fachzeitschrift.'' Heft 9/2013, S.&nbsp;596, nach Jürgen Quadbeck-Seeger (Hrsg.): ''Chemie Rekorde.'' Wiley-VCH.</ref>

=== Chemische Eigenschaften ===
[[Molekül|Molekularer]] Kohlenstoff weist aufgrund seiner [[Chemische Stabilität|stabilen]] [[Konfiguration (Chemie)|Konfiguration]] eine geringe [[chemische Aktivität]] auf. Er kann eine [[Chemische Reaktion|Reaktion]] eingehen, wenn dem Atom zusätzliche [[Energie]] zugeführt wird und die [[Elektron]]en der Außenhülle abbrechen müssen. In diesem Moment wird die [[Wertigkeit (Chemie)|Wertigkeit]] des [[Chemisches Element|Elements]] 4, und aus diesem Grund hat Kohlenstoff in [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] eine [[Oxidationsstufe]] von +2, +4 und −4. Alle [[Chemische Reaktion|Reaktionen]] von Kohlenstoff mit [[Metalle]]n und [[Nichtmetalle]]n finden bei hohen Temperaturen statt. Dieses Element kann sowohl ein [[Oxidationsmittel]] als auch ein [[Reduktionsmittel]] sein. Die [[Reduktion (Chemie)|reduzierenden]] Eigenschaften von Kohlenstoff sind stark, so dass das [[Chemisches Element|Element]] in der [[Metallindustrie]] verwendet wird.

Die Fähigkeit von Kohlenstoff, [[Chemische Reaktion|chemische Reaktionen]] einzugehen, hängt von Faktoren wie der Reaktionstemperatur, der [[Allotrop|allotropen]] [[Modifikation (Chemie)|Modifikation]] und dem Dispersionsgrad ab. Er reagiert nicht mit [[Alkalische Lösung|Laugen]] und [[Säuren]] und sehr selten mit [[Halogene]]n. Eine der Haupteigenschaften von Kohlenstoff ist die Fähigkeit des [[Chemisches Element|Elements]], lange Ketten zwischen sich zu bilden. Die Ketten schließen sich [[Cyclische Verbindungen|zyklisch]] und es bilden sich Verzweigungen. Auf diese Weise entstehen millionenfach [[Organische Chemie|organische]] [[Chemische Verbindung|Verbindungen]]. Diese [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] können auch andere Elemente enthalten: [[Sauerstoff]], [[Stickstoff]], [[Schwefel]], [[Phosphor]], Halogene oder [[Metalle]].<ref>MEL Science: {{Webarchiv |url=https://melscience.com/US-en/articles/properties-and-characteristics-carbon-and-its-reac/ |wayback=20190804163657 |text=Properties and characteristics of carbon, and its reactions with oxygen}}</ref>

== Atommodell des Kohlenstoffs ==
[[Datei:Elektronenkonfiguration Kohlenstoff.png|mini|links|Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms im Grundzustand]]
Das Modell der Atom- und [[Molekülorbitaltheorie|Molekülorbitale]] veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt.

Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem [[Schalenmodell (Atomphysik)|Schalenmodell]] besetzen zwei Elektronen die innere ''1s''-Schale. Das ''2s''-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das ''2px''- und ''2py''- Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung.
Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem ''s''-Niveau ist kugelförmig. In einem ''p''-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen sanduhrförmigen Raum, jeweils eine Sanduhrhälfte links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen [[Koordinatensystem]]s platziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das ''py''- und ''pz''-Orbital (gemäß y- und z-Achse).

=== Diamant-Struktur (''sp<sup>3</sup>'') ===
[[Datei:Sp3-Orbital.svg|mini|links|Vier ''sp<sup>3</sup>''-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.]]
Das ''2s''-Niveau kann mit den 3 ''2p''-Niveaus [[Hybrid-Orbital|hybridisieren]] und 4 energetisch gleichwertige ''sp<sup>3</sup>''-Orbitale bilden. Dies kann man anschaulich so erklären, dass eines der s-Elektronen in das vorher leere p-Orbital gehoben wird und sich dabei die Orbitalenergien aller vier Orbitale der zweiten Stufe angleichen. Die neu entstehenden Orbitale besitzen eine langgestreckte, asymmetrische Tropfenform. Waren die Formen der ''p''-Orbitale punktsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung vergrößert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden übersichtlichkeitshalber fortgelassen. Die vier ''sp<sup>3</sup>''-Orbitale sind mit größtmöglichem Abstand zueinander symmetrisch im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines imaginären [[Tetraeder]]s.

