Kohlenstoff - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Kohlenstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6. Er gehört zu den Nichtmetallen und steht in der 14. Gruppe des Periodensystems. Kohlenstoff ist besonders wichtig, weil seine Atome stabile Ketten, Ringe und räumliche Netzwerke bilden können. Deshalb ist er ein Grundbaustein des Lebens und der zentrale Ausgangspunkt der organischen Chemie.

Dieser aiMOOC richtet sich an Lernende der Sekundarstufe. Du lernst den Aufbau des Kohlenstoffatoms, wichtige Modifikationen, typische Verbindungen, Reaktionen und den Kohlenstoffkreislauf kennen.

Datei:Carbon (6 C).jpg

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du den Atombau von Kohlenstoff erklären, Diamant und Graphit mithilfe ihrer Struktur vergleichen, wichtige Kohlenstoffverbindungen unterscheiden, einfache Reaktionsgleichungen deuten und die Bedeutung des Kohlenstoffkreislaufs beschreiben.

Kohlenstoff im Periodensystem

Datei:Periodic table large.svg

Merkmal	Angabe
Elementsymbol	C
Ordnungszahl	6
Gruppe	14. Gruppe
Periode	2. Periode
Elementart	Nichtmetall
Elektronen im neutralen Atom	6
Außenelektronen	4

Die Ordnungszahl gibt die Zahl der Protonen im Atomkern an. Ein neutrales Kohlenstoffatom besitzt daher sechs Protonen und sechs Elektronen. Im einfachen Schalenmodell befinden sich zwei Elektronen in der ersten und vier Elektronen in der zweiten Schale.

Datei:Electron shell 006 Carbon.svg

Die Elektronenkonfiguration lautet:

$\mathrm{1}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\mathrm{2}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\mathrm{2}{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}$

Vier Außenelektronen ermöglichen bis zu vier kovalente Bindungen. Kohlenstoff kann sich auch mit weiteren Kohlenstoffatomen verbinden. So entstehen Ketten, verzweigte Ketten, Ringe und große Netzwerke.

Modifikationen des Kohlenstoffs

Verschiedene Strukturformen desselben Elements heißen Modifikationen oder Allotrope. Diamant, Graphit, Graphen und Fullerene bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich, weil die Atome unterschiedlich angeordnet und gebunden sind.

Datei:Carbon allotropes.svg

Datei:Diamond and graphite2.jpg

Diamant

Im Diamant ist jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Es entsteht ein stabiles dreidimensionales Netzwerk. Diese Struktur erklärt die große Härte des Diamanten. Diamant ist transparent und leitet elektrischen Strom kaum.

Datei:Diamond cubic crystal structure.svg

Typische Anwendungen sind Schneidwerkzeuge, Bohrköpfe, Schleifmittel und Schmuck.

Graphit

Im Graphit ist jedes Kohlenstoffatom mit drei Nachbaratomen verbunden. Die Atome bilden ebene Schichten. Zwischen den Schichten wirken vergleichsweise schwache Kräfte, sodass sie gegeneinander verschoben werden können. Deshalb ist Graphit weich und eignet sich für Bleistiftminen und Schmiermittel. Bewegliche Elektronen innerhalb der Schichten ermöglichen die elektrische Leitfähigkeit.

Datei:Graphite-crystal-structure.jpg

Graphen

Graphen besteht aus einer einzigen, wabenförmig aufgebauten Kohlenstoffschicht. Es ist sehr dünn, mechanisch belastbar und elektrisch leitfähig. Graphit kann vereinfacht als Stapel vieler Graphenschichten verstanden werden.

Datei:Graphene structure.svg

Fullerene und Nanostrukturen

Fullerene sind käfigartige Moleküle aus Kohlenstoffatomen. Ein bekanntes Beispiel ist das kugelförmige Molekül ${\mathrm{C}}_{\mathrm{60}}$. Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus röhrenförmig angeordneten Kohlenstoffnetzen. Solche Stoffe werden in der Nanotechnologie untersucht.

Datei:C60 Molecule.svg

Datei:Molecular Model of C60, Buckminsterfullerene - UCL Chemistry.jpg

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Struktur und Eigenschaft im Vergleich

Stoff	Bau	Typische Eigenschaft	Beispiel für eine Nutzung
Diamant	Dreidimensionales Netzwerk	Sehr hart, kaum elektrisch leitfähig	Schneidwerkzeug
Graphit	Schichten	Weich, elektrisch leitfähig	Bleistiftmine, Elektrode
Graphen	Einzelne Atomlage	Dünn, stabil, leitfähig	Forschung und Materialtechnik
Fulleren	Käfigartiges Molekül	Besondere Molekülform	Nanotechnologische Forschung

Das Beispiel zeigt ein wichtiges Grundprinzip der Chemie: Die Struktur eines Stoffes beeinflusst seine Eigenschaften und damit seine Verwendung.

