Kohlenstoff

Kohlenstoff (von "Kohle") ist das chemische Element mit dem Symbol C und der Atomnummer 6. Als ein Mitglied der Gruppe 14 auf dem Periodensystem ist es nichtmetallisch und tetravalent — das Bereitstellen von vier Elektronen, um covalent chemische Obligationen zu bilden. Es gibt drei natürlich vorkommende Isotope, mit C und C stabil zu sein, während C radioaktiv ist, mit einer Halbwertzeit von ungefähr 5,730 Jahren verfallend. Kohlenstoff ist eines der wenigen seit der Altertümlichkeit bekannten Elemente.

Es gibt mehrere allotropes von Kohlenstoff, dessen die am besten bekannten Grafit, Diamant und amorpher Kohlenstoff sind. Die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff ändern sich weit mit der Allotropic-Form. Zum Beispiel ist Diamant hoch durchsichtig, während Grafit undurchsichtig und schwarz ist. Diamant ist unter den härtesten bekannten Materialien, während Grafit weich genug ist, um einen Streifen auf Papier (folglich sein Name vom griechischen Wort zu bilden, "um" zu schreiben). Diamant hat ein sehr niedriges elektrisches Leitvermögen, während Grafit ein sehr guter Leiter ist. Unter üblichen Zuständen hat Diamant das höchste Thermalleitvermögen aller bekannten Materialien.

Der ganze Kohlenstoff allotropes ist Festkörper unter üblichen Zuständen mit dem Grafit, der die am meisten thermodynamisch stabile Form ist. Sie sind chemisch widerstandsfähig und verlangen, dass hohe Temperatur sogar mit Sauerstoff reagiert. Der allgemeinste Oxydationsstaat von Kohlenstoff in anorganischen Zusammensetzungen ist +4, während +2 im Kohlenmonoxid und anderen Übergang-Metall carbonyl Komplexe gefunden wird. Die größten Quellen von anorganischem Kohlenstoff sind Kalksteine, Dolomiten und Kohlendioxyd, aber bedeutende Mengen kommen in organischen Ablagerungen von Kohle, Torf, Öl und Methan clathrates vor. Kohlenstoff bildet mehr Zusammensetzungen als jedes andere Element, mit fast zehn Millionen reinen organischen Zusammensetzungen beschrieben bis heute, die der Reihe nach ein winziger Bruchteil solcher Zusammensetzungen sind, die unter Standardbedingungen theoretisch möglich sind.

Kohlenstoff ist das 15. reichlichste Element in der Kruste der Erde und das vierte reichlichste Element im Weltall durch die Masse nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff. Es ist in allen bekannten Lebensformen da, und im menschlichen Körper ist der Kohlenstoff das zweite reichlichste Element durch die Masse (ungefähr 18.5 %) nach Sauerstoff. Dieser Überfluss, zusammen mit der einzigartigen Ungleichheit von organischen Zusammensetzungen und ihrer ungewöhnlichen Polymer bildenden Fähigkeit bei den auf der Erde allgemein gestoßenen Temperaturen, macht dieses Element die chemische Basis des ganzen bekannten Lebens.

Eigenschaften

Die verschiedenen Formen oder allotropes von Kohlenstoff schließen (sieh unten) die härteste natürlich vorkommende Substanz, den Diamanten und auch eine der weichsten bekannten Substanzen, Grafits ein. Außerdem hat es eine Sympathie dafür, mit anderen kleinen Atomen einschließlich anderer Kohlenstoff-Atome zu verpfänden, und ist dazu fähig, vielfache stabile covalent Obligationen mit solchen Atomen zu bilden. Infolgedessen, wie man bekannt, bildet Kohlenstoff fast zehn Millionen verschiedene Zusammensetzungen; die große Mehrheit aller chemischen Zusammensetzungen. Kohlenstoff hat auch den höchsten Sublimierungspunkt aller Elemente. Am atmosphärischen Druck hat es keinen Schmelzpunkt, wie sein dreifacher Punkt an 10.8 ± 0.2 MPa und 4,600 ± 300 K ist (~4.330 °C oder 7,820 °F), so sublimiert es an ungefähr 3,900 K.

Kohlenstoff-Subkalke in einem Kohlenstoff-Kreisbogen, der eine Temperatur von ungefähr 5,800 K hat (5,530 °C; 9,980 °F). So, ohne Rücksicht auf seine Allotropic-Form, bleibt Kohlenstoff fest bei höheren Temperaturen als die höchsten Schmelzpunkt-Metalle wie Wolfram oder Rhenium. Obwohl thermodynamisch anfällig, für die Oxydation widersteht Kohlenstoff Oxydation effektiver als Elemente wie Eisen und Kupfer, die schwächere abnehmende Reagenzien bei der Raumtemperatur sind.

Kohlenstoff-Zusammensetzungen bilden die Basis des ganzen bekannten Lebens auf der Erde, und der Zyklus des Kohlenstoff-Stickstoffs stellt etwas von der Energie zur Verfügung, die durch die Sonne und anderen Sterne erzeugt ist. Obwohl es eine außergewöhnliche Vielfalt von Zusammensetzungen bildet, sind die meisten Formen von Kohlenstoff unter üblichen Zuständen verhältnismäßig unreaktiv. Bei der Standardtemperatur und dem Druck widersteht es allen außer den stärksten Oxydationsmitteln. Es reagiert mit Schwefelsäure, Salzsäure, Chlor oder irgendwelchen Alkalien nicht. Bei Hochtemperaturen reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff, um Kohlenstoff-Oxyde zu bilden, und wird solche Metalloxyde als Eisenoxid zum Metall reduzieren. Diese exothermic Reaktion wird in der Eisen- und Stahlindustrie verwendet, um den Kohlenstoff-Inhalt von Stahl zu kontrollieren:

: + 4 C  3 Fe + 4 CO

mit dem Schwefel, um Kohlenstoff-Disulfid und mit dem Dampf in der Leuchtgas-Reaktion zu bilden:

:C + HO  CO + H.

Kohlenstoff verbindet sich mit einigen Metallen bei hohen Temperaturen, um metallische Karbide, wie das Eisenkarbid cementite in Stahl und Wolfram-Karbid zu bilden, das weit als ein Poliermittel verwendet ist und um harte Tipps zu machen, um Werkzeuge zu schneiden.