Überlappen sich die ''sp<sup>3</sup>''-Orbitale von Atomen, können sie feste [[Kovalente Bindung|kovalente Bindungen]] bilden, die dann die tetraedrische Struktur widerspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des [[Diamant]]gitters (siehe Kristallstruktur dort.)

=== Graphit-Struktur (''sp<sup>2</sup>'') ===
[[Datei:Sp2-Orbital.svg|mini|links|Drei ''sp<sup>2</sup>''-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (trigonal) zueinander aus.]]
Sind nur 2 der 3 ''p''-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die so genannten ''sp<sup>2</sup>''-Orbitale. Die ''sp<sup>2</sup>''- Orbitale richten sich zweidimensional (als Fläche bzw. Ebene) aus; ober- und unterhalb dieser Fläche formt das übrigbleibende ''p''-Orbital jeweils einen Orbitallappen. Steht beispielsweise das ''p''-Orbital senkrecht auf der [[xy-Ebene]], liegen die ''sp<sup>2</sup>''- Orbitale trigonal in der xy-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das unhybridisierte ''p''-Orbital ist der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

''sp<sup>2</sup>''-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist trigonal; dies ist die Grundstruktur der Planarebenen des [[Graphit]]s (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen ''p''-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die ''pi''-Bindungen mit deutlich geringeren [[Bindungsenergie]]n als die ''sigma''-Bindungen der ''sp<sup>2</sup>'' beziehungsweise ''sp<sup>3</sup>''-Orbitale und bilden ober- und unterhalb der ''sigma''-Bindungsebene ein sogenanntes Elektronengas in Form atomrumpfunabhängiger („delokalisierter“) ''pi''-Elektronen.

Chemisch spricht man von einer [[Alkene|Doppelbindung]]. Die Schreibweise ''C=C'' vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen. Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen ''sp<sup>3</sup>''-Einfachbindung 'C–C' liegt bei 350&nbsp;kJ/mol, die der graphitartigen trigonalen ''sp<sup>2</sup>''-Doppelbindung ''C=C'' nur um 260&nbsp;kJ/mol höher. In einem hexagonalen Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die ''pi''-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe [[Benzol]]).

=== Dreifachbindung (''sp<sup>1</sup>'') ===
Wenn nur ein ''p''-Orbital mit dem ''s''-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete ''pi''-Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, liegen die verbliebenen ''p''-Orbitale auf den y- und z-Achsen. Zwei ''sp''-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas [[Ethin]] (Acetylen) ''HC ≡ CH''. Während ''sp<sup>3</sup>''-Bindungen dreidimensionale Strukturen formen und ''sp<sup>2</sup>'' zweidimensionale, bilden ''sp<sup>1</sup>''-Bindungen höchstens eindimensionale (lineare) Ketten, wie zum Beispiel H–C≡C–C≡C–H.

== Erscheinungsformen des Kohlenstoffs ==
[[Datei:Eight Allotropes of Carbon.svg|mini|400px|'''a)'''&nbsp;[[Diamant]], '''b)'''&nbsp;[[Graphit]] '''c)'''&nbsp;[[Lonsdaleit]] '''d)'''&nbsp;[[Fullerene|Buckminsterfulleren]] (C60) '''e)'''&nbsp;Fulleren C540 '''f)'''&nbsp;Fulleren C70 '''g)'''&nbsp;Amorpher Kohlenstoff '''h)'''&nbsp;[[Kohlenstoffnanoröhre|Nanoröhrchen]]]]
Elementarer Kohlenstoff existiert in drei [[Polymorphie (Materialwissenschaft)|Modifikationen]], basierend auf den Bindungsstrukturen ''sp<sup>3</sup>'' und ''sp<sup>2</sup>'': Diamant, Graphit und Fulleren.

Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

=== Modifikationen ===
==== Graphit ====
{{Hauptartikel|Graphit}}

Die ''sp<sup>2</sup>''-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über [[Van-der-Waals-Kräfte]] gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung.

Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr [[anisotrop]]: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, Wärmeleitung oder Ladungsübertragung von Kristallebene zu Kristallebene funktioniert hingegen relativ schlecht.

==== Diamant ====
[[Datei:Diamant tropfen.jpg|mini|Ein natürlicher Diamant im Tropfenschliff]]
{{Hauptartikel|Diamant}}

Die ''sp<sup>3</sup>''-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer [[Bandlücke]] von 5,45&nbsp;eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. [[Dotieren|Zugabe von Fremdatomen]] erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen, während mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluss bei Temperaturen um 1500&nbsp;°C in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ungefähr 700–800&nbsp;°C zu Kohlendioxid.

Diamant gilt unter Normalbedingungen (1&nbsp;bar, 25&nbsp;°C) gemeinhin als die [[Metastabilität|metastabile]] Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil
# die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
# bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluss der Umgebung – geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben – nicht berücksichtigt wurde/wird<ref>M. A. Carpenter: ''Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach.'' In: ''Stability of Minerals.'' Chapman & Hall, London 1992.</ref><ref>E. Salje: ''Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals.'' Cambridge University Press, Cambridge 1990.</ref> und schließlich
# Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, dass in einer Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.<!--Quelle?-->

==== Lonsdaleit ====
{{Hauptartikel|Lonsdaleit}}
Lonsdaleit, auch als ''hexagonaler Diamant'' bezeichnet, ist eine sehr seltene Modifikation des Diamanten. Er entsteht, wenn Graphit durch Schockereignisse, das heißt hohen Druck und hohe Temperatur wie beispielsweise durch [[Impakt]]ereignisse, in Diamant umgewandelt wird. Dabei bleibt der hexagonale Charakter der Kristallstruktur erhalten, jedes Kohlenstoffatom ist jedoch im Gegensatz zu Graphit an vier weitere [[Kovalente Bindung|kovalent]] gebunden.

==== Chaoit ====
{{Hauptartikel|Chaoit}}

Chaoit ist eine sehr seltene Modifikation, die ähnlich wie Graphit im hexagonalen Kristallsystem kristallisiert, jedoch mit anderen Gitterparametern und leicht abweichender Kristallstruktur. Er entsteht ähnlich wie Lonsdaleit durch [[Metamorphose (Geologie)#Impaktmetamorphose|Schock-Metamorphose]] in graphitischem Gneis.

==== Fullerene ====
[[Datei:C60-Fulleren-kristallin.JPG|mini|links|250px|Fulleren-C60-Kristalle]]
{{Hauptartikel|Fullerene}}

Ein reguläres [[hexagonal]]es Wabenmuster, wie es die C-Atome in den Basalebenen des Graphits ausbilden, ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entstehen gekrümmte Flächen, die sich bei bestimmten relativen Anordnungen der Fünf- und Sechsringe zu geschlossenen Körpern „aufrollen“. In den [[Fullerene]]n sind derartige Strukturen realisiert. Die ''sp<sup>2</sup>''-Bindungen liegen dabei nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur besteht nur noch aus Fünfecken und erfordert 20 Kohlenstoff-Atome, der dazugehörige Körper ist ein Pentagon-[[Dodekaeder]]. Dieses einfachste Fulleren ist bislang aber nur [[Massenspektrometrie|massenspektrometrisch]] nachgewiesen worden. Eines der stabilsten Fullerene besteht aus 60 Kohlenstoff-Atomen und enthält neben Sechsecken nur Fünfecke, die mit keinem anderen Fünfeck eine gemeinsame Kante besitzen. Das so entstehende Muster ([[abgestumpftes Ikosaeder]], ein [[archimedischer Körper]]) gleicht dem Muster auf einem (altmodischen) Fußball. Es wird zu Ehren von [[Richard Buckminster Fuller]] als Buckminster-Fulleren bezeichnet. Die Molekül-„Kugeln“ der Fullerene sind untereinander über relativ schwache [[Van-der-Waals-Kräfte|Van-der-Waals-Wechselwirkungen]] gebunden, ähnlich wie die Basalebenen im Graphit. Mittlerweile sind etliche Fullerene unterschiedlicher Größe isoliert und teilweise auch kristallisiert worden; sie können daher als echte [[Polymorphie (Materialwissenschaft)|Modifikation]](en) gelten. Fullerene kommen vermutlich in allen Rußen vor, so zum Beispiel auch in dem Ruß über Kerzenflammen.