Wichtige Kohlenstoffverbindungen

Kohlenstoff bildet sehr viele Verbindungen. Besonders wichtig sind Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Carbonate und organische Verbindungen.

Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid hat die Formel $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$. Das Molekül ist linear aufgebaut. Das Gas entsteht unter anderem bei vollständiger Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe, bei der Zellatmung und bei manchen Gärungen. Pflanzen nutzen Kohlenstoffdioxid bei der Photosynthese.

Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff gilt:

$\mathrm{C}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Kohlenstoffdioxid ist nicht brennbar. In hoher Konzentration ist es gefährlich, weil es die Atmung beeinträchtigt und Sauerstoff verdrängen kann.

Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffmonoxid hat die Formel $\mathrm{C}\mathrm{O}$. Es kann bei unvollständiger Verbrennung entstehen, wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist:

$\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{O}$

Datei:Carbon-monoxide-3D-vdW.png

Kohlenstoffmonoxid ist farb- und geruchlos und sehr giftig. Es behindert den Sauerstofftransport im Blut. Experimente zur unvollständigen Verbrennung gehören ausschließlich in fachkundige Hände. In Wohnräumen sind sichere Feuerstätten, gute Lüftung und geeignete Warnmelder wichtig.

Carbonate

Carbonate enthalten das Carbonat-Ion $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$. Calciumcarbonat $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$ kommt in Kalkstein, Kreide und Marmor vor. Carbonate reagieren mit Säuren unter Bildung von Kohlenstoffdioxid.

Organische Verbindungen

Viele Kohlenstoffverbindungen gehören zur organischen Chemie. Kohlenstoff kann Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen bilden. Dadurch entstehen unterschiedliche Moleküle, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Zucker, Fette, Proteine und Kunststoffe.

Ein einfaches Beispiel ist Methan:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}$

Die große Vielfalt organischer Stoffe beruht vor allem auf der Fähigkeit des Kohlenstoffs, stabile Bindungen mit sich selbst und mit Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel zu bilden.

Nachweis von Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid kann mit der Kalkwasserprobe nachgewiesen werden. Wird das Gas durch klares Kalkwasser geleitet, entsteht eine milchige Trübung aus Calciumcarbonat:

$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\downarrow }\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

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Sicheres Demonstrationsexperiment

Das Experiment wird unter Aufsicht einer Lehrkraft und mit Schutzbrille durchgeführt. Kohlenstoffdioxid kann beispielsweise aus Natriumhydrogencarbonat und verdünnter Zitronensäurelösung erzeugt und anschließend durch Kalkwasser geleitet werden. Die sichtbare Trübung ist der positive Nachweis. Du sollst niemals Flüssigkeiten über einen Schlauch mit dem Mund ansaugen oder unbekannte Gase einatmen.

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff wird ständig zwischen Atmosphäre, Lebewesen, Böden, Gewässern und Gesteinen ausgetauscht. Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid auf und bauen durch Photosynthese energiereiche Stoffe auf. Tiere und Menschen nehmen Kohlenstoff über die Nahrung auf. Zellatmung, Zersetzung und Verbrennung geben Kohlenstoff wieder als Kohlenstoffdioxid an die Umwelt ab.

Ozeane speichern große Mengen Kohlenstoff. Auch Carbonatgesteine und fossile Energieträger sind Kohlenstoffspeicher. Die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas verlagert zusätzlich Kohlenstoff in die Atmosphäre und beeinflusst damit den natürlichen Kreislauf und das Klima.

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Kohlenstoff in Alltag und Technik

Kohlenstoff begegnet Dir in Bleistiftminen, Aktivkohlefiltern, Kunststoffen, Brennstoffen, Stahl, Batterien und vielen Lebensmitteln. Aktivkohle besitzt eine große innere Oberfläche und kann Stoffe an ihrer Oberfläche binden. In Stahl beeinflusst ein kleiner Kohlenstoffanteil wichtige Materialeigenschaften. Graphit wird als Elektrodenmaterial und Diamant als Schneidstoff verwendet.

