Zehn Fakten über Kohlenstoff, die Grundlage der Chemie des Lebens

Kohlenstoff ist ein lebensnotwendiges Element, da es der Hauptbestandteil aller organischen Verbindungen ist. Es kann in elementarer Form vorliegen und Kohlenstoff oder Diamanten bilden, und es kann anorganische Verbindungen wie Kohlendioxid (CO ₂ ) bilden, ein grundlegendes Molekül bei den Prozessen zum Einfangen von Sonnenenergie durch Pflanzen und bei den Prozessen zum Freisetzen von Energie durch Verbrennung. Aktivkohle, Kohlefasern, Nanoröhren und Graphen sind einige der Verbindungen und Materialien, die das Kohlenstoffatom als grundlegende Komponente haben.

Das Kohlenstoffatom hat 6 Protonen in seinem Kern und 6 Elektronen in seiner Umgebung, also ist seine Ordnungszahl 6. Das am häufigsten vorkommende Isotop in der Natur ist dasjenige, das auch 6 Neutronen in seinem Kern hat, 12C, und seit 1961 wird dieses Isotop verwendet um die Atommasse aller Elemente zu messen, indem man den zwölften Teil der Masse von ¹² C als Einheit nimmt. 98,89 % der Kohlenstoffatome in der Natur sind ¹² C, aber es gibt auch das Isotop, das ein Neutron mehr im Kern hat , ¹³ C, der die natürliche Zusammensetzung mit 1,1 % vervollständigt. Ein weiteres wichtiges Kohlenstoffisotop ist ^14C , ein radioaktives Isotop, das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zerfällt. der ¹⁴C wird in der Atmosphäre als Folge der Wechselwirkung von Stickstoff mit kosmischer Strahlung produziert und von seiner Produktion in organische Prozesse und Produkte integriert, wodurch es in eine natürliche Uhr umgewandelt wird, die die Datierung von Stoffen und Materialien ermöglicht, die Kohlenstoff enthalten ein Bereich, der zwischen 1000 und 50000 Jahren liegt.

Hier sind zehn Fakten über Kohlenstoff.

• Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element, das sich mit sich selbst verbinden und eine immense Vielfalt chemischer Verbindungen bilden kann, eine geschätzte Zahl von mehr als zehn Millionen.

• Wie alle Elemente entstand Kohlenstoff in Sternen durch Kernfusionsreaktionen. In den frühen Stadien ihrer Entwicklung erzeugen Sterne Energie durch Fusionsreaktionen von Wasserstoffatomen, die Helium produzieren, wie dies bei der Sonne der Fall ist.Wenn der größte Teil des Wasserstoffs in Helium umgewandelt wurde, kann die bei der Reaktion erzeugte Energie die Gravitation nicht ausgleichen Kraft und der Stern verdichtet sich in seinem Kern, während sich sein äußerer Sektor ausdehnt. Wenn der Prozess endet, erreicht die Temperatur des Kerns Temperaturen in der Größenordnung von 100 Millionen Kelvin und eine Reaktion namens Triple Alpha findet statt, bei der drei Heliumkerne ein Kohlenstoffatom erzeugen. Nachfolgende Prozesse können andere Elemente erzeugen oder die erzeugten Elemente dispergieren,

• Kohlenstoff ist nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff das vierthäufigste Element im Universum und das fünfzehnthäufigste Element in der Erdkruste.

• Elementarer Kohlenstoff kann die Form eines der härtesten und teuersten Materialien annehmen, das es gibt, Diamant, oder ein weiches und billiges, Graphit. Diamant und Graphit sind zwei Allotrope von Kohlenstoff, aber in Diamant sind die Atome in einer kubischen Kristallstruktur angeordnet, die sich unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen bildet, während in Graphit die kovalenten Bindungen hexagonale Kristallstrukturen bilden, die in überlappenden Ebenen angeordnet sind.

• Im Vakuum oder in einer sauerstofffreien Atmosphäre verwandelt sich Diamant bei 1.700 Grad Celsius in Graphit. An der Luft beginnt die Umwandlung bei etwa 700 Grad Celsius. Der Schmelzpunkt von Graphit liegt bei 3600 Grad Celsius.