[[Datei:C18 Structural Formula V-Seite001.svg|mini|150px|Strukturformel von Cyclo[18]carbon]]
==== Cyclo[18]carbon ====
{{Hauptartikel|Cyclo(18)carbon}}

[[Cyclo(18)carbon|Cyclo[18]carbon]] ist eine 2019 entdeckte cyclische Modifikation des Kohlenstoffs mit der Summenformel C<sub>18</sub>, die bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt stabil ist.<ref name="Kaiser">{{Literatur |Autor=Katharina Kaiser, Lorel M. Scriven, Fabian Schulz, Przemyslaw Gawel, Leo Gross, Harry L. Anderson |Titel=An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon |Sammelwerk=[[Science]] |Datum=2019 |Seiten=eaay1914 |DOI=10.1126/science.aay1914}}</ref>

=== Weitere Formen des Kohlenstoffs ===
==== Amorpher Kohlenstoff ====
In amorphem Kohlenstoff (a-C) sind die Atome ohne langreichweitige Ordnung vernetzt. Das Material lässt sich mit nahezu beliebigen ''sp<sup>2</sup>:sp<sup>3</sup>''-Hybridisierungsverhältnissen herstellen, wobei die Materialeigenschaften fließend von denen des Graphits zu denen des Diamanten übergehen. In der Industrie wird in diesem Fall häufig der Begriff Diamond-like Coating oder Diamond-like Carbon (DLC) verwendet.
Bei einem ''sp<sup>3</sup>''-Hybridisierungsanteil von über 70 % spricht man von tetraedrisch amorphem Kohlenstoff (ta-C). Dieses Material zeichnet sich durch hohen elektrischen Widerstand, extreme Härte und optische Transparenz aus. Die Herstellung kann mittels [[Physikalische Gasphasenabscheidung|PVD]]- oder [[PECVD]]-Methoden erfolgen. Das Material wird dabei als Schicht abgeschieden (amorphe [[Kohlenstoffschicht]]).

==== Kohlenstoff-Fasern ====
{{Hauptartikel|Kohlenstofffaser}}

Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig ''sp<sup>2</sup>''-gebundenem Kohlenstoff. Isotrope Fasern verhalten sich ähnlich wie polykristalliner Graphit und besitzen nur geringe Festigkeiten. Fasermatten und -bündel werden für Wärmedichtungen eingesetzt. Durch Strecken bei der Herstellung ist es möglich, die Basalebenen entlang der Faserachse auszurichten. Man erhält hochfeste Fasern mit Eigenschaften, die den theoretischen Werten von Graphit entlang der Basalebenen nahekommen. Anisotrope Kohlenstofffasern sind leicht, außerordentlich [[Elastizitätsmodul|steif]] und fest und werden in [[Verbundwerkstoff]]en genutzt.

==== Glaskohlenstoff ====
[[Datei:Glassy carbon and a 1cm3 graphite cube HP68-79.jpg|mini|Ein großes Stück Glas-Kohlenstoff.]]
{{Hauptartikel|Glaskohlenstoff}}

[[Glaskohlenstoff]] („Glassy Carbon“) ist ein hochtechnologischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige und keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint. Im Gegensatz zu Graphit besitzt Glaskohlenstoff eine fullerenartige Mikrostruktur. Dadurch ergibt sich eine große Vielfalt positiver Materialeigenschaften. Die Leitfähigkeit ist zum Beispiel geringer als bei Graphit.

==== Graphen ====
{{Hauptartikel|Graphen}}
[[Datei:Graphen.jpg|mini|[[Graphen]]-Modell]]
Als Graphen bezeichnet man eine Graphit-Basalebene von ''sp<sup>2</sup>''-hybridisiertem Kohlenstoff. Man erhält die dünnen Schichten durch chemisches Spalten von Graphit. Eingebettet in Kunststoffen eignet es sich als Ausgangsmaterial für neue Verbundwerkstoffe oder für Untersuchungen von zweidimensionalen Kristallen, außerdem wird an Anwendungen in der [[Elektronik]] geforscht.

