Natalie Müller

Kohlenstoff

Februar/März 2001

Der Kohlenstoff

Das Element Kohlenstoff ist von fundamentaler Bedeutung. Seine Eigenschaften er-

möglichen die unüberschaubare Vielfalt der Verbindungen, welche die organische

Chemie ausmachen. Leben, wie wir es kennen, ist nur auf der Basis von Kohlenstoff

möglich. Im folgenden werde ich versuchen, dieses Element vorzustellen.

Übersicht:

1.

Das Kohlenstoff-Atom

1.1

Wichtige Daten

1.2

Isotope

1.3

Eigenschaften

1.4

Formen des Kohlenstoffs

1.5

Vorkommen

2.

Modifikationen

2.1

Diamant

2.2

Graphit

2.3

Fullerene

3.

Verbindungen des Kohlenstoffs

3.1

Carbide

3.2

Kohlenstoffoxide

3.3

Kohlenwasserstoffe

3.4

Verbindungen mit Schwefel

3.5

Verbindungen mit Stickstoff

3.6 Kohlenstoffhalogenide

3.7 Kohlenhydrate

4.

Fossile Energieträger

4.1

Kohle

4.2

Erdöl

4.3

Bedeutung für Weltenergieversorgung

5.

Der globale Kohlenstoffkreislauf

5.1

Der natürliche Kohlenstoffkreislauf

5.2

Der anthropogene Kohlenstoffkreislauf

6.

Besondere Bedeutung des Kohlenstoffs

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1. Das Kohlenstoff-Atom

1.1 Wichtige Daten

Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element. Sein chemisches Symbol ist "C" und seine

Ordnungszahl ist 6. Das Atomgewicht beträgt 12,001 u, die Schmelztemperatur liegt

über 3550 °C und die Siedetemperatur bei ~ 4830 °C.

Kohlenstoff besitzt zwei Schalen, die äußere hat die Elektronenkonfiguration s2 p2, d.h.

sie besitzt ein Elektronenpaar und zwei freie Elektronen. Durch Energiezufuhr kann ein

s-Elektron in die dritte, noch freie p-Bahn angehoben werden. Das Kohlenstoffatom

befindet sich nun mit vier ungepaarten Elektronen im angeregten Zustand

s1 px1 py1 pz1. Durch Hybridisierung entstehen vier gleiche sp3-Orbitale, die in die Ecken

eines regelmäßigen Tetraeders zeigen. Kohlenstoff befindet sich normalerweise in

diesem angeregten Zustand; ist also meist vierwertig.

Verbindungen mit zweiwertigem Kohlenstoff sind die sogenannte

Carbene

. Dieses

sind hochreaktive Intermediate, so entsteht z. B. Dichlorcarben durch photolytische

Abspaltung von HCl aus Chloroform; Dichlorcarben reagiert mit Spuren von Wasser

zum Dichlorid der Kohlensäure, dem äußerst giftigen Phosgen (phos = Licht,

gen = erzeugt).

1.2 Isotope

Das natürliche Isotopengemisch besteht zu 98,90 % aus 12C und zu 1,10 % aus 13C.

Dabei kommt 12C mehr in biologischem, 13C mehr in anorganischem Material (Car-

bonate) und in der Atmosphäre vor. 13C ist für die Strukturaufklärung von besonderer

Bedeutung, da die 13C-Kernresonanzspektrographie (NMR) auf ihr basiert.

Das dritte natürlich Isotop ist 14C, das zur Altersbestimmung eingesetzt wird (sog. Ra-

diocarbonmethode). Es ist radioaktiv und entsteht in großen Höhen der Atmosphäre

beim Auftreffen von Neutronen auf Stickstoffatome. 14C ist ein â-Strahler mit einer

Halbwertszeit von 5760 Jahren. In oxydierter Form als 14CO2 ist es dem gewöhnlichen

Kohlendioxid beigemengt; es wird also über Atmung und Nahrung aufgenommen.

So hat jede lebende Zelle eine sehr geringe, aber konstante Aktivität. Stirbt sie nun,

so unterbleibt die weitere Aufnahme von 14C und aus der Messung der heute noch

vorhandenen 14C-Aktivität kann der Zeitpunkt des Absterbens errechnet werden. Die

Radiocarbonmethode eignet sich für Altersbestimmungen von ursprünglich leben-

dem Material, dessen Alter zwischen 400 und 50′000 Jahren liegt.

