Kohlenstoffverbindungen: Was Sie wissen sollten

Kohlenstoffverbindungen sind chemische Substanzen, die enthalten Kohlenstoffatome an jedes andere Element gebunden. Es gibt mehr Kohlenstoffverbindungen als für jedes andere Element außer Wasserstoff. Die Mehrheit dieser Moleküle sind organische Kohlenstoffverbindungen (z. B. Benzol, Saccharose), obwohl auch eine große Anzahl anorganischer Kohlenstoffverbindungen existiert (z. Kohlendioxid). Ein wichtiges Merkmal von Kohlenstoff ist die Verkettung, dh die Fähigkeit, lange Ketten zu bilden oder Polymere. Diese Ketten können linear sein oder Ringe bilden.

Kohlenstoff bildet meistens kovalente Bindungen mit anderen Atomen. Kohlenstoff bildet unpolare kovalente Bindungen, wenn er sich an andere Kohlenstoffatome bindet, und polare kovalente Bindungen mit Nichtmetallen und Metalloiden. In einigen Fällen bildet Kohlenstoff Ionenbindungen. Ein Beispiel ist eine Bindung zwischen Calcium und Kohlenstoff in Calciumcarbid, CaC₂.

Kohlenstoff ist normalerweise vierwertig (Oxidationsstufe von +4 oder -4). Es sind jedoch andere Oxidationsstufen bekannt, einschließlich +3, +2, +1, 0, -1, -2 und -3. Es ist sogar bekannt, dass Kohlenstoff sechs Bindungen bildet, wie in Hexamethylbenzol.

Obwohl die beiden Hauptmethoden zur Klassifizierung von Kohlenstoffverbindungen als organisch oder anorganisch sind, gibt es so viele verschiedene Verbindungen, dass sie weiter unterteilt werden können.

Allotrope sind verschiedene Formen eines Elements. Technisch gesehen sind sie keine Verbindungen, obwohl die Strukturen oft mit diesem Namen bezeichnet werden. Wichtige Allotrope von Kohlenstoff umfassen amorphen Kohlenstoff, Diamant, Graphit, Graphen und Fullerene. Andere Allotrope sind bekannt. Obwohl Allotrope alle Formen desselben Elements sind, haben sie sehr unterschiedliche Eigenschaften.

Organische Verbindungen wurden einst als jede Kohlenstoffverbindung definiert, die ausschließlich von einem lebenden Organismus gebildet wurde. Jetzt können viele dieser Verbindungen in einem Labor synthetisiert werden oder es wurde festgestellt, dass sie sich von Organismen unterscheiden. Daher wurde die Definition überarbeitet (obwohl nicht vereinbart). Eine organische Verbindung muss mindestens Kohlenstoff enthalten. Die meisten Chemiker sind sich einig, dass auch Wasserstoff vorhanden sein muss. Trotzdem ist die Einstufung einiger Verbindungen umstritten. Zu den Hauptklassen organischer Verbindungen gehören (ohne darauf beschränkt zu sein) Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, und Nukleinsäuren. Beispiele für organische Verbindungen umfassen Benzol, Toluol, Saccharose und Heptan.

Anorganische Verbindungen können in Mineralien und anderen natürlichen Quellen enthalten sein oder im Labor hergestellt werden. Beispiele umfassen Kohlenoxide (CO und CO₂), Carbonate (z. B. CaCO₃), Oxalate (z. B. BaC₂Ö₄), Schwefelkohlenstoffe (z. B. Schwefelkohlenstoff, CS₂) Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen (z. B. Cyanwasserstoff, HCN), Halogenkohlenstoffe und Carborane.

Metallorganische Verbindungen enthalten mindestens eine Kohlenstoff-Metall-Bindung. Beispiele umfassen Tetraethylblei, Ferrocen und Zeisesalz.

Mehrere Legierungen enthalten Kohlenstoff, einschließlich Stahl und Gusseisen. "Reine" Metalle können mit Koks geschmolzen werden, wodurch sie auch Kohlenstoff enthalten. Beispiele umfassen Aluminium, Chrom und Zink.

Bestimmte Verbindungsklassen haben Namen, die ihre Zusammensetzung angeben:

• Karbide: Carbide sind binäre Verbindungen, die aus Kohlenstoff und einem anderen Element mit geringerer Elektronegativität gebildet werden. Beispiele umfassen Al₄C.₃CaC₂, SiC, TiC, WC.
• Halogenkohlenstoffe: Halogenkohlenstoffe bestehen aus Kohlenstoff, an den gebunden ist ein Halogen. Beispiele umfassen Tetrachlorkohlenstoff (CCl₄) und Tetraiodkohlenstoff (CI₄).
• Carborane: Carborane sind Molekülcluster, die sowohl Kohlenstoff als auch Kohlenstoff enthalten Boratome. Ein Beispiel ist H.₂C.₂B.₁₀H.₁₀.

Kohlenstoffverbindungen haben bestimmte gemeinsame Eigenschaften:

1. Die meisten Kohlenstoffverbindungen weisen bei normaler Temperatur eine geringe Reaktivität auf, können jedoch bei Wärmeeinwirkung heftig reagieren. Beispielsweise ist Cellulose in Holz bei Raumtemperatur stabil, verbrennt jedoch beim Erhitzen.
2. Infolgedessen gelten organische Kohlenstoffverbindungen als brennbar und können als Brennstoffe verwendet werden. Beispiele sind Teer, Pflanzenmaterial, Erdgas, Öl und Kohle. Nach der Verbrennung besteht der Rückstand hauptsächlich aus elementarem Kohlenstoff.
3. Viele Kohlenstoffverbindungen sind unpolar und weisen eine geringe Wasserlöslichkeit auf. Aus diesem Grund reicht Wasser allein nicht aus, um Öl oder Fett zu entfernen.
4. Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen sind oft gute Sprengstoffe. Die Bindungen zwischen den Atomen können instabil sein und beim Aufbrechen wahrscheinlich beträchtliche Energie freisetzen.
5. Verbindungen, die Kohlenstoff und Stickstoff enthalten, haben typischerweise einen deutlichen und unangenehmen Geruch als Flüssigkeiten. Die feste Form kann geruchlos sein. Ein Beispiel ist Nylon, das riecht, bis es polymerisiert.

Die Verwendung von Kohlenstoffverbindungen ist grenzenlos. Das Leben, wie wir es kennen, beruht auf Kohlenstoff. Die meisten Produkte enthalten Kohlenstoff, einschließlich Kunststoffe, Legierungen und Pigmente. Kraftstoffe und Lebensmittel basieren auf Kohlenstoff.