==== Aktivkohle ====
{{Hauptartikel|Aktivkohle}}
[[Datei:Activated Carbon.jpg|mini|[[Aktivkohle]]]]
Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert gelöste Stoffe in geringer Konzentration aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

==== Ruß ====
{{Hauptartikel|Ruß}}

Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

==== Kohlenstoffnanoröhren ====
{{Hauptartikel|Kohlenstoffnanoröhre}}

Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, ''sp<sup>2</sup>''-hybridisierte Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von ''multiwalled carbon nanotubes'' (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu ''single-walled carbon nanotubes'' (SWCNT).

==== Carbon nanobuds ====
{{Hauptartikel|Carbon nanobud}}
Carbon nanobuds kombinieren die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen.

==== Kohlenstoffnanoschaum ====
{{Hauptartikel|Kohlenstoffnanoschaum}}
Kohlenstoffnanoschaum, ein [[Aerogel]], ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Graphitebenen. Er ähnelt dem Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren vernetzten Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun [[Nanometer]]n.

Davon zu unterscheiden ist Kohlenstoff-[[Aerogel]], das aus zusammengewachsenen Nanopartikeln besteht.
Seine Dichte liegt bei 200 bis 1000&nbsp;kg/m<sup>3</sup>.

==== Aerographit ====
{{Hauptartikel|Aerographit}}

Aerographit besteht aus einem Netzwerk poröser Kohlenstoffröhrchen und ist mit einer Dichte von 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter einer der leichtesten Feststoffe der Welt. Aerographit lässt sich um bis zu 95 % komprimieren und wieder in die ursprüngliche Form auseinanderziehen.

==== Nicht-graphitischer Kohlenstoff ====
„Nicht-graphitischer Kohlenstoff besteht aus Schichten von hexagonal angeordneten, sp<sup>2</sup>-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Diese Schichten sind ohne jegliche dreidimensionale Fernordnung annähernd parallel gestapelt.“<ref>Übersetzung aus E. Fitzer, K.-H. Kochling, H. P. Boehm, H. Marsh: ''Recommended Terminology for the Description of Carbon as a Solid (IUPAC Recommendations 1995).'' In: ''[[Pure and Applied Chemistry]]'', 1995, 67, S.&nbsp;473–506 ([[doi:10.1351/pac199567030473]]): "Non-graphitic carbons consists of layers of hexagonally arranged sp<sup>2</sup>-carbon atoms that are stacked nearly parallel without any three-dimensional long-range order.”</ref> Dieses Material besteht aus gegeneinander verdrehten und verschobenen Stapeln aus [[Graphen]]schichten. Diese Anordnung wird auch als turbostratisch bezeichnet. Hierbei kann der Abstand der Schichten untereinander deutlich von dem in Graphit gefundenen Schichtabstand abweichen. Die Mikrostrukturanalyse des Materials ist unter anderem mittels [[WAXS]] möglich, aufgrund der durch die signifikante Unordnung bedingten breiten und sich überlappenden Maxima können jedoch Standard-Verfahren wie die [[Scherrer-Gleichung]] nicht angewandt werden.

==== Carbin (Perlenketten) ====
{{Hauptartikel|Carbin}}
Innerhalb doppelwandiger Nanoröhrchen ist es im Jahre 2016 gelungen, als ''Carbin'' bezeichnete geradlinige Ketten zu synthetisieren, die aus mehr als 6000 Atomen bestehen.<ref>[http://science.orf.at/stories/1769045 ''Chemie: Rekordlänge: Kohlenstoff als Perlenkette.''] auf: ''orf.at'', 4. April 2016, abgerufen am 4. April 2016.</ref>

==== Q-carbon ====
{{Hauptartikel|Q-Carbon}}
Q-Carbon ist eine künstlich hergestellte [[Diamant|diamantartige]] [[Allotropie|allotrope]] Form des Kohlenstoffs, die als [[Ferromagnetismus|ferromagnetisch]] und härter als Diamant beschrieben wird.