Bezüglich 2009 scheint graphene, das stärkste jemals geprüfte Material zu sein. Jedoch wird der Prozess des Trennens davon vom Grafit etwas technologische Entwicklung verlangen, bevor es wirtschaftlich genug ist, um in Industrieprozessen verwendet zu werden.

Das System von Kohlenstoff allotropes misst eine Reihe von Extremen ab:

Allotropes

Atomkohlenstoff ist eine sehr kurzlebige Art und deshalb, Kohlenstoff wird in verschiedenen Mehratombauten mit genanntem allotropes der verschiedenen molekularen Konfigurationen stabilisiert. Die drei relativ wohl bekannten allotropes von Kohlenstoff sind amorpher Kohlenstoff, Grafit und Diamant. Einmal betrachtet exotisch werden fullerenes heutzutage allgemein synthetisiert und in der Forschung verwendet; sie schließen buckyballs, Kohlenstoff nanotubes, Kohlenstoff nanobuds und nanofibers ein. Mehrere andere exotische allotropes sind auch, wie lonsdaleite, glasiger Kohlenstoff, Kohlenstoff nanofoam und geradliniger acetylenic Kohlenstoff (carbyne) entdeckt worden.

Die amorphe Form ist eine Zusammenstellung von Kohlenstoff-Atomen in einem nichtkristallenen, unregelmäßigen, glasigen Staat, der im Wesentlichen Grafit, aber nicht gehalten in einer kristallenen Makrostruktur ist. Es ist als ein Puder da, und ist der Hauptbestandteil von Substanzen wie Holzkohle, Lampenruß (Ruß) und aktivierter Kohlenstoff. Am normalen Druck nimmt Kohlenstoff die Form des Grafits an, in dem jedes Atom trigonally zu drei andere in einem Flugzeug verpfändet wird, das aus verschmolzenen sechseckigen Ringen, gerade wie diejenigen in aromatischen Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt ist. Das resultierende Netz ist 2-dimensional, und die resultierenden flachen Platten werden aufgeschobert und lose durch schwache Kräfte von van der Waals verpfändet. Das gibt Grafit seine Weichheit, und seine klebenden Eigenschaften (gleiten die Platten leicht vorbei an einander). Wegen des delocalization von einem der Außenelektronen jedes Atoms, um einen π-cloud zu bilden, führt Grafit Elektrizität, aber nur im Flugzeug jedes covalently hat Platte verpfändet. Das läuft auf einen niedrigeren Hauptteil elektrisches Leitvermögen für Kohlenstoff hinaus als für die meisten Metalle. Der delocalization ist auch für die energische Stabilität des Grafits über den Diamanten bei der Raumtemperatur verantwortlich.

Am sehr hohen Druck bildet Kohlenstoff den kompakteren allotrope Diamanten, fast zweimal die Dichte des Grafits habend. Hier wird jedes Atom vierflächig zu vier andere verpfändet, so ein 3-dimensionales Netz von gerunzelten sechs-membered Ringen von Atomen machend. Diamant hat dieselbe Kubikstruktur wie Silikon und Germanium und wegen der Kraft der Obligationen des Kohlenstoff-Kohlenstoff, es ist die härteste natürlich vorkommende Substanz in Bezug auf den Widerstand gegen das Kratzen. Gegen den populären Glauben, dass "Diamanten für immer sind", sind sie tatsächlich unter üblichen Zuständen thermodynamisch nicht stabil und verwandeln sich zum Grafit. Jedoch, wegen einer hohen Aktivierungsenergiebarriere, ist der Übergang in den Grafit bei der Raumtemperatur so äußerst langsam, um unbemerkenswert zu sein. Unter einigen Bedingungen kristallisiert Kohlenstoff als lonsdaleite. Diese Form hat ein sechseckiges Kristallgitter, wo alle Atome verpfändeter covalently sind. Deshalb sind alle Eigenschaften von lonsdaleite denjenigen des Diamanten nah.

Fullerenes haben eine einem Grafit ähnliche Struktur, aber statt der rein sechseckigen Verpackung enthalten sie auch Pentagon (oder sogar Heptagone) von Kohlenstoff-Atomen, die die Platte in Bereiche, Ellipsen oder Zylinder biegen. Die Eigenschaften von fullerenes (Spalt in buckyballs, buckytubes und nanobuds) sind noch nicht völlig analysiert worden und vertreten ein intensives Gebiet der Forschung in nanomaterials. Die Namen "fullerene" und "buckyball" werden nach Richard Buckminster Fuller, popularizer geodätischer Kuppeln gegeben, die der Struktur von fullerenes ähneln. Die buckyballs sind ziemlich große Moleküle gebildet völlig verpfändeten trigonally von Kohlenstoff, Sphäroide bildend (das am besten bekannte, und einfachstes ist der soccerball-geformte C buckminsterfullerene). Kohlenstoff nanotubes ist buckyballs strukturell ähnlich, außer dass jedes Atom trigonally in einer gekrümmten Platte verpfändet wird, die einen hohlen Zylinder bildet. Nanobuds wurden zuerst 2007 berichtet und sind Hybride bucky tube/buckyball Materialien (buckyballs sind covalently, der zur Außenwand eines nanotube verpfändet ist), die die Eigenschaften von beiden in einer einzelnen Struktur verbinden.

Des anderen entdeckten allotropes ist Kohlenstoff nanofoam ein eisenmagnetischer 1997 entdeckter allotrope. Es besteht aus einem Traube-Zusammenbau der niedrigen Dichte von Kohlenstoff-Atomen, die in einem losen dreidimensionalen Web aneinander gereiht sind, in dem die Atome trigonally in sechs - und sieben-membered Ringe verpfändet werden. Es ist unter den leichtesten bekannten Festkörpern mit einer Dichte von ungefähr 2 Kg/M. Ähnlich enthält glasiger Kohlenstoff ein hohes Verhältnis der geschlossenen Durchlässigkeit, aber gegen den normalen Grafit werden die graphitic Schichten wie Seiten in einem Buch nicht aufgeschobert, aber haben eine zufälligere Einordnung. Geradliniger acetylenic Kohlenstoff hat die chemische Struktur - (C::: C)-. Der Kohlenstoff in dieser Modifizierung ist mit der sp Augenhöhlenkreuzung geradlinig, und ist ein Polymer mit dem Wechseln einzelner und dreifacher Obligationen. Dieser Typ von carbyne ist von beträchtlichem Interesse zur Nanotechnologie, wie das Modul seines Youngs vierzigmal mehr als das des härtesten bekannten Materials - Diamant ist.