Des weiteren gibt es vier künstliche Kohlenstoffisotope mit Halbwertszeiten zwischen

0,74 Sekunden und 5736 Jahren.

1.3 Eigenschaften

Kohlenstoff ist bei gewöhnlichen Temperaturen reaktionsträge, verbrennt aber bei

höherer Temperatur vollständig zu CO2. Bei unvollständiger Verbrennung bildet sich

das giftige Kohlenstoffmonoxid CO. Kohlenstoff ist geruchslos, geschmacksfrei und in

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allen gewöhnlichen Lösungsmitteln (Wasser, Benzin, Alkohol, usw.) völlig unlöslich,

dagegen löslich in geschmolzenem Eisen, Cobalt, Nickel und in den Platin-Metallen,

aus dem er sich beim Erkalten als Graphit abscheidet.

1.4 Formen

Kohlenstoff kommt in drei Modifikationen vor. Die bekanntesten sind Graphit und

Diamant. Die dritte Form reinen Kohlenstoffs wurde erst 1985 entdeckt: die Fullerene.

Ich werde später auf diese drei Formen eingehen.

Graphit und Diamant kommen in der Natur vor. Bei den Kohlensorten wie z. B. Braun-

kohle, Steinkohle, Koks, Holzkohle, Zuckerkohle usw. handelt es sich nicht um reinen

Kohlenstoff, sondern um komplizierte Gemische mehr oder weniger kohlenstoffrei-

cher organischer Verbindungen. Ruß und andere sogenannte "amorphe" Kohlen-

stoff-Formen sind in Wirklichkeit mikrokristalline Formen des Graphits. In gebundenem

Zustand kommt Kohlenstoff in Carbonaten, Kohlen(di)oxid, Erdöl und den organi-

schen Verbindungen vor.

1.5 Vorkommen:

0,087 % der obersten 16 km der Erdkruste besteht aus Kohlenstoff, womit er an

13. Stelle steht, was die Häufigkeit angeht. Auch auf der Sonne und in Meteoriten

konnte Kohlenstoff nachgewiesen werden. Das Erdinnere dürfte 0,5 % C enthalten.

Der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre wird auf 720 Gt, der der Ozeane auf 40′000 Gt

geschätzt. Lebende pflanzliche Biomasse enthält 830 Gt und tote (aber nicht fossile)

pflanzliche Biomasse 1750 Gt C. Tiere und Menschen fallen hier nicht ins Gewicht,

obwohl 18 % des menschlichen Körpergewichts Kohlenstoff ausmacht. Die fossile

Biomasse (Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle) wird auf 5000 Gt geschätzt. Insge-

samt macht dies 48′300 Gt Kohlenstoff, oder 48,3 Teratonnen.

Hier nochmals eine Grafik zur Verteilung (ohne Meeressedimente/Kalkgebirge):

10 % fossile Biomasse

3,6 % tote pflanzl.

1,5 % Atmosphäre

Biomasse

1,7 % lebende

pflanzl. Biomasse

83 % Ozeane

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2. Modifikationen

2.1 Diamant

Diamant besteht aus kristallisiertem, reinen Kohlenstoff, der in einem regelmäßigen,

dreidimensionalen Atomgitter angeordnet ist. Ein sp3-hybridisiertes Kohlenstoffatom

kann vier Verbindungen, mit jedem Elektron eine, zu anderen Kohlenstoffatomen

eingehen. Diese stehen wieder in die Ecken eines Tetraeders. So entsteht ein Gitter,

daß aufgrund der Regelmäßigkeit außerordentlich beständig ist und die außerge-

wöhnliche Härte von Diamant erklärt. Der gesamte Kristall kann also als ein einziges

Riesenmolekül aufgefaßt werden. Die Dichte liegt bei 3,5 g/cm3.

Diamant ist ein Nichtleiter und farblos. Bei normaler Temperatur ist er reaktionsträge,

wird allerdings bei höheren Temperaturen von Oxydationsmitteln angegriffen. Dia-

mant ist im elektr. Flammenofen unschmelzbar, verwandelt sich aber in Graphit. Un-

ter sehr hohen Drücken kann Graphit auch in Diamant umgewandelt werden. Diese

künstlichen Diamanten decken ungefähr 40 % des Weltbedarfs an Industriediaman-

ten.