== Verbindungen ==
Kohlenstoff ist das Element, das nach Wasserstoff die meisten Verbindungen aller Elemente bilden kann (Wasserstoff steht an erster Stelle, weil die meisten Kohlenstoffverbindungen auch Wasserstoff enthalten). Besonderheiten des Kohlenstoffs sind es, Ketten und Ringe mit sich selbst und anderen Elementen sowie Doppel- und Dreifachbindungen unter Beteiligung von π-Orbitalen zu bilden. Aufgrund seiner mittelstarken Elektronegativität hat er ein gutes Bindungsvermögen sowohl zu elektropositiveren als auch zu elektronegativeren Elementen. Alle Oxidationsstufen von −IV bis +IV kommen in der Natur in anorganischen oder organischen Verbindungen vor.

Kohlenstoffverbindungen werden traditionell bis auf wenige Ausnahmen zur [[Organische Chemie|organischen Chemie]] gezählt; diese wird auch manchmal als Chemie des Kohlenstoffs bezeichnet. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, [[Kohlenstoffkette|lange Ketten]] und [[kovalente Bindung]]en mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte [[anorganische Chemie]]. Auch die [[Biochemie]] ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie. Zu den einfachsten organischen Verbindungen zählen die [[Alkane]] [[Methan]] und [[Ethan]].

Nur relativ wenige Kohlenstoffverbindungen werden traditionell zu den anorganischen Verbindungen gestellt, darunter mengenmäßig am bedeutendsten die Sauerstoff-Verbindungen:

* [[Carbid]]e, Kohlenstoff-Element-Verbindungen des Typs E<sub>x</sub>C<sub>y</sub>, bei denen der Kohlenstoff der elektronegativere Reaktionspartner ist. Viele Metalle können Carbide bilden, die teilweise sehr hart sind und für Schneidwerkzeuge (z.&nbsp;B. [[Wolframcarbid]]) verwendet werden.

* [[Kohlenstoffmonoxid]] CO ist ein sehr giftiges Gas, das stark [[Reduktion (Chemie)|reduzierend]] wirkt und bei der Metallverhüttung (z.&nbsp;B. [[Eisen]]) eine wichtige Rolle spielt.

* [[Kohlenstoffdioxid]] CO<sub>2</sub> ist ein durch viele [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennungsvorgänge]] entstehendes [[Treibhausgas]]. Es wird von den meisten Lebewesen ausgeatmet und von Pflanzen in der [[Photosynthese]] verwendet. Kohlenstoffdioxid ist inzwischen zu etwa 0,04 % Bestandteil der Atmosphäre, in der vorindustriellen Aera betrug der Anteil 0,028 %.

* [[Kohlensäure]] H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> ist ein [[Metastabilität|metastabiles]] Produkt aus Wasser und im Wasser gelöstem CO<sub>2</sub>; eine mittelstarke Säure, die aber bezüglich der ständigen Umwandlung zwischen Kohlensäure und gelöstem CO<sub>2</sub> meist mit dem CO<sub>2</sub> zusammengefasst wird.

* [[Suboxid]]e wie [[Kohlenstoffsuboxid|Trikohlenstoffdioxid]] (Malonsäureanhydrid, C<sub>3</sub>O<sub>2</sub>), [[Tetrakohlenstoffdioxid]] (C<sub>4</sub>O<sub>2</sub>), [[Pentakohlenstoffdioxid]] (C<sub>5</sub>O<sub>2</sub>), [[Oxalsäureanhydrid]] (C<sub>4</sub>O<sub>6</sub>) und [[Mellitsäureanhydrid]] (C<sub>12</sub>O<sub>9</sub>).

* [[Hydrogencarbonate]] oder Bicarbonate E<sup>+</sup> HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>, deren bekanntester Vertreter [[Natriumhydrogencarbonat]] unter anderem als [[Backtriebmittel]] verwendet wird.

* [[Carbonate]] E<sup>2+</sup> CO<sub>3</sub><sup>2−</sup> sind die zweiwertigen [[Salze]] der Kohlensäure. Die beiden bekanntesten Carbonate sind [[Natriumcarbonat]], Trivialname Soda, ein wichtiger Grundstoff für die Glasherstellung, und [[Calciumcarbonat]], aus dem z.&nbsp;B. Muscheln, Schnecken ihre Schalen aufbauen und das [[Steinkorallen]] abscheiden. Das von ihnen und durch andere Prozesse über lange Zeiträume gebildete Calciumcarbonat bildet heute ganze Gebirge (siehe: [[Kalkstein]]). Calciumcarbonat ist weiterhin ein wichtiger Baustoff.