Ereignis

Kohlenstoff ist das vierte reichlichste chemische Element im Weltall durch die Masse nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff. Kohlenstoff ist in der Sonne, den Sternen, den Kometen, und in den Atmosphären von den meisten Planeten reichlich. Einige Meteorsteine enthalten mikroskopische Diamanten, die gebildet wurden, als das Sonnensystem noch eine protoplanetary Platte war. Mikroskopische Diamanten können auch durch den intensiven Druck und die hohe Temperatur an den Seiten von Meteorstein-Einflüssen gebildet werden.

In der Kombination mit Sauerstoff im Kohlendioxyd wird Kohlenstoff in der Atmosphäre der Erde (etwa 810 gigatonnes von Kohlenstoff) gefunden und in allen Wasserkörpern (etwa 36,000 gigatonnes von Kohlenstoff) aufgelöst. Ungefähr 1,900 gigatonnes von Kohlenstoff sind in der Biosphäre da. Kohlenwasserstoffe (wie Kohle, Erdöl und Erdgas) enthalten Kohlenstoff ebenso — Kohle "Reserven" (nicht "Mittel") beläuft sich auf ungefähr 900 gigatonnes, und Öl bestellt ungefähr 150 gigatonnes vor. Bewiesene Quellen von Erdgas sind ungefähr 175 10 Kubikmeter (ungefähr 105 gigatonnes Kohlenstoff vertretend), aber es wird geschätzt, dass es auch ungefähr 900 10 Kubikmeter "unkonventionelles" Benzin wie Schieferton-Benzin gibt, ungefähr 540 gigatonnes von Kohlenstoff vertretend.

(In der Vergangenheit waren Mengen von Kohlenwasserstoffen größer. In der Periode von 1751 bis 2008 wurden ungefähr 347 gigatonnes von Kohlenstoff als Kohlendioxyd zur Atmosphäre davon veröffentlicht, fossiler Brennstoffe.) zu brennen

Kohlenstoff wird auch als Methan und Methan-Hydrat in polaren Gebieten abgeschlossen. Es wird geschätzt, dass mindestens 1,400 Gt von Kohlenstoff in dieser Form gerade in (und unter) der Unterseebootpermafrostboden des sibirischen Bordes sind.

Kohlenstoff ist ein Hauptbestandteil in sehr großen Massen des Karbonat-Felsens (Kalkstein, Dolomit, Marmor und so weiter). Kohle ist die größte kommerzielle Quelle von Mineralkohlenstoff, für 4,000 gigatonnes oder 80 % des Fossil-Kohlenstoff-Brennstoffs verantwortlich seiend. Es ist auch an Kohlenstoff - zum Beispiel reich, Anthrazit enthält 92-98 %.

Bezüglich individuellen Kohlenstoff allotropes wird Grafit in großen Mengen in den Vereinigten Staaten (größtenteils in New York und Texas), Russland, Mexiko, Grönland und Indien gefunden. Natürliche Diamanten kommen im Felsen kimberlite, gefunden in alten vulkanischen "Hälsen" oder "Pfeifen" vor. Die meisten Diamantablagerungen sind in Afrika, namentlich in Südafrika, Namibia, Botswana, der Republik des Kongos und Sierra Leone. Es gibt auch Ablagerungen in Arkansas, Kanada, der russischen Arktis, Brasilien und im Nördlichen und Westlichen Australien. Diamanten werden jetzt auch vom Ozeanboden von Kap der guten Hoffnung wieder erlangt. Jedoch, obwohl Diamanten natürlich gefunden werden, werden ungefähr 30 % aller in den Vereinigten Staaten verwendeten Industriediamanten jetzt synthetisch gemacht.

Kohlenstoff 14 wird in oberen Schichten der Troposphäre und der Stratosphäre, an Höhen 9-15 km durch eine Reaktion gebildet, die durch kosmische Strahlen hinabgestürzt wird. Thermalneutronen werden erzeugt, die mit den Kernen des Stickstoffs 14 kollidieren, Kohlenstoff 14 und ein Proton bildend.

Isotope

Isotope von Kohlenstoff sind Atomkerne, die sechs Protone plus mehrere Neutronen enthalten (sich von 2 bis 16 ändernd). Kohlenstoff hat zwei stabile, natürlich vorkommende Isotope. Der Isotop-Kohlenstoff 12 (C) bildet 98.93 % des Kohlenstoff auf der Erde, während Kohlenstoff 13 (C) die restlichen 1.07 % bildet. Die Konzentration von C wird weiter in biologischen Materialien vergrößert, weil biochemische Reaktionen gegen C unterscheiden. 1961 hat die Internationale Vereinigung der Reinen und Angewandten Chemie (IUPAC) den Isotop-Kohlenstoff 12 als die Basis für Atomgewichte angenommen. Die Identifizierung von Kohlenstoff in NMR-Experimenten wird mit dem Isotop C getan.

Kohlenstoff 14 (C) ist ein natürlich vorkommendes Radioisotop, das in Spur-Beträgen auf der Erde von bis zu 1 Teil pro Trillion (0.0000000001 %) vorkommt, die größtenteils auf die Atmosphäre und oberflächlichen Ablagerungen, besonders Torfs und anderer organischer Materialien beschränkt sind. Dieses Isotop verfällt durch 0.158 MeV β Emission. Wegen seiner relativ kurzen Halbwertzeit von 5730 Jahren fehlt C in alten Felsen eigentlich, aber wird in der oberen Atmosphäre (niedrigere Stratosphäre und obere Troposphäre) durch die Wechselwirkung des Stickstoffs mit kosmischen Strahlen geschaffen. Der Überfluss an C in der Atmosphäre und in lebenden Organismen ist fast unveränderlich, aber nimmt wie vorherzusehen war in ihren Körpern nach dem Tod ab. Dieser Grundsatz wird in der Radiocarbon-Datierung, erfunden 1949 verwendet, der umfassend verwendet worden ist, um das Alter von kohlenstoffhaltigen Materialien mit Altern bis zu ungefähr 40,000 Jahren zu bestimmen.