Diamanten sind die wertvollsten Edelsteine. Ungefähr 90 % der jährlich für Schmuck-

steine ausgegebenen Summen entfallen auf sie. Die wertvollsten sind farblose, glas-

artig durchsichtige, glänzende und sehr stark lichtbrechende Kristalle. Es gibt auch

farbige, durchsichtige Diamanten, die Farben sind jedoch oft nur schwach ausge-

prägt, am seltensten sind satt blau oder rot.

Nur 5 % der gefundenen Diamanten sind durchsichtig oder farbig und als Schmuck

verwendbar. Auf sie wird ein besonderer Schliff, der "Brillantschliff" angewendet, so

daß möglichst viel Licht total reflektiert wird und die Farbenzerstreuung möglichst ho-

he Werte erreicht. Diese Diamanten werden deshalb auch als Brillanten oder Dia-

mantbrillanten bezeichnet. Diamantschleifereien gab es angeblich zuerst in Antwer-

pen 1467, heute in Amsterdam, Hanau, Idar, Berlin, Paris, London, New York und Süd-

afrika.

Als Gewichtseinheit für Diamanten dient das Karat, wobei 1 Karat = 0,2 g entspricht.

Die Gewichte schwanken zwischen Teilmilligramm bis über 3000 Karat, allerdings sind

Diamanten um 20 Karat schon Seltenheiten. Der größte je gefundene Diamant ("Cul-

linan") wurde am 26. Januar 1906 in Südafrika gefunden, er hat 3106 Karat.

Diamantvorkommen gibt es in Afrika (Kongogebiet, Guineaküste, Südafrika), in Brasi-

lien und Sibirien. Diamanten findet man hauptsächlich in sogenannten "Seifen", das

sind durch Flüsse transportierte und gesiebte Gesteinstrümmer und in eruptivem Oli-

vengestein. In den reichsten südafrikanischen Gruben, den Kimberleygruben, erhält

man aus 2 t verarbeitetem Gestein durchschnittlich 1 g Diamanten, wovon wieder

nur 5 % als Schmucksteine verwendet werden können.

Die meisten Diamanten sind matt, stumpf, trüb und bleigrau, man bezeichnet sie als

"Bort". Da Diamant der härteste Naturstoff ist, werden sie zu technischen Zwecken

verwendet, z. B. für Ösen zur Herstellung sehr dünner Drähte, für Gesteinsbohrer, Glas-

schneider und Bohrer und Schneider besonders harter Materialien.

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2.2 Graphit

Thermodynamisch etwas stabiler als Diamant ist unter Normalbedingungen die viel

häufigere Kohlenstoffmodifikation Graphit (Diamant wird erst oberhalb ~ 2500 °C

stabiler als Graphit). Im Graphit werden von den vier ungepaarten Elektronen der

angeregten Kohlenstoffatome nur drei für Bindungen zu drei benachbarten Kohlen-

stoffatomen benötigt. Diese sind im Gegensatz zu Diamant in drei gleichen, trigonal

ebenen sp2-Hybridorbitalen angeordnet. Dadurch entstehen riesige zweidimensio-

nale Schichten aus ebenen regelmäßigen Sechsecken (Bienenwabenmuster). Das

weitere freie Elektron bewirkt eine Verstärkung der anderen drei Bindungen und so-

mit eine Verkürzung des Abstandes. Dieses vierte Elektron bewirkt auch die elektri-

sche Leitfähigkeit.

Obwohl physikalisch sehr unterschiedlich, ist Graphit dem Diamanten chemisch ähn-

lich. Bei Normalbedingungen ist er chemisch träge, oberhalb ~ 750°C verbrennt er zu

CO2. Seine Dichte beträgt 2,2 g/cm3. Ein Lösungsmittel für Graphit ist geschmolzenes

Eisen.

Graphit kommt in größeren Mengen auf Ceylon und Madagaskar, ferner in Sibirien,

Mexiko und bei New York vor. Da man einen sehr hohen Bedarf an Graphit hat, wird

er heute nicht nur durch Abbau, sondern auch vermehrt synthetisch aus Erdölrück-

ständen hergestellt.

Aus Graphit werden Schmelzwannen, Elektroöfen, "Kohlebürsten" in elektrischen

Geräten usw. hergestellt, er findet Verwendung als Schmiermittel, und ein Gemisch

aus Graphit und Ton als Bleistiftminen.