Nicht jeder schwarze Stoff besteht jedoch aus reinem Kohlenstoff. Kohle, Ruß und Koks enthalten je nach Herkunft und Herstellung weitere Stoffe. Deshalb muss zwischen dem chemischen Element Kohlenstoff und kohlenstoffreichen Stoffgemischen unterschieden werden.

Merksätze

1. Atombau: Kohlenstoff besitzt die Ordnungszahl 6 und vier Außenelektronen.
2. Modifikationen: Unterschiedliche Anordnungen der Kohlenstoffatome führen zu unterschiedlichen Eigenschaften.
3. Bindungen: Kohlenstoff kann Ketten, Ringe und Netzwerke bilden.
4. Verbrennung: Bei vollständiger Verbrennung entsteht Kohlenstoffdioxid, bei Sauerstoffmangel kann Kohlenstoffmonoxid entstehen.
5. Kreislauf: Kohlenstoff wird zwischen Luft, Wasser, Lebewesen, Boden und Gesteinen ausgetauscht.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Ordnungszahl hat Kohlenstoff? (6) (!4) (!8) (!14)

Wie lautet das Elementsymbol von Kohlenstoff? (C) (!K) (!Co) (!Ca)

Wie viele Außenelektronen besitzt ein Kohlenstoffatom? (Vier) (!Zwei) (!Sechs) (!Acht)

Welche Struktur besitzt Diamant? (Ein dreidimensionales Netzwerk) (!Locker gestapelte Molekülketten) (!Ein Ionengitter aus Kohlenstoffionen) (!Einzelne unverbundene Atome)

Warum ist Graphit weich? (Seine Schichten können gegeneinander verschoben werden) (!Seine Atome sind nicht miteinander verbunden) (!Er besteht aus flüssigem Kohlenstoff) (!Er enthält große Mengen Wasser)

Welche Formel hat Kohlenstoffdioxid? (CO₂) (!CO) (!C₂O) (!CaCO₃)

Welches Gas kann bei unvollständiger Verbrennung entstehen? (Kohlenstoffmonoxid) (!Wasserstoff) (!Helium) (!Chlor)

Womit wird Kohlenstoffdioxid im Schulversuch nachgewiesen? (Mit Kalkwasser) (!Mit Kochsalz) (!Mit Kupferdraht) (!Mit Sand)

Was ist Graphen? (Eine einzelne wabenförmige Kohlenstoffschicht) (!Ein Gemisch aus Graphit und Eisen) (!Ein Carbonatgestein) (!Ein Gas aus unverbundenen Kohlenstoffatomen)

Welcher Vorgang bindet Kohlenstoffdioxid in Biomasse? (Photosynthese) (!Schmelzen) (!Destillation) (!Filtration)

Memory

Kohlenstoff	Elementsymbol C
Diamant	Räumliches Netzwerk
Graphit	Schichtgitter
Graphen	Einzelne Atomlage
Fulleren	Käfigartiges Molekül
Kalkwasserprobe	Nachweis von Kohlenstoffdioxid
Carbonat	Ion mit der Formel CO₃²⁻
Photosynthese	Bindung von Kohlenstoff in Biomasse

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Vier Bindungspartner pro Kohlenstoffatom	Diamant
Leicht verschiebbare Schichten	Graphit
Eine einzige Atomlage	Graphen
Käfigartige Molekülform	Fulleren
Milchige Trübung von Kalkwasser	Kohlenstoffdioxid

...

Kreuzworträtsel

Kohlenstoff	Welches Element trägt das Symbol C?
Graphit	Welche weiche Kohlenstoffmodifikation wird in Bleistiftminen verwendet?
Diamant	Welche Kohlenstoffmodifikation besitzt ein besonders hartes räumliches Netzwerk?
Graphen	Wie heißt eine einzelne wabenförmige Kohlenstoffschicht?
Fulleren	Wie heißt eine käfigartige Kohlenstoffmodifikation?
Carbonat	Wie heißt ein Salz mit dem Ion CO₃²⁻?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Das Elementsymbol des Kohlenstoffs lautet . Seine Ordnungszahl ist . In der äußeren Elektronenschale besitzt ein Kohlenstoffatom Elektronen. Im Diamant bildet Kohlenstoff ein räumliches . Graphit besteht aus gegeneinander verschiebbaren . Eine einzelne Kohlenstoffschicht heißt . Bei vollständiger Verbrennung entsteht . Bei Sauerstoffmangel kann giftiges entstehen. Die Kalkwasserprobe zeigt Kohlenstoffdioxid durch eine milchige an. Pflanzen binden Kohlenstoffdioxid durch die .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Kohlenstoff-Steckbrief: Gestalte eine Karte mit Symbol, Ordnungszahl, Gruppe, Periode und Zahl der Außenelektronen.
2. Alltagsprodukte: Fotografiere oder zeichne vier Gegenstände, in denen Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen vorkommen, und erläutere ihren Bezug zum Thema.
3. Diamant und Graphit: Erstelle eine Vergleichstabelle zu Struktur, Härte, Leitfähigkeit und Verwendung.
4. Kohlenstoffmodell: Baue mit einfachen Materialien ein Modell eines Kohlenstoffatoms im Schalenmodell.