Es gibt 15 bekannte Isotope von Kohlenstoff, und der am kürzesten gelebte von diesen ist C, der durch die Protonenemission und den Alpha-Zerfall verfällt und eine Halbwertzeit 1.98739x10 s hat. Der exotische C stellt einen Kernring aus, was bedeutet, dass sein Radius merkbar größer ist, als es erwartet würde, wenn der Kern ein Bereich der unveränderlichen Dichte wäre.

Bildung in Sternen

Die Bildung des Kohlenstoff Atomkern verlangt eine fast gleichzeitige dreifache Kollision von Alphateilchen (Helium-Kerne) innerhalb des Kerns eines riesigen oder superriesigen Sterns, der als der Prozess des dreifachen Alphas, als die Produkte von weiteren Kernfusionsreaktionen von Helium mit Wasserstoff oder einem anderen Helium-Kern bekannt ist, erzeugt Lithium 5 und Beryllium 8 beziehungsweise, von denen beide hoch nicht stabil sind und fast sofort zurück in kleinere Kerne verfallen. Das in Bedingungen von Temperaturen mehr als 100 megakelvin und Helium-Konzentration zufällig, dass die schnelle Vergrößerung und das Abkühlen des frühen Weltalls verboten, und deshalb kein bedeutender Kohlenstoff während des Urknalls geschaffen wurden. Statt dessen gestaltet das Innere von Sternen im horizontalen Zweig drei Helium-Kerne in Kohlenstoff mittels dieses Prozesses des dreifachen Alphas um. Um für die Bildung des Lebens verfügbar zu sein, weil wir es wissen, muss dieser Kohlenstoff dann später in den Raum als Staub in Supernova-Explosionen als ein Teil des Materials gestreut werden, welche spätere Formen die zweiten, der dritten Generation Sternsysteme, die Planeten von solchem Staub anwachsen lassen ließen. Das Sonnensystem ist ein solches der dritten Generation Sternsystem. Ein anderer der Fusionsmechanismen, die Sterne antreiben, ist der CNO Zyklus, in dem Kohlenstoff als ein Katalysator handelt, um der Reaktion zu erlauben, weiterzugehen.

Rotationsübergänge von verschiedenen Isotopic-Formen des Kohlenmonoxids (zum Beispiel, CO, CO und CO) sind im Submillimeter-Wellenlangenbereich feststellbar, und werden in der Studie sich kürzlich formender Sterne in molekularen Wolken verwendet.

Kohlenstoff-Zyklus

Unter Landbedingungen ist die Konvertierung eines Elements zu einem anderen sehr selten. Deshalb ist der Betrag von Kohlenstoff auf der Erde effektiv unveränderlich. So müssen Prozesse, die Kohlenstoff verwenden, ihn irgendwo erhalten und darüber sonst wohin verfügen. Die Pfade, denen Kohlenstoff in der Umgebung folgt, setzen den Kohlenstoff-Zyklus zusammen. Zum Beispiel ziehen Werke Kohlendioxyd aus ihrer Umgebung und verwenden es, um Biomasse, als in der Kohlenstoff-Atmung oder dem Zyklus von Calvin, einem Prozess des Kohlenstoff-Fixierens zu bauen. Etwas von dieser Biomasse wird von Tieren gegessen, wohingegen etwas Kohlenstoff von Tieren als Kohlendioxyd ausgeatmet wird. Der Kohlenstoff-Zyklus ist beträchtlich mehr kompliziert als diese kurze Schleife; zum Beispiel wird ein Kohlendioxyd in den Ozeanen aufgelöst; totes Werk oder Tiersache können Erdöl oder Kohle werden, die mit der Ausgabe von Kohlenstoff brennen kann, sollen Bakterien, es nicht verbrauchen.

Zusammensetzungen

Organische Zusammensetzungen

Kohlenstoff ist in der Lage, sehr lange Ketten zu bilden, C-C Obligationen miteinander zu verbinden. Dieses Eigentum wird Reihung genannt. Obligationen des Kohlenstoff-Kohlenstoff sind stark, und stabil. Dieses Eigentum erlaubt Kohlenstoff, sich fast unendliche Zahl von Zusammensetzungen zu formen; tatsächlich, dort sind Kohlenstoff enthaltende Zusammensetzungen mehr bekannt als alle Zusammensetzungen der anderen chemischen Elemente, die außer denjenigen von Wasserstoff verbunden sind (weil fast alle organischen Zusammensetzungen Wasserstoff auch enthalten).

Die einfachste Form eines organischen Moleküls ist der Kohlenwasserstoff — eine große Familie von organischen Molekülen, die aus zu einer Kette von Kohlenstoff-Atomen verpfändeten Wasserstoffatomen zusammengesetzt werden. Kettenlänge, Seitenketten und funktionelle Gruppen betreffen alle die Eigenschaften von organischen Molekülen. Durch die Definition von IUPAC sind alle anderen organischen Zusammensetzungen functionalized Zusammensetzungen von Kohlenwasserstoffen.

Kohlenstoff kommt im ganzen bekannten organischen Leben vor und ist die Basis der organischen Chemie. Wenn vereinigt, mit Wasserstoff bildet es verschiedene Kohlenwasserstoffe, die für die Industrie als Kühlmittel, Schmiermittel, Lösungsmittel, als chemischer feedstock für die Fertigung von Plastik und petrochemicals und als fossile Brennstoffe wichtig sind.

Wenn verbunden, mit Sauerstoff und Wasserstoff kann Kohlenstoff viele Gruppen von wichtigen biologischen Zusammensetzungen einschließlich Zuckers, lignans, chitins, alcohols, Fette, und aromatischen esters, carotenoids und terpenes bilden. Mit dem Stickstoff bildet es Alkaloide, und mit der Hinzufügung des Schwefels bildet auch es Antibiotika, Aminosäuren und Gummiprodukte. Mit der Hinzufügung von Phosphor zu diesen anderen Elementen bildet es DNA und RNS, die Transportunternehmen des chemischen Codes des Lebens, und das Adenosin triphosphate (ATP), das wichtigste Energieübertragungsmolekül in allen lebenden Zellen.