2.3 Fullerene

Mit dem C60-Fulleren entdeckten Harold Kroto, Richard E. Smalley und Robert F. Curl,

die 1996 den Nobelpreis für Chemie erhielten, die erste einer Reihe nur aus Kohlen-

stoffatomen bestehenden Verbindungen, die neben den klassischen Kohlenstoff-

Formen Diamant und Graphit eine dritte Form des Kohlenstoffs darstellen.

Bei den Fullerenen handelt es sich um kugelförmige Moleküle, die unterschiedlich

viele Kohlenstoffatome enthalten. Das bekannteste Fulleren, C60, heißt Buckminster-

fulleren. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die sich an den Ecken von 20 Sechs-

ecken und 12 Fünfecken befinden. Die Struktur erinnert an einen Fußball. Fulleren fin-

det man zum Beispiel in einer rußenden Kerzenflamme.

Fulleren sind hundert mal härter als Stahl, besitzen einen geringeren Abrieb als Dia-

mant, sind elektrisch hoch leitfähig und billig in ihrer Herstellung. Einsatzgebiete könn-

ten z. B. Beschichtung für hocheffektive Solarzellen sein. Sie werden bereits in neuar-

tigen Bildschirmen und Displays getestet oder fungieren als Abdunkler in Schutzbrillen.

Auch in der Supraleitertechnik sind Fullerene aufgrund ihrer hervorragenden elektri-

schen Leitfähigkeit ein Thema. Außerdem setzt man auf die besondere Härte des

Stoffs. Ein Einsatz in kugelsicheren Westen ist ebenso geplant wie die Werkzeugbe-

schichtung mit dem neuen Wundermolekül.

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3. Verbindungen des Kohlenstoffs

Kohlenstoffatome haben die Fähigkeit, sich zu Ringen (cyclische Verbindungen, Ben-

zol-Ring) oder langen, geraden oder verzweigten Ketten (Paraffine, Polyethylen) zu-

sammenzuschließen. Kohlenstoff geht auch Mehrfachbindungen zu anderen Ato-

men ein, die über 13 Mio. verschiedenen Verbindungen faßt man in der organischen

Chemie zusammen. Die organische Chemie umfaßt einen so weiten Bereich, daß es

nicht möglich ist, hier auch nur andeutungsweise einen dem Thema gerecht wer-

denden Überblick zu geben. Da außerdem manche Bereiche eigenständige Refe-

ratsthemen sind, sollen hier nur kurz ein paar wenige Beispiele aus der Kohlenstoff-

chemie genannt werden.

3.1 Carbide

Verbindungen, in denen Kohlenstoff mit Elementen ähnlicher oder niedrigerer Elek-

tronegativität, insbesondere mit Metallen, kombiniert ist, bezeichnet man als Carbi-

de.

Man unterscheidet die salzartigen Carbide (Carbide des Beryllium, Aluminium, Silici-

um, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Silber, Kupfer, Lanthan, Cer, Thorium und Uran)

von den metallischen Carbiden (Carbide des Titan, Tantal, Molybdän und Wolfram),

die metallische Eigenschaften haben und gegen Wasser und verdünnte Säuren be-

ständig sind und sich zum Teil durch große Härte und Beständigkeit auszeichnen. Ge-

sondert betrachtet man noch die Carbide der Eisengruppe und das Chromcarbid.

Diese Carbide sind gegen Säuren weniger widerstandsfähig und zeigen keine so

ausgeprägten metallischen Eigenschaften wie die metallischen Carbide. Das Eisen-

carbid (Zementit) spielt eine wichtige Rolle beim Aufbau der kohlenstoffhaltigen Ei-

sensorten, besonders des Stahls.

3.2 Kohlenstoffoxide

Es gibt vier stabile Oxide des Kohlenstoffs (CO, CO2, C3O2 und C12O9) sowie drei in-

stabile (C2O, C2O3, und CO3).

Kohlenmonoxid CO entsteht bei der Verbrennung von Kohlenstoff mit unterschüssi-

gem Sauerstoff, bei einem Überschuß bildet sich Kohlenstoffdioxid CO2. Ein weiters

stabiles Oxid ist das Kohlenstoffsuboxid C3O2.

Löst man CO2 in Wasser, so bildet sich Kohlensäure H2CO3. Die Kohlensäure bildet

zwei Reihen von Salzen, die Carbonate Me2CO3 und die Hydrogencarbonate MeH-

CO3 (Me = Metall).