Standard

1. Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erkläre in einem Lernplakat, warum Diamant hart und Graphit weich ist.
2. Kalkwasserprobe: Plane unter Beachtung der Sicherheitsregeln ein Demonstrationsexperiment zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid.
3. Kohlenstoffkreislauf: Zeichne ein Kreislaufdiagramm mit Atmosphäre, Pflanzen, Tieren, Boden, Ozean und Gesteinen.
4. Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, in dem Du vollständige und unvollständige Verbrennung vergleichst.

Schwer

1. Materialforschung: Recherchiere Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren und bewerte eine mögliche technische Anwendung.
2. Modellkritik: Vergleiche Schalenmodell und Elektronenkonfiguration und erläutere Grenzen beider Darstellungen.
3. Klimawirkung: Entwickle ein Ursache-Wirkungs-Diagramm zur Verbrennung fossiler Energieträger und zum Kohlenstoffkreislauf.
4. Forschungsprojekt Kohlenstoff: Untersuche eine selbst gewählte Kohlenstoffverbindung, erstelle ein Quellenverzeichnis und präsentiere Struktur, Eigenschaften, Verwendung und Risiken.

Lernkontrolle

1. Strukturvergleich: Ein unbekannter Kohlenstoffstoff ist weich und elektrisch leitfähig. Begründe mithilfe eines Strukturmodells, warum es sich eher um Graphit als um Diamant handelt.
2. Reaktionsdeutung: Erkläre, wie sich ein Mangel an Sauerstoff auf die Produkte einer Kohlenstoffverbrennung auswirken kann und warum dies sicherheitsrelevant ist.
3. Nachweisplanung: Entwickle einen Versuchsplan, mit dem Du prüfen kannst, ob bei einer Reaktion Kohlenstoffdioxid entsteht. Begründe Beobachtung und Auswertung.
4. Stoffkreislauf: Beschreibe den möglichen Weg eines Kohlenstoffatoms aus der Atmosphäre über eine Pflanze und einen Menschen zurück in die Atmosphäre.
5. Materialauswahl: Entscheide, ob Diamant oder Graphit besser für eine Elektrode geeignet ist, und begründe Deine Wahl mit Teilchenstruktur und Eigenschaften.
6. Transferaufgabe: Erkläre, warum Stoffe aus demselben Element sehr unterschiedliche Eigenschaften besitzen können, und übertrage das Prinzip auf ein weiteres chemisches Beispiel.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis ist wichtig, dass Du Fachwissen nicht nur nennst, sondern mit Strukturmodellen, Reaktionsgleichungen und Beobachtungen begründest.

1. Du beschreibst den Atombau von Kohlenstoff und erklärst die Bedeutung der vier Außenelektronen.
2. Du vergleichst Diamant, Graphit, Graphen und Fullerene anhand ihrer Teilchenstruktur.
3. Du stellst den Zusammenhang zwischen Struktur, Eigenschaft und Verwendung her.
4. Du unterscheidest Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid und beachtest Sicherheitsaspekte.
5. Du deutest die Reaktionsgleichungen der vollständigen und unvollständigen Verbrennung.
6. Du erklärst die Kalkwasserprobe auf Stoff- und Teilchenebene.
7. Du beschreibst zentrale Stationen und menschliche Einflüsse im Kohlenstoffkreislauf.
8. Du verwendest Fachbegriffe, Formeln und Modelle sachgerecht.

Verknüpfte Lernbereiche

Kohlenstoff - Chemie Periodensystem Atombau Atombindung Modifikation Organische Chemie Verbrennung Kalkwasserprobe Kohlenstoffkreislauf Klimawandel Nanotechnologie