Anorganische Zusammensetzungen

Allgemein Kohlenstoff enthaltende Zusammensetzungen, die mit Mineralen vereinigt werden, oder die Wasserstoff oder Fluor nicht enthalten, werden getrennt von klassischen organischen Zusammensetzungen behandelt; jedoch ist die Definition nicht starr (sieh Bezugsartikel oben). Unter diesen sind die einfachen Oxyde von Kohlenstoff. Das prominenteste Oxyd ist Kohlendioxyd . Das war einmal der Hauptbestandteil der Paläoatmosphäre, aber ist ein geringer Bestandteil der Atmosphäre der Erde heute. Aufgelöst in Wasser bildet es kohlenstoffhaltige Säure , aber als die meisten Zusammensetzungen mit dem Vielfache einzeln verpfändeter oxygens auf einem einzelnen Kohlenstoff ist es nicht stabil. Durch dieses Zwischenglied aber werden Klangfülle-stabilisierte Karbonat-Ionen erzeugt. Einige wichtige Minerale sind Karbonate, namentlich Kalkspat. Kohlenstoff-Disulfid ist ähnlich.

Das andere allgemeine Oxyd ist Kohlenmonoxid (CO). Es wird durch das unvollständige Verbrennen gebildet, und ist ein farbloses, geruchloses Benzin. Die Moleküle enthält jeder ein dreifaches Band und ist ziemlich polar, auf eine Tendenz hinauslaufend, dauerhaft zu Hämoglobin-Molekülen zu binden, Sauerstoff versetzend, der eine niedrigere verbindliche Sympathie hat. Zyanid (CN), hat eine ähnliche Struktur, aber benimmt sich viel wie ein Halogenid-Ion (Pseudohalogen). Zum Beispiel kann es das Nitrid cyanogen Molekül ((CN)) bilden, der diatomic Halogeniden ähnlich ist. Andere ungewöhnliche Oxyde sind Kohlenstoff-Suboxyd , das nicht stabile dicarbon Monoxyd (CO), Kohlenstoff-Trioxid (CO), cyclopentanepentone (CO) cyclohexanehexone (CO), und mellitic Anhydrid (CO).

Mit reaktiven Metallen, wie Wolfram, bildet Kohlenstoff entweder Karbide (C) oder acetylides , um Legierung mit hohen Schmelzpunkten zu bilden. Diese Anionen werden auch mit dem Methan und dem Acetylen, den beiden sehr schwachen Säuren vereinigt. Mit einer Elektronegativität 2.5 zieht Kohlenstoff es vor, covalent Obligationen zu bilden. Einige Karbide sind covalent Gitter wie Karborundum (SIC), das Diamanten ähnelt.

Organometallic vergleicht sich

Zusammensetzungen von Organometallic enthalten definitionsgemäß mindestens ein mit dem Kohlenstoff metallenes Band. Eine breite Reihe solcher Zusammensetzungen besteht; Hauptklassen schließen einfache Alkyl-Metallzusammensetzungen (zum Beispiel, tetraethyllead), η-alkene Zusammensetzungen (zum Beispiel, das Salz von Zeise), und η-Allyl-Zusammensetzungen (zum Beispiel, allylpalladium Chlorid dimer) ein; metallocenes, der cyclopentadienyl ligands (zum Beispiel, ferrocene) enthält; und Übergang-Metall carbene Komplexe. Viele Metall carbonyls bestehen (zum Beispiel, tetracarbonylnickel); einige Arbeiter denken, dass das Kohlenmonoxid ligand, und nicht organometallic rein anorganisch ist.

Während, wie man versteht, Kohlenstoff vier Obligationen exklusiv bildet, ist eine interessante Zusammensetzung, die einen octahedral hexacoordinated Kohlenstoff-Atom enthält, berichtet worden. Der cation der Zusammensetzung ist [(PhPAu) C]. Dieses Phänomen ist dem aurophilicity des Goldes ligands zugeschrieben worden.

Geschichte und Etymologie

Der englische Namenkohlenstoff kommt aus dem lateinischen carbo für Kohle und Holzkohle, woher auch kommt der französische charbon, Holzkohle bedeutend. Auf Deutsch, Niederländisch und Dänisch, sind die Namen für Kohlenstoff Kohlenstoff, koolstof und kulstof beziehungsweise, die ganze wörtlich bedeutende Kohlensubstanz.

Kohlenstoff wurde in der Vorgeschichte entdeckt und war in den Formen des Rußes und der Holzkohle zu den frühsten menschlichen Zivilisationen bekannt. Diamanten waren wahrscheinlich schon in 2500 BCE in China bekannt, während der Kohlenstoff in der Form von Holzkohle um römische Zeiten durch dieselbe Chemie gemacht wurde, wie es heute, durch die Heizung von Holz in einer mit Ton bedeckten Pyramide ist, um Luft auszuschließen.

1722 hat René Antoine Ferchault de Réaumur demonstriert, dass Eisen in Stahl durch die Absorption von einer Substanz, jetzt bekannt umgestaltet wurde, Kohlenstoff zu sein. 1772 hat Antoine Lavoisier gezeigt, dass Diamanten eine Form von Kohlenstoff sind; als er Proben von Holzkohle und Diamanten verbrannt hat und gefunden hat, dass keiner jedes Wasser erzeugt hat, und dass beide denselben Betrag des Kohlendioxyds pro Gramm veröffentlicht haben.