Die Ameisensäure HCOOH ("Hydrat von CO") ist die einfachste Säure aus der Gruppe

der organischen Carbonsäuren.

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3.3 Kohlenwasserstoffe

Die Zahl der Kohlenwasserstoffe genannten Verbindungen zwischen Kohlenstoff und

Wasserstoff ist praktisch unbegrenzt. Die Kohlenwasserstoffe und die meisten ihrer

Derivate bilden den Bereich der

organischen Chemie

. Die Mannigfaltigkeit der nur

aus wenigen Atomsorten aufgebauten organischen Verbindungen ist wesentlich auf

die hervorstechende Eigenschaft der Kohlenstoffatome zurückzuführen, sich mit sich

selbst unter Ausbildung gewöhnlicher ó-Bindungen zu Ketten praktisch unendlicher

Länge zu vereinigen, die sich auch zu Ringen schließen können.

Zunächst unterscheidet man zwischen gesättigten und ungesättigten Kohlenwasser-

stoffen. Die gesättigten Kohlenwasserstoffe setzen sich zusammen aus den soge-

nannten aliphatischen und cyclischen Kohlenwasserstoffen. Aliphatisch sind solche,

die lange Ketten bilden, sie haben also die Form CnH2n+2. Zu ihnen gehören also die

ganze Reihe der Alkane: Methan, Ethan, Propan, Butan, usw. Die cyclischen Kohlen-

wasserstoffe verbinden sich zu Ringen statt Ketten, sie haben also die Strukturformel

CnH2n. Die aromatischen Kohlenwasserstoffe sind eine besondere Klasse der cy-

clischen Kohlenwasserstoffe, die sich vom Benzol ableiten. Im Benzol sind sechs Koh-

lenstoffatome mit nur 6 Wasserstoffatomen zu dem sechseckförmigen Molekül C6H6

zusammengeschlossen.

Von diesen gesättigten Kohlenwasserstoffen unterscheiden sich die ungesättigten

dadurch, daß sie eine oder mehrere Doppelbindungen (Alkene) oder Dreifachbin-

dungen (Alkine) besitzen.

3.4 Verbindungen mit Schwefel

Schwefelkohlenstoff (Kohlenstoffdisulfid) CS2 ist das formale Analogon zum CO2.

Schwefelkohlenstoff ist ein starkes Nervengift. Es wurde früher gegen Pelzmotten und

andere Schädlinge verwendet, doch ist dies aufgrund der sehr leichten Entzündlich-

keit der Dämpfe äußerst gefährlich. Da sich dabei eine sehr große Wärmemenge

entwickelt, können Gemische von Schwefelkohlenstoff und Luft sehr gefährlich ex-

plodieren.

Es gibt noch andere Verbindungen von Kohlenstoff und Schwefel, so z. B. Trikohlen-

stoffdisulfid C3S2, Kohlenstoffmonosulfid CS oder Kohlenstoffoxidsulfid COS.

3.5 Verbindungen mit Stickstoff

Im Lichtbogen reagiert Kohlenstoff mit Stickstoff zu Dicyan C2N2, bei Vorhandensein

von Wasserstoff bildet sich Cyanwasserstoff (Hydrogencyanid, Blausäure) HCN.

Cyanflammen sind außerordentlich heiß (bis über 4500 °C) und die Explosionen von

Cyangas-Sauerstoff-Gemischen überaus heftig. Für Menschen ist Dicyan weniger gif-

tig als die Blausäure.

Blausäure verhindert in Mengen von ungefähr 0,06 g an aufwärts die Sauerstoffab-

gabe aus dem Blut an die Organe und bewirkt somit eine "innere Erstickung". Sie ist

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eine der am schnellsten tödlich wirkenden Gifte und wahrscheinlich schon seit dem

Altertum sehr beliebt.

Die Salze der Blausäure werden Cyanide genannt. Die tödliche Dosis von Kaliumcy-

anid, das im Magen mit Salzsäure reagiert und Blausäure freisetzt, liegt bei 0,15 g. Da

der Tod meist schon nach wenigen Minuten einsetzt, gibt es nur wenig Mittel zur Wie-

derbelebung. Insbesondere Calciumcyanid wird ausgiebig zum Vertilgen von Läusen

und Wanzen sowie von Obstbaumschädlingen verschiedener Art verwendet.