• Allotrope von Kohlenstoff haben eine Vielzahl von Verwendungen. Diamant ist ein Edelstein, der aufgrund seiner extremen Härte auch industrielle Anwendungen findet. Der Graphit wird mit einer Paste vermischt in der Mine der Bleistifte verwendet. Es wird auch als Festschmierstoff und als Schutzelement gegen Oxidation verwendet. Graphit kann Bestandteil von feuerfesten Steinen und Tiegeln sein. Verschiedene technische Teile wie Kolben, Zylinderdichtungen, Unterlegscheiben oder Lager werden aus Graphit hergestellt. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und seiner Beständigkeit gegen chemische Angriffe wird es zur Herstellung von Elektroden und in anderen elektrischen Anwendungen wie Kohle und Elektromotorbürsten verwendet. Aufgrund seiner Neutronenmoderationskapazität und seiner geringen Neutronenabsorption,

• Kohlenstoff ist das Grundelement der organischen Chemie, auch Kohlenstoffchemie genannt. Alle organischen Moleküle enthalten Kohlenstoff. Die einfachsten bilden verschiedene Bindungen miteinander und verbinden sich nur mit Wasserstoffatomen, während die komplexesten Sauerstoff-, Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatome enthalten und die höchsten Komplexitätsgrade in RNA-Molekülen (Ribonukleinsäure) und DNA (Desoxyribonukleinsäure) erreichen. Die große Zahl organischer Verbindungen ist darauf zurückzuführen, dass das Kohlenstoffatom in seiner Valenzschale vier Elektronen hat, also weitere vier benötigt, um nach der Oktettregel einen stabilen Zustand auszubilden. Auf diese Weise stehen ihm vier Bindungen zur Verfügung, um sich durch kovalente Bindungen mit anderen Elementen oder mit anderen Atomen der gleichen Spezies zu verbinden.

• Polymere sind in vielfältiger Weise Teil unseres täglichen Lebens. Natürliche Polymere, also Biopolymere, sind wie ein Großteil der künstlichen Polymere Kohlenstoffverbindungen. Biopolymere sind grundlegende Bestandteile des Lebens. Lipide sind Biopolymere, deren Monomere TriglycerideSie sind Glycerin und Fettsäuren. Und Proteine ​​sind Polypeptide, deren Monomere Aminosäuren sind. Ein weiteres Beispiel sind Nukleinsäuren. DNA und RNA, deren Monomere Nukleotide sind, die wiederum aus stickstoffhaltigen Basen, Ribose, einem Zucker (ein Monosaccharid namens Pentose), und einer Phosphatgruppe bestehen. Kohlenhydrate sind ebenfalls Biopolymere. Polysaccharide, wie Cellulose und Stärke, und Disaccharide, wie Saccharose (der gewöhnliche Zucker) und Lactose, sind Polymere, deren Monomere Monosaccharide, einfache Zucker, sind, wobei das häufigste Monosaccharid Glucose ist. Das am häufigsten vorkommende Biopolymer ist Zellulose, die den Großteil der Biomasse der Erde bildet, da sie Bestandteil der Zellwand der meisten Pflanzen ist. Es kommt in seiner reinsten Form in Baumwolle vor und ist der Hauptbestandteil von Papier und vielen anderen Produkten, die wir täglich verwenden. Unter den künstlichen Polymeren ist das am leichtesten formbare Polyethylen, ein weit verbreiteter und verwendeter Kunststoff. Das Monomer von Polyethylen ist Ethylen, ein einfaches organisches Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, zusammen mit zwei Wasserstoffatomen, die an jedes Kohlenstoffatom gebunden sind. Wenn die Doppelbindung gebrochen wird, hat jedes der Kohlenstoffatome eine kovalente Bindung, die verfügbar ist, um andere Atome zu verbinden, wodurch die Struktureinheit gebildet wird, die das Polymer bilden wird. Die wiederholte Vereinigung dieser Struktureinheit erzeugt ein langes lineares Molekül ohne Verzweigungen, das Polyethylen ist.