1779 hat Carl Wilhelm Scheele gezeigt, dass Grafit, von dem als eine Form der Leitung gedacht worden war, stattdessen mit Holzkohle identisch war, aber mit einer kleinen Mischung von Eisen, und dass es "Luftsäure" (sein Name für das Kohlendioxyd), wenn oxidiert, mit Stickstoffsäure gegeben hat. 1786 haben die französischen Wissenschaftler Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge und C. A. Vandermonde bestätigt, dass Grafit größtenteils Kohlenstoff durch das Oxidieren davon in Sauerstoff auf die ziemlich gleiche Weise war, wie Lavoisier mit dem Diamanten getan hatte. Etwas Eisen wurde wieder verlassen, den die französischen Wissenschaftler gedacht haben, war für die Grafit-Struktur notwendig. Jedoch in ihrer Veröffentlichung haben sie den Namen carbone (lateinischer carbonum) für das Element im Grafit vorgeschlagen, der als ein Benzin auf den brennenden Grafit abgegeben wurde. Antoine Lavoisier hat dann Kohlenstoff als ein Element in seinem 1789-Lehrbuch verzeichnet.

Ein neuer allotrope von Kohlenstoff, fullerene, der 1985 entdeckt wurde, schließt Nanostructured-Formen wie buckyballs und nanotubes ein. Ihre Entdecker - Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley - haben den Nobelpreis in der Chemie 1996 erhalten. Das resultierende erneuerte Interesse an neuen Formen führt zur Entdeckung von weiterem exotischem allotropes, einschließlich glasigen Kohlenstoff und der Verwirklichung, dass "amorpher Kohlenstoff" nicht ausschließlich amorph ist.

Produktion

Grafit

Gewerblich lebensfähige natürliche Ablagerungen des Grafits kommen in vielen Teilen der Welt vor, aber die wichtigsten Quellen sind wirtschaftlich in China, Indien, Brasilien und Nordkorea. Grafit-Ablagerungen sind des metamorphen Ursprungs, der in Verbindung mit Quarz, Glimmerschiefer und Feldspaten in Schiefern, Gneis und umgestalteten Sandsteinen und Kalkstein als Linsen oder Adern manchmal eines Meters oder mehr in der Dicke gefunden ist. Ablagerungen des Grafits in Borrowdale, Cumberland, war England an zuerst der genügend Größe und Reinheit, dass, bis zum 19. Jahrhundert, Bleistifte einfach durch das Sägen von Blöcken des natürlichen Grafits in Streifen vor dem Einhüllen der Streifen in Holz gemacht wurden. Heute werden kleinere Ablagerungen des Grafits durch das Zerknittern der Elternteilfelsen und das Schwimmen des leichteren Grafits auf Wasser erhalten.

Es gibt drei Typen des natürlichen Grafits — amorph, Flocke oder kristallene Flocke, und Ader oder Klumpen. Amorpher Grafit ist die niedrigste Qualität und am reichlichsten. Gegen die Wissenschaft, in "der amorphen" Industrie bezieht sich auf die sehr kleine Kristallgröße aber nicht den ganzen Mangel an der Kristallstruktur. Amorph wird für niedrigere Wertgrafit-Produkte verwendet und ist der niedrigste bewertete Grafit. Große amorphe Grafit-Ablagerungen werden in China, Europa, Mexiko und den Vereinigten Staaten gefunden.

Flocke-Grafit ist weniger üblich und von der höheren Qualität als amorph; es kommt als getrennte Teller vor, die im metamorphen Felsen kristallisiert haben. Flocke-Grafit kann viermal der Preis von amorphen sein. Gute Qualitätsflocken können in den erweiterbaren Grafit für vielen Gebrauch wie Flamme-Verzögerungsmittel bearbeitet werden. Die ersten Ablagerungen werden in Österreich, Brasilien, Kanada, China, Deutschland und Madagaskar gefunden. Ader- oder Klumpen-Grafit ist der seltenste, wertvollste und Typ der höchsten Qualität des natürlichen Grafits. Es kommt in Adern entlang aufdringlichen Kontakten in festen Klumpen vor, und es wird nur in Sri Lanka gewerblich abgebaut.

Gemäß dem USGS war die Weltproduktion des natürlichen Grafits 1.1 Millionen Tonnen 2010, zu denen China 800,00 t, Indien 130,000 t, Brasilien 76,000 t, Nordkorea 30,000 t und Kanada 25,000 t beigetragen hat. Kein natürlicher Grafit wurde abgebaut in den Vereinigten Staaten berichtet, aber 118,000 t des synthetischen Grafits mit einem geschätzten Wert von $ 998 Millionen wurde 2009 erzeugt.

Diamant

Die Diamantversorgungskette wird von einer begrenzten Zahl von starken Geschäften kontrolliert, und wird auch in einer kleinen Zahl von Positionen um die Welt hoch konzentriert (sieh Zahl).

Nur ein sehr kleine Bruchteil von Diamanterz besteht aus wirklichen Diamanten. Das Erz wird zerquetscht, während dessen Sorge genommen werden muss, um größere Diamanten davon abzuhalten, in diesem Prozess zerstört zu werden, und nachher die Partikeln durch die Dichte sortiert werden. Heute werden Diamanten im diamantreichen Dichte-Bruchteil mit der Hilfe der Röntgenstrahl-Fluoreszenz gelegen, nach der die Endsortieren-Schritte mit der Hand getan werden. Bevor der Gebrauch von Röntgenstrahlen gewöhnlich geworden ist, wurde die Trennung mit Fett-Riemen getan; Diamanten haben eine stärkere Tendenz zu stecken, um einzufetten, als die anderen Minerale im Erz.

Historisch, wie man bekannt, wurden Diamanten nur in alluvialen Ablagerungen im südlichen Indien gefunden. Indien hat die Welt in der Diamantproduktion von der Zeit ihrer Entdeckung in ungefähr dem 9. Jahrhundert BCE zur Mitte des 18. Jahrhunderts n.Chr. geführt, aber das kommerzielle Potenzial dieser Quellen war bis zum Ende des 18. Jahrhunderts erschöpft worden, und damals wurde Indien durch Brasilien verfinstert, wo die ersten Nichtindianerdiamanten 1725 gefunden wurden.

Die Diamantproduktion von primären Ablagerungen (kimberlites und lamproites) hat nur in den 1870er Jahren nach der Entdeckung der Diamantfelder in Südafrika angefangen. Produktion hat mit der Zeit zugenommen, und jetzt ist eine angesammelte Summe von 4.5 Milliarden Karaten seit diesem Datum abgebaut worden. Interessanterweise sind 20 % dieses Betrags in den letzten 5 Jahren allein abgebaut worden, und während der letzten zehn Jahre haben 9 neue Gruben Produktion angefangen, während noch 4 warten, um bald geöffnet zu werden. Die meisten dieser Gruben werden in Kanada, Simbabwe, Angola, und ein in Russland gelegen.