* Kohlenstoff-Schwefel-Verbindungen, von denen die bekannteste Verbindung [[Kohlenstoffdisulfid]] (Schwefelkohlenstoff, CS<sub>2</sub>), eine sehr giftige Flüssigkeit, ist.

* Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen, wie die [[Cyanid]]e, deren bekanntester Vertreter [[Kaliumcyanid]] ein sehr starkes, die [[Atmung]] blockierendes Gift ist. Viele andere Cyanide sind ähnlich giftig.

== Isotope ==
[[Datei:C14 methode physikalische grundlagen.svg|mini|<sup>14</sup>C-Kreislauf]]Es sind insgesamt 15 [[Isotop]]e zwischen <sup>8</sup>C und <sup>23</sup>C des Kohlenstoffs bekannt. Von diesen sind zwei, die Isotope <sup>12</sup>C und <sup>13</sup>C stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größeren Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist <sup>12</sup>C mit 98,93 %, <sup>13</sup>C hat einen Anteil von 1,07 %. Die langlebigsten instabilen Isotope sind <sup>11</sup>C, das mit einer [[Halbwertszeit]] von 20,364&nbsp;Minuten unter [[Betastrahlung|β<sup>+</sup>-Strahlung]] in <sup>11</sup>B übergeht und <sup>14</sup>C, das mit einer Halbwertszeit von 5730&nbsp;Jahren unter Betazerfall zu <sup>14</sup>N zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.<ref name="nubase">G. Audi, F. G. Kondev, Meng Wang, W.J. Huang, S. Naimi: ''The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties.'' In: ''Chinese Physics C.'' 41, 2017, S.&nbsp;030001, {{DOI|10.1088/1674-1137/41/3/030001}} ([https://www-nds.iaea.org/amdc/ame2016/NUBASE2016.pdf Volltext]).</ref>

<sup>12</sup>C ist laut Definition der Bezugspunkt für die Einheit der [[Atommasse]]. <sup>13</sup>C kann man in [[Kernspinresonanzspektroskopie|NMR]]-spektroskopischen Untersuchungen detektieren, da es, anders als <sup>12</sup>C, über ein magnetisches Moment verfügt. Das Verhältnis dieser beiden Isotope heißt [[Δ13C]] und wird in der [[Geochemie]], [[Paläoklimatologie]] und [[Paläozeanographie]] benutzt. Die grundsätzliche Annahme, dass sich Isotope desselben Elements chemisch ''exakt'' identisch verhalten, trifft insbesondere auf biologische Prozesse mit leichten Elementen nicht vollständig zu, und so können verschiedene Daten aus diesem Wert abgeleitet werden, unter anderem ob ein Organismus bevorzugt [[C3-Pflanze]]n oder [[C4-Pflanze]]n isst.<ref>https://academic.oup.com/ajcn/article/84/6/1380/4649225</ref>

