9 wesentliche Fakten über Kohlenstoff

Wie gut kennen Sie das Periodensystem? Unsere Serie „Die Elemente“ erforscht die Grundbausteine des beobachtbaren Universums – und ihre Bedeutung für Ihr Leben, einen nach dem anderen.
Es kann glitzern und hart sein. Es kann weich und schuppig sein. Er kann wie ein Fußball aussehen. Kohlenstoff ist das Rückgrat aller Lebewesen – und doch könnte er das Ende des Lebens auf der Erde, wie wir es kennen, verursachen. Wie können ein Klumpen Kohle und ein glänzender Diamant aus demselben Material bestehen? Hier sind acht Dinge, die Sie wahrscheinlich nicht über Kohlenstoff wussten.

1. ES IST DAS „DUCT TAPE DES LEBENS“

Es ist in jedem Lebewesen, und in ziemlich vielen toten. „Wasser mag das Lösungsmittel des Universums sein“, schreibt Natalie Angier in ihrer klassischen Einführung in die Wissenschaft, The Canon, „aber Kohlenstoff ist das Klebeband des Lebens.“ Kohlenstoff ist nicht nur Klebeband, sondern auch ein verdammt gutes Klebeband. Es bindet Atome aneinander und formt Menschen, Tiere, Pflanzen und Gestein. Wenn wir mit ihm spielen, können wir aus ihm Kunststoffe, Farben und alle möglichen Chemikalien herstellen.

2. ES IST EINES DER HÄUFIGSTEN ELEMENTE IM UNIVERSUM.

Es steht ganz oben im Periodensystem, eingezwängt zwischen Bor und Stickstoff. Ordnungszahl 6, chemisches Zeichen C. Sechs Protonen, sechs Neutronen, sechs Elektronen. Es ist das vierthäufigste Element im Universum nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff und das 15. in der Erdkruste. Während man annimmt, dass seine älteren Vettern Wasserstoff und Helium während der Turbulenzen des Urknalls entstanden sind, geht man davon aus, dass Kohlenstoff aus einer Anhäufung von Alphateilchen in Supernova-Explosionen stammt, einem Prozess, der Supernova-Nukleosynthese genannt wird.

3. NACH KOHLE BENANNT.

Kohlenstoff ist den Menschen zwar seit Tausenden von Jahren als Kohle und – nach Verbrennung – als Ruß bekannt, aber erst Antoine Lavoisier zeigte 1772, dass es sich um eine einzigartige chemische Einheit handelt. Lavoisier verwendete ein Instrument, das die Sonnenstrahlen mit Hilfe von Linsen bündelte, die einen Durchmesser von etwa einem Meter hatten. Mit diesem Gerät, einem sogenannten Sonnenofen, verbrannte er einen Diamanten in einem Glasgefäß. Durch die Analyse der Rückstände im Glas konnte er nachweisen, dass der Diamant ausschließlich aus Kohlenstoff besteht. Lavoisier führte ihn in seinem 1789 veröffentlichten Lehrbuch Traité Élémentaire de Chimie erstmals als Element auf. Der Name Kohlenstoff leitet sich vom französischen charbon (Kohle) ab.

4. IT LOVES TO BOND.

Es kann vier Bindungen eingehen, die es mit vielen anderen Elementen eingeht, wodurch Hunderttausende von Verbindungen entstehen, von denen wir einige täglich verwenden. (Kunststoffe! Medikamente! Benzin!) Noch wichtiger ist, dass diese Bindungen sowohl stark als auch flexibel sind.

5. Nahezu 20 Prozent deines Körpers bestehen aus Kohlenstoff.

May Nyman, Professorin für anorganische Chemie an der Oregon State University in Corvallis, Oregon, erklärt gegenüber Mental Floss, dass Kohlenstoff eine fast unglaubliche Bandbreite hat. „Alle Lebensformen bestehen aus Kohlenstoff, und die Anzahl der Stoffe, aus denen er besteht, die Fette, die Zucker, ist enorm vielfältig“, sagt sie. Es bildet Ketten und Ringe, in einem Prozess, den Chemiker Verkettung nennen. Jedes Lebewesen ist auf einem Kohlenstoffgerüst (mit Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Elementen) aufgebaut. Tiere, Pflanzen, jede lebende Zelle und natürlich auch der Mensch sind also ein Produkt der Verkettung. Unser Körper besteht zu 18,5 Gewichtsprozent aus Kohlenstoff.

Und doch kann er auch anorganisch sein, sagt Nyman. In Verbindung mit Sauerstoff und anderen Stoffen bildet er große Teile der unbelebten Welt, wie Gesteine und Mineralien.