In den Vereinigten Staaten sind Diamanten in Arkansas, Colorado und Montana gefunden worden. 2004 hat eine erschreckende Entdeckung eines mikroskopischen Diamanten in den Vereinigten Staaten zur Hauptteil-Stichprobenerhebung im Januar 2008 von kimberlite Pfeifen in einem entfernten Teil Montanas geführt.

Heute sind am meisten gewerblich lebensfähige Diamantablagerungen in Russland, Botswana, Australien und der demokratischen Republik Kongo. 2005 hat Russland fast einen erzeugt, die der globalen Diamantproduktion fünft sind, berichtet der britische Geologische Überblick. Australien hat die reichste diamantiferous Pfeife mit der Produktion, die Maximalniveaus pro Jahr in den 1990er Jahren erreicht. Es gibt auch kommerzielle Ablagerungen, die in den Nordwestterritorien Kanadas, Sibiriens aktiv abbauen werden (größtenteils im Territorium von Yakutia; zum Beispiel, Pfeife von Mir und Pfeife von Udachnaya), Brasilien, und im Nördlichen und Westlichen Australien.

Anwendungen

Kohlenstoff ist für alle bekannten lebenden Systeme, und ohne es Leben notwendig, weil wir wissen, dass es nicht bestehen konnte (sieh alternative Biochemie). Der Hauptwirtschaftsgebrauch von Kohlenstoff außer dem Essen und Holz ist in der Form von Kohlenwasserstoffen, am meisten namentlich das Methan-Benzin des fossilen Brennstoffs und grobe Öl (Erdöl). Grobes Öl wird durch die petrochemische Industrie verwendet, um, unter anderen Dingen, Benzin und Leuchtpetroleum durch einen Destillationsprozess in Raffinerien zu erzeugen. Zellulose ist ein natürliches, Kohlenstoff enthaltendes Polymer, das von Werken in der Form von Baumwolle, Wäsche und Hanf erzeugt ist. Zellulose wird hauptsächlich verwendet, um Struktur in Werken aufrechtzuerhalten. Gewerblich wertvolle Kohlenstoff-Polymer des Tierursprungs schließen Wolle, Kaschmir und Seide ein. Plastik wird von synthetischen Kohlenstoff-Polymern, häufig mit Sauerstoff und Stickstoff-Atomen eingeschlossen regelmäßig in die Hauptpolymer-Kette gemacht. Die Rohstoffe für viele dieser synthetischen Substanzen kommen aus grobem Öl.

Der Gebrauch von Kohlenstoff und seinen Zusammensetzungen wird äußerst geändert. Es kann Legierung mit Eisen bilden, dessen das allgemeinste Flussstahl ist. Grafit wird mit Tönen verbunden, um die 'Leitung' zu bilden, die in Bleistiften verwendet ist, die verwendet sind, um zu schreiben und zu ziehen. Es wird auch als ein Schmiermittel und ein Pigment, als ein Zierleiste-Material in der Glasfertigung, in Elektroden für Trockenbatterien und in der Galvanik und electroforming in Bürsten für elektrische Motoren und als ein Neutronvorsitzender in Kernreaktoren verwendet.

Holzkohle wird als ein Zeichnungsmaterial in der Gestaltungsarbeit, für das Grillen, und in vielem anderem Gebrauch einschließlich der Eisenverhüttung verwendet. Holz, Kohle und Öl werden als Brennstoff für die Produktion der Energie und Raumheizung verwendet. Edelstein-Qualitätsdiamant wird in Schmucksachen verwendet, und Industriediamanten werden im Bohren, Ausschnitt und Polieren von Werkzeugen verwendet, um Metalle und Stein maschinell herzustellen. Plastik wird von Fossil-Kohlenwasserstoffen gemacht, und Kohlenstoff-Faser, die durch pyrolysis von synthetischen Polyester-Fasern gemacht ist, wird verwendet, um Plastik zu verstärken, um sich vorgebracht, zerlegbare Leichtgewichtsmaterialien zu formen. Kohlenstoff-Faser wird durch pyrolysis von ausgestoßenen und gestreckten Glühfäden von Polyacrylnitril (PFANNE) und andere organische Substanzen gemacht. Die crystallographic Struktur und mechanischen Eigenschaften der Faser hängen vom Typ des Ausgangsmaterials, und auf der nachfolgenden Verarbeitung ab. Von der PFANNE gemachte Kohlenstoff-Fasern haben Struktur, die schmalen Glühfäden des Grafits ähnelt, aber Thermalverarbeitung kann die Struktur in eine dauernde gerollte Platte wiederbestellen. Das Ergebnis ist Fasern mit der höheren spezifischen Zugbelastung als Stahl.

Schwarzer Kohlenstoff wird als das schwarze Pigment in Druckfarbe, Ölfarbe des Künstlers und Wasserfarben, Kohlepapier, Automobilschlüssen, Tusche und Laserdrucker-Toner verwendet. Schwarzer Kohlenstoff wird auch als ein Füller in Gummiprodukten wie Reifen und in Plastikzusammensetzungen verwendet. Aktivkohle wird als ein Absorptionsmittel und adsorbent im Filtermaterial in Anwendungen so verschieden verwendet wie Gasmasken, Wasserreinigung und Küchenex-Traktor-Motorhauben und in der Medizin, um Toxine, Gifte oder Benzin vom Verdauungssystem zu absorbieren. Kohlenstoff wird in der chemischen Verminderung bei hohen Temperaturen verwendet. Cola wird verwendet, um Eisenerz in Eisen zu reduzieren. Das Fall-Härten von Stahl wird durch die Heizung von beendeten Stahlbestandteilen in Kohlenstoff-Puder erreicht. Karbide von Silikon, Wolfram, Bor und Titan, sind unter den härtesten bekannten Materialien, und werden als Poliermittel im Ausschnitt und Schleifen von Werkzeugen verwendet. Kohlenstoff-Zusammensetzungen setzen die meisten Materialien zusammen, die in der Kleidung, wie natürliche und synthetische Textilwaren und Leder und fast alle Innenoberflächen in der gebauten Umgebung verwendet sind, außer dem Glas, Stein und Metall.