• Eines der stärksten Materialien, die hergestellt werden können, ist Kohlefaser. Kohlefaser, auch Graphitfaser genannt, ist eine synthetische Faser, die aus sehr feinen Filamenten mit einem Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern aus einem Polymer besteht, dessen Hauptelement Kohlenstoff ist. Durch das Weben und Verarbeiten von Tausenden dieser dünnen Filamente entsteht eine Kohlefaser. Diese Filamente haben eine hohe Zugfestigkeit und sind daher angesichts ihrer Dicke extrem stark. Kohlenstoffnanoröhren gelten als das stärkste Material, das hergestellt werden kann, und Kohlenstofffasern werden im Allgemeinen als stahlähnliche Eigenschaften, viel leichter und mit einer ähnlichen Dichte wie Holz oder Kunststoff angesehen. Es gibt mehrere Anwendungen von Kohlenstofffasern. Beim Bau,

• Der Kohlenstoffkreislauf ist eine Abfolge von Ereignissen, die für das Leben auf der Erde wesentlich sind. Die Prozesse des Kohlenstoffkreislaufs werden gruppiert in Prozesse in der Atmosphäre, in der terrestrischen Biosphäre, Prozesse in den Ozeanen, in Sedimenten, einschließlich fossiler Brennstoffe und Süßwassersysteme, und Prozesse innerhalb des Landes. In der Atmosphäre kommt Kohlenstoff hauptsächlich in Form von Kohlendioxid und Methan vor. Kohlendioxid wird der Atmosphäre durch Photosynthese in terrestrische und marine Biosphären entzogen und löst sich auch in Gewässern zu Kohlensäure auf. Kohlenstoff in der terrestrischen Biosphäre umfasst organischen Kohlenstoff aus allen lebenden und toten Organismen sowie Kohlenstoff, der in Böden gespeichert ist. Der größte Teil des Kohlenstoffs in der terrestrischen Biosphäre ist organisch, während ein Drittel in anorganischer Form wie Calciumcarbonat vorliegt. Kohlenstoff entweicht der terrestrischen Biosphäre durch Verbrennung und Atmung, kann aber auch über Flüsse in marine Systeme exportiert oder als inerter Kohlenstoff in Böden zurückgehalten werden. Meeressysteme enthalten die größte Menge an Kohlenstoff, die mit ihrem biogeochemischen Kreislauf verbunden ist. Kohlenstoff gelangt hauptsächlich über die Auflösung von atmosphärischem Kohlendioxid in marine Systeme, das dann durch Photosynthese von Meeresorganismen in organischen Kohlenstoff umgewandelt wird. oder in Böden als inerter Kohlenstoff zurückgehalten. Meeressysteme enthalten die größte Menge an Kohlenstoff, die mit ihrem biogeochemischen Kreislauf verbunden ist. Kohlenstoff gelangt hauptsächlich über die Auflösung von atmosphärischem Kohlendioxid in marine Systeme, das dann durch Photosynthese von Meeresorganismen in organischen Kohlenstoff umgewandelt wird. oder in Böden als inerter Kohlenstoff zurückgehalten. Meeressysteme enthalten die größte Menge an Kohlenstoff, die mit ihrem biogeochemischen Kreislauf verbunden ist. Kohlenstoff gelangt hauptsächlich über die Auflösung von atmosphärischem Kohlendioxid in marine Systeme, das dann durch Photosynthese von Meeresorganismen in organischen Kohlenstoff umgewandelt wird.

Quellen

Anna Deming. König der Elemente? Nanotechnologie Nr. 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Biogeochemische Dynamik des Ozeans. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA, 2006.

Laura Gasque Silva. Kohlenstoff. Das Element mit mehreren Persönlichkeiten. How do you see? Magazine, Nationale Autonome Universität von Mexiko, 2019.

RJ Young, PA Lovell Einführung in Polymere. Dritte Edition. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.