<sup>14</sup>C entsteht durch die Reaktion von <sup>14</sup>N mit [[Kosmische Strahlung|kosmischer Strahlung]]. Die üblicherweise stattfindende Reaktion ist dabei <sup>14</sup>N(n,p)<sup>14</sup>C. Es trifft also ein Neutron auf Stickstoff-14 (das häufigste Stickstoffisotop) und es wird ein Proton ausgestoßen, wobei Kohlenstoff-14 entsteht. Die Reaktion ist [[exotherm]] und hat einen relativ großen [[Wirkungsquerschnitt]] sowohl mit schnellen als auch mit thermischen Neutronen. Lebewesen, die am [[Kohlenstoffzyklus]] teilnehmen, zeigen den gleichen Anteil an <sup>14</sup>C bezüglich der gesamten enthaltenen Kohlenstoffmenge wie die Atmosphäre. Nach dem Ende des Stoffwechsels, also beispielsweise nach der Fällung eines Baums, verringert sich dieser Anteil allmählich durch den radioaktiven Zerfall. Die Bestimmung des Anteils von <sup>14</sup>C zum gesamten Kohlenstoffgehalt erlaubt daher eine Altersbestimmung an Gegenständen aus organischem Material, die [[Radiokarbonmethode]], die vor allem in der [[Archäologie]] Verwendung findet. Während näherungsweise eine konstante Produktion von <sup>14</sup>C in der Hochatmosphäre angenommen werden kann, sind inzwischen historische Abweichungen nach oben bekannt und durch Quervergleich mit [[Dendrochronologie|dendrochronologisch]] datierten Objekten gut bestätigt.<ref>https://www.nature.com/articles/nature11123</ref> Durch atmosphärische Kernwaffentests ist der Gehalt der Erdatmosphäre an <sup>14</sup>C messbar gestiegen,<ref>https://www.cambridge.org/core/journals/quaternary-research/article/use-of-bomb-spike-calibration-and-highprecision-ams-14c-analyses-to-date-saltmarsh-sediments-deposited-during-the-past-three-centuries/1312C51C312457F5715C7FDC7A4FE1A3</ref> jedoch wird dieser Effekt durch die „Verdünnung“ mit CO<sub>2</sub> aus fossilen Quellen teilweise ausgeglichen, wie im Folgenden erläutert wird.<ref>https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168583X09011616</ref>

Aus Erdgas oder Erdöl gewonnenes, und aus dem Erdmantel stammendes CO<sub>2</sub> enthält so gut wie kein <sup>14</sup>C, das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zerfällt, im Vergleich zum CO<sub>2</sub> aus der Luft, wo das <sup>14</sup>C-Isotop laufend nachgebildet wird. <sup>14</sup>C kann daher als eine Art [[Tracer (Nuklearmedizin)|Tracer]] verwendet werden, um mithilfe von [[Szintillationsspektroskopie|Szintillationsspektrometern]] den Weg oder den Gehalt von Molekülen, die auf Erdöl basieren oder aus dem Erdmantel stammen, in Pflanzen zu bestimmen. Beispielsweise den CO<sub>2</sub>-Transport in der [[Atmungskette]].

Das kurzlebige Isotop <sup>11</sup>C findet Anwendung als [[Positronen-Emissions-Tomographie|PET-Nuklid]]. Dazu wird es an einem [[Zyklotron]] erzeugt und mittels geeigneter chemischer Verfahren zu [[Radiopharmakon|Radiopharmaka]] wie [<sup>11</sup>C]-Cholin umgesetzt.

Obwohl Kohlenstoff aufgrund seines niedrigen [[Wirkungsquerschnitt]]es für [[Neutroneneinfang]] ein exzellenter [[Neutronenmoderator]] ist, so ist nach einigen Jahren oder gar Jahrzehnten Einsatz in einem [[graphitmoderierter Kernreaktor|graphitmoderierten]] Reaktor durch Neutroneneinfang der Gehalt an <sup>13</sup>C aber auch <sup>14</sup>C messbar erhöht. Führte dies in der Vergangenheit zur Notwendigkeit der Entsorgung als „[[Atommüll]]“ so ist in jüngerer Zeit unter dem Begriff [[Diamantbatterie]] die Nutzbarmachung als [[Radionuklidbatterie]] zwar geringer Leistung aber sehr langer Lebensdauer im Gespräch.<ref>https://www.msn.com/en-us/money/other/the-radioactive-diamond-battery-that-will-run-for-28000-years/ar-BB1f7sFa</ref> Praktisch umgesetzt wurde das Konzept mit Stand 2021 aber noch nicht.<ref>https://www.snopes.com/fact-check/radioactive-diamond-batteries-real-thing/</ref>

== Literatur ==
* {{Holleman-Wiberg|Auflage=102.|Startseite=861|Endseite=918}}
* N.N. Greenwood, A. Earnshaw: ''Chemie der Elemente.'' 1. Auflage. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S.&nbsp;327–419.

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commons|Carbon|Kohlenstoff}}
{{Wikibooks|Praktikum Anorganische Chemie/ Kohlenstoff}}
{{Wikibooks|Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Kohlenstoff}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Periodensystem}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4164538-8|LCCN=sh/85/020090|NDL=00572686}}

[[Kategorie:Beschichtungswerkstoff]]