Diamanten

Die Diamantindustrie kann in zwei grundsätzlich verschiedene Kategorien weit gehend getrennt werden: Ein, sich mit Diamanten des Edelstein-Ranges und einem anderen für Industrierang-Diamanten befassend. Während ein großer Handel mit beiden Typen von Diamanten, die zwei Markttat auf drastisch verschiedene Weisen besteht.

Ein großer Handel mit Diamanten des Edelstein-Ranges besteht. Verschieden von Edelmetallen solch so Gold- oder Platin handeln Edelstein-Diamanten nicht wie eine Ware: Es gibt eine wesentliche Preiserhöhung im Verkauf von Diamanten, und es gibt nicht einen sehr aktiven Markt für den Wiederverkauf von Diamanten.

Der Markt für Industrierang-Diamanten funktioniert viel verschieden von seinem Kollegen des Edelstein-Ranges. Industriediamanten werden größtenteils wegen ihrer Härte geschätzt und heizen Leitvermögen, viele der gemological Eigenschaften des Diamanten, einschließlich der Klarheit und Farbe, größtenteils irrelevant machend. Das hilft zu erklären, warum 80 % von abgebauten Diamanten (gleich ungefähr 100 Millionen Karaten oder 20 Tonnen jährlich), unpassend für den Gebrauch als Edelsteine und bekannt als bort, für den Industriegebrauch bestimmt werden. Zusätzlich zu abgebauten Diamanten haben synthetische Diamanten Industrieanwendungen fast sofort nach ihrer Erfindung in den 1950er Jahren gefunden; weitere 3 Milliarden Karate (600 Tonnen) des synthetischen Diamanten werden jährlich für den Industriegebrauch erzeugt. Der dominierende Industriegebrauch des Diamanten ist in Ausschnitt, dem Bohren, Schleifen und Polieren. Der grösste Teil des Gebrauches von Diamanten in diesen Technologien verlangt große Diamanten nicht; tatsächlich können die meisten Diamanten, die Edelstein-Qualität abgesehen von ihrer kleinen Größe sind, einen Industriegebrauch finden. Diamanten werden in Bohrmaschine-Tipps eingebettet oder haben Klingen oder Boden in ein Puder für den Gebrauch im Schleifen und Polieren von Anwendungen gesehen. Spezialanwendungen schließen Gebrauch in Laboratorien als Eindämmung für Experimente des Hochdrucks ein (sieh Diamantamboss-Zelle), Hochleistungslager und beschränkter Gebrauch in Spezialfenstern. Mit den ständigen Fortschritten, die in der Produktion von synthetischen Diamanten machen werden, beginnen zukünftige Anwendungen, ausführbar zu werden. Das Speichern von viel Aufregung ist der mögliche Gebrauch des Diamanten als ein Halbleiter, der passend ist, um Mikrochips von, oder der Gebrauch des Diamanten als ein Hitzebecken in der Elektronik zu bauen.

Vorsichtsmaßnahmen

Reiner Kohlenstoff hat äußerst niedrige Giftigkeit Menschen und kann behandelt und sogar sicher in der Form des Grafits oder der Holzkohle aufgenommen werden. Es ist gegen die Auflösung oder den chemischen Angriff sogar im acidic Inhalt des Verdauungstrakts zum Beispiel widerstandsfähig. Folglich, sobald es in die Gewebe des Körpers eintritt, wird es wahrscheinlich dort unbestimmt bleiben. Schwarzer Kohlenstoff war wahrscheinlich eines der ersten Pigmente, die für tattooing und Ötzi zu verwenden sind, wie man fand, hatte der Eismann Kohlenstoff-Tätowierungen, die während seines Lebens und seit 5200 Jahren nach seinem Tod überlebt haben. Jedoch kann die Einatmung von Kohlenstaub oder Ruß (Kohlenstoff schwarz) in großen Mengen gefährliche, irritierende Lungengewebe und das Verursachen der congestive Lungenkrankheitscoalworker'S-Pneumokoniose sein. Ähnlich kann als ein Poliermittel verwendeter Diamantstaub Schaden, wenn aufgenommen oder eingeatmet zufügen. Mikropartikeln von Kohlenstoff werden in Dieselmotorabgasen erzeugt, und können in den Lungen anwachsen. In diesen Beispielen können sich die schädlichen Effekten aus Verunreinigung der Kohlenstoff-Partikeln, mit organischen Chemikalien oder schweren Metallen zum Beispiel, aber nicht vom Kohlenstoff selbst ergeben.

Kohlenstoff hat allgemein niedrige Giftigkeit zu fast dem ganzen Leben auf der Erde; jedoch einigen Wesen kann es noch - zum Beispiel toxisch sein, Kohlenstoff sind nanoparticles tödliche Toxine zur Taufliege.

Kohlenstoff kann auch kräftig und hell in Gegenwart von Luft bei hohen Temperaturen, als im Feuer von Windscale brennen, das durch die plötzliche Ausgabe der versorgten Energie von Wigner im Grafit-Kern verursacht wurde. Große Anhäufungen von Kohle, die träge für Hunderte von Millionen von Jahren ohne Sauerstoff geblieben sind, können spontan combust, wenn ausgestellt, zum Beispiel in Kohlenbergwerk-Verschwendungstipps zu lüften.

Die große Vielfalt von Kohlenstoff-Zusammensetzungen schließt solche tödlichen Gifte als tetrodotoxin, der lectin ricin von Samen des Kastoröl-Werks Ricinus communis, Zyanid (CN) und Kohlenmonoxid ein; und solche Hauptsache zum Leben als Traubenzucker und Protein.

Das Abbinden zu Kohlenstoff

Siehe auch

  • Kohlenstoff-Chauvinismus
  • Kohlenstoff-Fußabdruck
  • Wirtschaft des niedrigen Kohlenstoff
  • Zeitachse von Kohlenstoff nanotubes

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