Die Cyansäure HOCN entsteht in Form ihres Kaliumsalzes, des Kaliumcyanats KOCN

durch Schmelzen von Kaliumcyanid an der Luft oder mittels eines Oxydationsmittels.

Dampft man eine Lösung von 2 Kaliumcyanat und Ammoniumsulfat ein, so lagert

sich das durch doppelte Umsetzung zunächst entstandene Ammoniumcyanat zu

Harnstoff um. Diese von Wöhler im Jahre 1828 aufgefundene Synthese des Harnstoffs

aus anorganischen Materialien erschütterte zuerst die bis dahin gültige Ansicht, daß

die Produkte des lebenden Organismus nicht sich von den anorganischen Materiali-

en grundlegend unterscheiden und nicht ineinander umwandelbar sind. Harnstoff ist

das normale Abbauprodukt des Eiweißes im höheren tierischen Organismus.

3.6 Kohlenstoffhalogenide

Bei Kohlenstoffhalogeniden sind alle H-Atome von Kohlenwasserstoffe durch Haloge-

ne ersetzt. Sie finden Verwendung z. B. als Lösungsmittel, Anästhetika, Feuerlösch-,

Kälte- und Treibmittel, usw. Hier nur ein paar Beispiele:

Die Chlorfluorkohlenstoffe werden im allgemeinem Sprachgebrauch als FCKW′s ab-

gekürzt. Die leichtflüchtigen Chlorkohlenwasserstoffe (CKW′s) werden in großen

Mengen im Haushalt (Waschmittel, Toilettenreiniger) und in der Industrie (als Lö-

sungsmittel oder Monomer für PVC u.a.) verwendet.

Kohlenstofftetrachlorid (Tetrachlorkohlenstoff) CCl4 wird durch die Chlorierung von

Methan gewonnen und war früher ein häufig verwendetes Lösungs- und Fleckenrei-

nigungsmittel, da es gut Fette und viele organische Substanzen löst. Es wird heute

nicht mehr verwendet, da es krebserregend ist.

Phosgen COCl2 ist das Säurechlorid der Kohlensäure. Es entsteht aus Tetrachlorkoh-

lenstoff und rauchender Schwefelsäure. Es ist ein sehr giftiges, erstickend riechendes

Gas, das im ersten Weltkrieg als Lungengift eingesetzt wurde.

3.7 Kohlenhydrate

Zu der Klasse der Kohlenhydrate zählen die im Tier- und Pflanzenreich vorkommen-

den Zucker, die gemeinsam mit Fett und Eiweiß die Ernährungsgrundlage bilden. Sie

werden von Pflanzen aufgebaut, die basierend auf dem CO2 der Luft Photosynthese

betreiben. Aufgrund des chemischen und physikalischen Verhaltens der Kohlenhy-

drate werden sie in drei Hauptgruppen eingeteilt: Einfache Zucker (Monosaccharide,

z. B. Glucose (Traubenzucker)), Ogligosaccharide und Polysaccharide, z. B. Stärke,

Glykogen und Cellulose.

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4. Fossile Energieträger

Zu den fossilen Energien zählt man Kohle, Erdöl und Erdgas. Kohlen und Erdöl sind

Gemische aus organischen Verbindungen, Erdgas besteht im wesentlichen (80-95 %)

aus Methan CH4. Sie haben eine große Bedeutung für die Deckung des Weltener-

giebedarfs. Das Problem dabei ist, daß sie nicht regenerativ sind und außerdem zum

Anstieg des Kohlenstoffgehaltes der Atmosphäre führen, da bei ihrer Verbrennung

CO2 entsteht.

4.1 Kohle

Zersetzt sich pflanzliche Substanz, besonders Holz, unter Luftabschluß bei erhöhter

Temperatur und evtl. hohem Druck, so nimmt der Gehalt an chemisch gebundenem

Wasserstoff und Sauerstoff ständig ab, während die verbleibenden Verbindungen

einen immer höheren Gehalt an Kohlenstoff besitzen. Man bezeichnet diesen Vor-

gang als Inkohlung; dabei treten folgende Stoffrelationen auf:

Stoff

C (%)

O (%) H (%)

Heizwert (kcal/kg)

Holz

50

43

6

3000-3500

Torf

56

32

5,5

3500-4000

Braunkohle

70

24

5

4000-5000

Steinkohle

85

7

5

7000-8000

Anthrazit

92

4

3

über 8000

Man unterscheidet viele verschiedene Kohlesorten aufgrund von Beschaffenheit,

Zusammensetzung, Verhalten bei Erhitzen, usw. In chemischer Hinsicht sind die Koh-

len komplizierte, schwer zu analysierende Gemische aus organischen Verbindungen.

