Fakten √ľber Kohlenstoff

Carbon ist ein unglaubliches Element. Ordne die Kohlenstoffatome auf eine Weise an, und sie werden weicher, biegsamer Graphit. Re-Jigger die Anordnung und - Presto! - Die Atome bilden Diamant, eines der härtesten Materialien der Welt.

Kohlenstoff ist auch die Schlüsselzutat für das meiste Leben auf der Erde; das Pigment, das die ersten Tätowierungen machte; und die Grundlage für technologische Wunderwerke wie Graphen, ein Werkstoff, der stärker ist als Stahl und flexibler als Gummi. [Siehe Periodensystem der Elemente]

Kohlenstoff kommt natürlich als Kohlenstoff-12 vor, der fast 99 Prozent des Kohlenstoffs im Universum ausmacht; Kohlenstoff-13, der etwa 1 Prozent ausmacht; und Kohlenstoff-14, der eine winzige Menge an Gesamtkohlenstoff darstellt, ist aber sehr wichtig für die Datierung organischer Objekte.

Nur die Fakten

  • Atomzahl (Anzahl der Protonen im Kern): 6
  • Atomsymbol (auf dem Periodensystem der Elemente): C
  • Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 12,0107
  • Dichte: 2,2670 Gramm pro Kubikzentimeter
  • Phase bei Raumtemperatur: fest
  • Schmelzpunkt: 6.422 Grad Fahrenheit (3.550 Grad C)
  • Siedepunkt: 6.872 F (3.800 C) (Sublimation)
  • Anzahl der Isotope: insgesamt 15; zwei stabile Isotope, die Atome des gleichen Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen sind.
  • Häufigste Isotope: Kohlenstoff-12 (6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen) und Kohlenstoff-13 (6 Protonen, 7 Neutronen und 6 Elektronen)

Carbon: Von Sternen zum Leben

Als das sechsthäufigste Element im Universum bildet sich Kohlenstoff im Bauch von Sternen in einer Reaktion, die als Tripel-Alpha-Prozess bezeichnet wird, gemäß dem Swinburne Center for Astrophysics and Supercomputing.

In älteren Sternen, die den größten Teil ihres Wasserstoffs verbrannt haben, sammelt sich übrig gebliebenes Helium an. Jeder Heliumkern hat zwei Protonen und zwei Neutronen. Unter sehr heißen Temperaturen - mehr als 100.000.000 Kelvin (179.999.540,6 F) - beginnen die Heliumkerne zu schmelzen, zuerst paarweise zu instabilen 4-Protonen-Berylliumkernen und schließlich, wenn genug Berylliumkerne vorhanden sind, zu einem Beryllium plus Helium. Das Endergebnis: Atome mit sechs Protonen und sechs Neutronen - Kohlenstoff.

Carbon ist ein Mustermacher. Es kann sich mit sich selbst verbinden und lange, elastische Ketten bilden, die Polymere genannt werden. Es kann aufgrund seiner Elektronenanordnung auch mit bis zu vier anderen Atomen verbunden sein. Atome sind als ein Kern angeordnet, der von einer Elektronenwolke umgeben ist, wobei Elektronen in unterschiedlichen Abständen vom Kern umherfliegen. Chemiker verstehen diese Abstände als Schalen und definieren die Eigenschaften von Atomen durch das, was in jeder Schale ist, nach der Universität von Kalifornien, Davis. Kohlenstoff hat zwei Elektronenschalen, von denen die erste zwei Elektronen hält und die zweite vier von acht möglichen. Wenn sich Atome verbinden, teilen sie Elektronen in ihrer äußersten Schale. Kohlenstoff hat vier leere Räume in seiner äußeren Hülle, so dass er sich mit vier anderen Atomen verbinden kann. (Es kann sich auch durch Bildung von Doppel- und Dreifachbindungen stabil an weniger Atome binden.)

Mit anderen Worten, Kohlenstoff hat Optionen. Und es nutzt sie: Fast 10 Millionen Kohlenstoffverbindungen wurden entdeckt, und Wissenschaftler schätzen, dass Kohlenstoff der Grundstein für 95 Prozent der bekannten Verbindungen ist, laut der Website Chemistry Explained. Die unglaubliche Fähigkeit von Carbon, sich mit vielen anderen Elementen zu verbinden, ist ein wichtiger Grund dafür, dass es für fast alles Leben entscheidend ist.

Carbon Entdeckung ist in der Geschichte verloren. Das Element war prähistorischen Menschen in Form von Holzkohle bekannt. Kohlenstoff als Kohle ist nach wie vor eine wichtige Brennstoffquelle weltweit und liefert laut der World Coal Association rund 30 Prozent der Energie weltweit. Kohle ist auch eine Schlüsselkomponente in der Stahlproduktion, während Graphit, eine andere Form von Kohlenstoff, ein übliches industrielles Schmiermittel ist.