6. WIR HABEN ZWEI NEUE FORMEN VON KRAFTSTOFF ERST KÜRZLICH ENTDECKT.

Kohlenstoff gibt es in vier Hauptformen: Graphit, Diamanten, Fullerene und Graphen. „Die Struktur steuert die Eigenschaften von Kohlenstoff“, sagt Nyman. Graphit („der Schreibstein“) besteht aus lose verbundenen Kohlenstoffschichten, die wie Hühnerdraht geformt sind. Wenn man etwas mit Bleistift schreibt, kratzt man einfach Schichten von Graphit auf Papier. Diamanten dagegen sind dreidimensional miteinander verbunden. Diese außergewöhnlich starken Bindungen können nur durch einen enormen Energieaufwand aufgebrochen werden. Da Diamanten viele dieser Bindungen haben, sind sie die härteste Substanz auf der Erde.

Fullerene wurden 1985 entdeckt, als eine Gruppe von Wissenschaftlern Graphit mit einem Laser beschoss und das entstehende Kohlenstoffgas zu bisher unbekannten kugelförmigen Molekülen mit 60 und 70 Atomen kondensierte. Sie wurden zu Ehren von Buckminster Fuller benannt, dem exzentrischen Erfinder, der berühmte geodätische Kuppeln mit dieser fußballähnlichen Zusammensetzung schuf. Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley erhielten 1996 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung dieser neuen Form des Kohlenstoffs.

Das jüngste Mitglied der Kohlenstofffamilie ist Graphen, das 2004 zufällig von Andre Geim und Kostya Novoselov in einem improvisierten Forschungsstau entdeckt wurde. Die Wissenschaftler benutzten Klebeband – ja, wirklich – um ein Atom dicke Kohlenstoffschichten aus einem Graphitklumpen herauszulösen. Das neue Material ist extrem dünn und stark. Das Ergebnis: der Nobelpreis für Physik im Jahr 2010.

7. DIAMANTEN WERDEN NICHT AUFGRUND IHRES AUSSEHENS „EIS“ GENANNT.

Diamanten werden „Eis“ genannt, weil sie sich durch ihre Fähigkeit, Wärme zu transportieren, kühl anfühlen – nicht wegen ihres Aussehens. Das macht sie ideal für den Einsatz als Wärmesenken in Mikrochips. (Meist werden synthetische Diamanten verwendet.) Auch hier kommt die dreidimensionale Gitterstruktur von Diamanten ins Spiel. Wärme wird in Gitterschwingungen umgewandelt, die für die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamanten verantwortlich sind.

8. ES HILFT UNS, DAS ALTER VON ARTEKTEN ZU BESTIMMEN – UND EINIGE VON IHNEN ZU FÄLSCHEN.

Der amerikanische Wissenschaftler Willard F. Libby erhielt 1960 den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung einer Methode zur Datierung von Relikten durch die Analyse der Menge einer radioaktiven Unterart von Kohlenstoff in ihnen. Die Radiokohlenstoff- oder C14-Datierung misst den Zerfall einer radioaktiven Form von Kohlenstoff, C14, die sich in Lebewesen ansammelt. Sie kann für Objekte verwendet werden, die bis zu 50.000 Jahre alt sind. Die Kohlenstoffdatierung half bei der Bestimmung des Alters von Ötzi, dem Mann aus dem Eis, einer 5300 Jahre alten Leiche, die in den Alpen eingefroren gefunden wurde. Außerdem wurde festgestellt, dass die Tafelrunde von Lancelot in der Kathedrale von Winchester Hunderte von Jahren nach dem angeblichen Artuszeitalter hergestellt wurde.

9. ZU VIEL VERÄNDERT UNSERE WELT.

Kohlendioxid (CO2) ist ein wichtiger Teil der gasförmigen Decke, die unseren Planeten umhüllt und ihn warm genug macht, um Leben zu erhalten. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die auf Kohlenstoff basieren, wird jedoch mehr Kohlendioxid freigesetzt, was in direktem Zusammenhang mit der globalen Erwärmung steht. Es gibt eine Reihe von Vorschlägen zur Entfernung und Speicherung von Kohlendioxid, darunter Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, bei der große Baumbestände gepflanzt, geerntet und verbrannt werden, um Strom zu erzeugen, und das dabei entstehende CO2 aufgefangen und unterirdisch gespeichert wird. Ein weiterer diskutierter Ansatz besteht darin, die Ozeane künstlich alkalischer zu machen, damit sie mehr CO2 binden können. Wälder sind natürliche Kohlenstoffsenken, da Bäume während der Photosynthese CO2 binden, aber die menschlichen Aktivitäten in diesen Wäldern wirken dem entgegen und übertreffen jeden Gewinn an CO2-Bindung, den wir erzielen könnten. Kurz gesagt, wir haben noch keine Lösung für den Überschuss an C02, den wir in der Atmosphäre erzeugt haben.