4.2 Erdöl

Erdöl ist ebenso wie Kohle unter Abschluß von Sauerstoff aus der Zersetzung pflanzli-

cher Substanz entstanden ist. Erdöl ist ein Gemisch aus einigen hundert Verbindun-

gen. Je nach der Herkunft des Erdöls ist die Zusammensetzung sehr verschieden; so

kann der Gehalt an Alkanen (CH4 bis etwa C35H72) zwischen etwa 20 % und 80 %

schwanken. Daneben sind ringförmige Kohlenwasserstoffe und stickstoff- sowie

schwefelhaltige Verbindungen enthalten, die den "sauren Regen" verursachen.

Durch Destillation von Erdöl erhält man verschiedene Benzine und Öle. Etwa 60 %

aller organischen Chemikalien werden durch Weiterverarbeitung dieser Primärpro-

dukte gewonnen. Die dabei angewandten Verfahren faßt man unter der Bezeich-

nung Petrochemie zusammen. Dazu gehört auch das Cracken, das nicht nur hoch-

wertiges Benzin, sondern auch andere wichtige Verbindungen wie z. B. ungesättigte

Kohlenwasserstoffe für Kunststoffe und Lösungsmittel liefert.

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4.3 Bedeutung für Weltenergieversorgung

Einen Großteil unseres Energiebedarfs wird auch in Zukunft von fossilen Energien, das

sind Erdöl, Erdgas und Kohle, gedeckt werden. Im Jahre 1998 hatte Kohle einen An-

teil an der Weltenergieversorgung von rund 24 % (davon 21 % Steinkohle und 3 %

Braunkohle). In Deutschland stammen 18,3 % des Stroms aus Braunkohle, 30,9 % aus

Steinkohle.

Deckung des Energiebedarfs im Jahre 2020

regenerative Energien

inklusive der Wasserkraft

17 %

fossile

Energien

Erdöl,

Erdgas

und

Kohle

Kernenergie

77 %

6 %

(Schätzung der RAG Coal AG 1998)

Der Steinkohleverbrauch müßte aufgrund des steigenden Weltenergiebedarfs auf

rund 4,8 Gt im Jahr 2020 ansteigen.

Unser Planet besitzt geologisch fossile Ressourcen von rund

etwa 5000 Gt

Kohlenstoff.

Unter den heutigen technischen und wirtschaftlichen Bedingungen können noch

rund

800 Gt

Kohle gefördert werden. Gemessen an der gegenwärtigen Jahresför-

derung von 3,2 Gt reichen die Reserven noch für maximal 250 Jahre.

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5. Der globale Kohlenstoffkreislauf

5.1 Der natürliche Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff findet sich in der Natur zum einen in drei großen, miteinander im Aus-

tausch stehenden Reservoiren: in der Atmosphäre, zweitens in der Land-Biosphäre,

im Boden und in Verwitterungsmaterial, und drittens in den Ozeanen.

Ein viertes Reservoir, die Lagerstätten fossiler Energieträger (ca. 5000-10′000 GtC), war

über lange Perioden der Erdgeschichte am Kohlenstoffkreislauf nicht beteiligt und

wurde ihm erst durch den Menschen seit 200 Jahren wieder zugänglich gemacht.

Das fünfte und mit 7′200 Teratonnen (7,2*1015 t) größte Reservoir sind die Meeresse-

dimente und die aus ihnen entstandenen Kalkgebirge, in denen Kohlenstoff im Laufe

der Erdgeschichte der Atmosphäre und dem Ozean entzogen wurde. Sie nehmen

am Kohlenstoffkreislauf nur ganz unwesentlich teil, wie man sich leicht vorstellen

kann; der Austausch durch Erosion und Sedimentation beträgt nur 0,2 GtC/a.

Die Atmosphäre ist das kleinste Kohlenstoff-Reservoir. Sie enthält gegenwärtig

720 GtC; vorindustriell werden 600 GtC angenommen. Land-Biosphäre, Boden und

Verwitterungsgestein enthalten zusammen etwa 2000 GtC. Das größte der in einem

natürlichen Austausch stehenden Reservoire ist der Ozean mit ca. 40′000 GtC, wovon

der mit Abstand größte Teil (38′100 GtC) sich im mittleren und tiefen Ozean befindet.