Kohlenstoff-14 ist ein radioaktives Kohlenstoffisotop, das von Archäologen verwendet wird, um Objekte und Überreste zu datieren. Kohlenstoff-14 kommt natürlich in der Atmosphäre vor. Pflanzen nehmen es in der Atmung auf, in der sie den Zucker umwandeln, der während der Fotosynthese zurück in Energie gemacht wird, die sie verwenden, um andere Prozesse zu wachsen und beizubehalten, entsprechend der Staat Colorado-Universität. Tiere nehmen Kohlenstoff-14 in ihren Körper auf, indem sie Pflanzen oder andere pflanzenfressende Tiere essen. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5.730 Jahren, was bedeutet, dass nach dieser Zeit die Hälfte des Kohlenstoff-14 in einer Probe nach Angaben der University of Arizona verfällt.

Weil Organismen aufhören, Kohlenstoff-14 nach dem Tod aufzunehmen, können Wissenschaftler die Halbwertzeit von Kohlenstoff-14 als eine Art Uhr verwenden, um zu messen, wie lange es her ist, seit der Organismus abgestorben ist. Diese Methode arbeitet mit lebenden Organismen, einschließlich Objekten aus Holz oder anderem Pflanzenmaterial.

Wer wusste?

  • Carbon hat seinen Namen vom lateinischen Wort Carbowas "Kohle" bedeutet.
  • Diamanten und Graphit gehören zu den härtesten und weichsten natürlichen Materialien, die bekannt sind. Der einzige Unterschied zwischen den beiden ist ihre Kristallstruktur.
  • Kohlenstoff macht nach der Encyclopedia of Earth 0,032 Prozent der Lithosphäre der Erde (Kruste und äußerer Mantel) aus. Eine grobe Schätzung des Gewichts der Lithosphäre durch den Geologen David Smith von La Salle University beträgt 300.000.000.000.000.000.000.000.000 (oder 3 * 10 ^ 23) Pfund, was das ungefähre Gewicht von Kohlenstoff in der Lithosphäre 10.560.000.000.000.000.000.000.000 (oder 1.056 * 10 ^ 22) Pfund macht.
  • Kohlendioxid (ein Kohlenstoffatom plus zwei Sauerstoffatome) macht laut der National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) etwa 0,04 Prozent der Erdatmosphäre aus - ein Anstieg gegenüber der vorindustriellen Zeit aufgrund der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
  • Kohlenmonoxid (ein Kohlenstoffatom plus ein Sauerstoffatom) ist ein geruchloses Gas, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Kohlenmonoxid tötet durch Bindung an Hämoglobin, die sauerstofftragende Verbindung im Blut.Kohlenmonoxid bindet an Hämoglobin 210-mal stärker als Sauerstoff an Hämoglobin bindet, effektiv verdrängt Sauerstoff und erstickt das Gewebe, nach einer Veröffentlichung im Jahr 2001 in der Zeitschrift der Royal Society of Medicine.
  • Diamant, die auffälligste Version von Kohlenstoff, entsteht unter großem Druck tief in der Erdkruste. Der größte Diamanten, der jemals in Edelsteinqualität gefunden wurde, war der Cullinan-Diamant, der 1905 nach Angaben des Royal Collection Trust entdeckt wurde. Der ungeschliffene Diamant war 3.106,75 Karat. Der mit 530,2 Karat größte aus dem Stein geschnittene Edelstein ist eines der Kronjuwelen des Vereinigten Königreichs und wird als der Große Stern von Afrika bezeichnet.
  • Die Tätowierungen von Ötzi dem Eismann, einer 5300 Jahre alten Leiche, die gefroren in den Alpen gefunden wurde, wurden laut einer Studie aus dem Jahr 2009 im Journal of Archaeological Science aus Kohlenstoff eingefärbt. Kleine Einschnitte in der Haut wurden gemacht und Holzkohle eingerieben, vielleicht als Teil einer Akupunkturbehandlung.

Laufende Forschung

Kohlenstoff ist ein lang erforschtes Element, aber das bedeutet nicht, dass es nicht mehr zu entdecken gibt. In der Tat könnte das gleiche Element, das unsere prähistorischen Vorfahren als Holzkohle verbrannten, der Schlüssel zu den technischen Materialien der nächsten Generation sein.