Der Kohlenstoff-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre erfolgt durch Gasaus-

tausch. Hier wird CO2, je nach Druck vom Oberflächenwasser aufgenommen oder

abgegeben. Der Umsatz beträgt etwa 78 GtC/a. Die Ozeane können aber nur be-

grenzt CO2 aufnehmen, da die Umwälzung der Ozeane ein Prozeß über mehrere

Jahrtausende ist.

Land-Biosphäre und Boden tauschen 65 Gt Kohlenstoff pro Jahr in Form von CO2 mit

der Atmosphäre durch Photosynthese auf der einen, Respiration und Zersetzung auf

der anderen Seite aus.

5.2 Der anthropogene Kohlenstoffkreislauf

Der Eingriff des Menschen in die Natur belastet die Atmosphäre mit zusätzlichem

CO2, das durch Waldrodungen (vor allem in den Subtropen) und die Verbrennung

fossiler Energieträger entsteht. Die Jahreszunahme des Kohlenstoffgehaltes der At-

mosphäre liegt bei 3 GtC. Dies mag nach nicht allzuviel aussehen. Man sollte aller-

dings bedenken, daß die Atmosphäre ein chaotisches System ist, also sehr sensitiv

gegenüber Anfangsbedingungen reagiert und auch neueste Untersuchungen mit

Bohrkernen zeigen, daß Klimaveränderungen nicht innerhalb von Jahrzehnten oder

gar Jahrhunderten erfolgen, sondern durchaus innerhalb von wenigen Jahren. Au-

ßerdem, wenn man bedenkt, daß noch ungefähr 800 Gt Kohlenstoff gefördert wer-

den können, bedeutet dies doch eine erhebliche Belastung der Atmosphäre.

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Natalie Müller

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6. Besondere Bedeutung des Kohlenstoffs

Der Kohlenstoff und seine Verbindungen sind der wichtigste Träger aller Lebenser-

scheinungen. Silicium, das dem Kohlenstoff sehr ähnlich ist, kann auch Ketten von

erheblicher Länge bilden und ermöglicht ebenfalls eine große Vielfalt von Verbin-

dungen. Allerdings kann Silicium keine stabilen Doppelbindungen mit sich selbst ein-

gehen, was die Vielfalt einer hypothetischen Siliciumwelt dann doch einschränken

würde.

Kohlenstoff entsteht durch Kernfusion im Inneren heißer Sterne. In der Umgebung so-

genannter "Roter Riesen" wurden lange Kohlenstoffketten gefunden. Am 10. Januar

2001 veröffentlichte ein Team spanischer Astronomen die Entdeckung von Benzol-

Ringen im einem Nebel. Benzol-Ringe sind ein wichtiger Zwischenschritt in Richtung

Entwicklung komplexerer organischer Moleküle.

Vorkommen von Kohlenstoff gelten als Kennzeichen für Leben. Deshalb werden

auch mit Spannung die ersten Bilder von extrasolaren Planeten (von denen bisher

über 50 gefunden wurden) mit erdähnlicher Masse erwartet, in deren Spektrum man

Absorptionslinien, die auf Kohlenstoff schließen lassen, zu entdecken hofft.

Quellen:

Römpp, Chemie-Lexikon

Ullmann, Chemie-Lexikon

Kemper-Fladt, Chemie A, Ernst Klett, Stuttgart, 1986

Hofmann/Rüdorff, Anorganische Chemie, Friedr. Vieweg + Sohn, Braunschweig, 1973

F.A. Cotten/G. Wilkinson, Anorganische Chemie, Verlag Chemie, 1982

Max Schmidt, Anorganische Chemie, Band 1, B.I.-Wissenschaftsverlag, 1967

Beyer/Walter, Lehrbuch der organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1981

http://www.dkrz.de ­ Deutsches Klima-Rechenzentrum

http://www.space.com

http://www.nasa.gov

Bemerkungen:

Zahlenangaben sind hauptsächlich in Gigatonnen gemacht. Eine Gigatonne sind

eine Milliarde oder 109 Tonnen.

Zahlenangaben aus unterschiedlichen Quellen unterscheiden sich mehr oder weni-

ger stark. Ich habe mich an möglichst aktuellen und seriösen Quellen orientiert

(Römpp, Ullmann, DKRZ).

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