1985 entdeckten Rick Smalley und Robert Curl von der Rice University in Texas und ihre Kollegen eine neue Form von Kohlenstoff. Durch das Verdampfen von Graphit mit Lasern schufen die Wissenschaftler laut der American Chemical Society ein mysteriöses neues Molekül aus reinem Kohlenstoff. Dieses Molekül erwies sich als eine kugelförmige Kugel aus 60 Kohlenstoffatomen. Das Forschungsteam nannte ihre Entdeckung die Buckminsterfullerene nach einem Architekten, der geodätische Kuppeln entwarf. Das Molekül wird jetzt häufiger als "Buckyball" bezeichnet. Die Forscher, die es entdeckten, gewannen 1996 einen Nobelpreis in der Chemie. Buckybälle sind gefunden worden, um die Verbreitung von HIV zu hemmen, entsprechend einer Studie, die 2009 im Journal der chemischen Informationen und der Modellierung veröffentlicht wurde; medizinische Forscher arbeiten daran, Moleküle molekülweise an Buckyballs zu binden, um Medikamente direkt an Infektionsstellen oder Tumore im Körper abzugeben; Dazu gehören unter anderem die Columbia University, die Rice University und andere.

Seitdem wurden andere neue, reine Kohlenstoffmoleküle - Fullerene genannt - entdeckt, darunter elliptisch geformte "Buckyeggs" und Kohlenstoff-Nanoröhren mit erstaunlichen Leitfähigkeitseigenschaften. Die Kohlenstoffchemie ist immer noch heiß genug, um Nobelpreise zu gewinnen: Forscher aus Japan und den Vereinigten Staaten haben 2010 eine gewonnen, um herauszufinden, wie man Kohlenstoffatome mithilfe von Palladiumatomen verbindet, eine Methode, die die Herstellung großer, komplexer Kohlenstoffmoleküle ermöglicht an die Nobel-Stiftung.

Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten mit diesen Kohlenstoff-Nanomaterialien, um Materialien direkt aus Science-Fiction herzustellen. Eine Veröffentlichung von 2010 in der Zeitschrift Nano Letters berichtet über die Erfindung flexibler, leitfähiger Textilien, die in eine Kohlenstoff-Nanoröhrchen- "Tinte" getaucht sind, die zur Speicherung von Energie verwendet werden kann und möglicherweise Batterien, Solarzellen und anderer Elektronik den Weg ebnet.

Vielleicht ist einer der heißesten Bereiche der Kohlenstoffforschung heute jedoch das "Wundermaterial" Graphen. Graphen ist eine Kohlenstoffschicht, die nur ein Atom dick ist. Es ist das stärkste bekannte Material und dabei ultraleicht und flexibel. Und es leitet Elektrizität besser als Kupfer.

Massenproduzierendes Graphen ist eine Herausforderung, obwohl Forscher im April 2014 berichteten, dass sie große Mengen mit nur einem Küchenmixer herstellen können. Wenn Wissenschaftler herausfinden können, wie man einfach viel Graphen herstellen kann, könnte das Material in der Technik enorm werden. Stellen Sie sich flexible, unzerbrechliche Gadgets vor, die auch hauchdünn sind. Kohlenstoff hat sich in der Tat von Kohle und Diamanten weit entfernt.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT) ist eine winzige, strohartige Struktur aus Kohlenstoffatomen. Diese Röhren sind äußerst nützlich in einer Vielzahl von elektronischen, magnetischen und mechanischen Technologien. Die Durchmesser dieser Röhren sind so klein, dass sie in Nanometern gemessen werden. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter - etwa 10.000 mal kleiner als ein menschliches Haar.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind mindestens 100-mal stärker als Stahl, aber nur ein Sechstel so schwer, so dass sie nahezu jedem Material Festigkeit verleihen können, so nanoScience Instruments. Sie sind auch besser als Kupfer bei der Leitung von Strom und Wärme.

Mit der Nanotechnologie wird Meerwasser in Trinkwasser verwandelt. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Prozess entwickelt, der das Meerwasser viel effizienter als herkömmliche Technologien aufnehmen kann.

Zum Beispiel pumpen traditionelle Entsalzungsverfahren Meerwasser unter hohem Druck und senden es durch Umkehrosmosemembranen. Diese Membranen stoßen dann alle großen Partikel, einschließlich Salze, ab, so dass nur sauberes Wasser hindurchtreten kann. Diese Entsalzungsanlagen sind jedoch sehr teuer und können laut LLNL nur etwa 10 Prozent des Wasserbedarfs eines Landes decken.

In der Nanoröhrchen-Studie ahmten die Wissenschaftler die Struktur biologischer Membranen nach: im Wesentlichen eine Matrix mit Poren in der Membran. Sie verwendeten Nanoröhren, die besonders klein waren - mehr als 50.000 Mal dünner als ein menschliches Haar. Diese winzigen Nanoröhren ermöglichen einen sehr hohen Wasserfluss, sind jedoch so eng, dass nur ein Wassermolekül gleichzeitig durch die Röhre passieren kann. Und vor allem sind die Salzionen zu groß, um durch die Röhre zu passen.

Die Forscher glauben, dass die neue Entdeckung wichtige Auswirkungen auf die nächste Generation sowohl von Wasserreinigungsprozessen als auch von High-Flux-Membrantechnologien hat.

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