Kohlenstoff

Kohlenstoff (aus dem Lateinischen: carbo “Kohle”) ist ein chemisches Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6. Er ist nichtmetallisch und tetravalent und stellt vier Elektronen zur Verfügung, um kovalente chemische Bindungen zu bilden. Er gehört zur Gruppe 14 des Periodensystems der Elemente. Drei Isotope kommen in der Natur vor, wobei 12C und 13C stabil sind, während 14C ein Radionuklid ist, das mit einer Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren zerfällt. Kohlenstoff ist eines der wenigen seit der Antike bekannten Elemente.

Kohlenstoff ist das 15. am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste und das vierthäufigste Element im Universum nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff. Die Häufigkeit des Kohlenstoffs, seine einzigartige Vielfalt an organischen Verbindungen und seine ungewöhnliche Fähigkeit, bei den auf der Erde üblichen Temperaturen Polymere zu bilden, ermöglicht es diesem Element, als gemeinsames Element allen bekannten Lebens zu dienen. Es ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element im menschlichen Körper (ca. 18,5%).

Die Atome des Kohlenstoffs können sich auf verschiedene Weise miteinander verbinden, was zu verschiedenen Allotropen des Kohlenstoffs führt. Die bekanntesten Allotrope sind Graphit, Diamant und Buckminsterfulleren. Die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff variieren stark mit der allotropen Form. Zum Beispiel ist Graphit undurchsichtig und schwarz, während Diamant hochtransparent ist. Graphit ist weich genug, um auf Papier einen Streifen zu bilden (daher der Name, der vom griechischen Verb “γράφειν” stammt, das “schreiben” bedeutet), während Diamant das härteste natürlich vorkommende Material ist, das bekannt ist. Graphit ist ein guter elektrischer Leiter, während Diamant eine geringe elektrische Leitfähigkeit hat. Unter normalen Bedingungen haben Diamant, Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Materialien. Alle Kohlenstoff-Allotrope sind unter normalen Bedingungen Festkörper, wobei Graphit bei Standardtemperatur und -druck die thermodynamisch stabilste Form ist. Sie sind chemisch beständig und benötigen hohe Temperaturen, um auch mit Sauerstoff zu reagieren.

Die häufigste Oxidationsstufe von Kohlenstoff in anorganischen Verbindungen ist +4, während +2 in Kohlenmonoxid und Übergangsmetallcarbonyl-Komplexen gefunden wird. Die größten Quellen für anorganischen Kohlenstoff sind Kalksteine, Dolomite und Kohlendioxid, aber bedeutende Mengen kommen in organischen Ablagerungen von Kohle, Torf, Öl und Methan-Clathraten vor. Kohlenstoff bildet eine große Anzahl von Verbindungen, mehr als jedes andere Element, mit bisher fast zehn Millionen beschriebenen Verbindungen, und doch ist diese Anzahl nur ein Bruchteil der Anzahl der theoretisch möglichen Verbindungen unter Standardbedingungen. Aus diesem Grund wurde der Kohlenstoff oft als “König der Elemente” bezeichnet.

Geschichte

Der englische Name Carbon kommt vom lateinischen carbo für Kohle und Holzkohle, woher auch die französische charbon, also Holzkohle, kommt. Im Deutschen, Niederländischen und Dänischen sind die Bezeichnungen für Kohlenstoff Kohlenstoff, koolstof und kulstof, die alle wörtlich übersetzt Kohle-Substanz bedeuten.

Kohlenstoff wurde in der Vorgeschichte entdeckt und war in Form von Ruß und Kohle bereits den frühesten menschlichen Zivilisationen bekannt. Diamanten waren in China wahrscheinlich bereits 2500 v. Chr. bekannt, während Kohlenstoff in Form von Holzkohle um die Römerzeit durch die gleiche Chemie wie heute hergestellt wurde, indem Holz in einer mit Lehm bedeckten Pyramide erhitzt wurde, um Luft auszuschließen.

Im Jahr 1722 zeigte René Antoine Ferchault de Réaumur, dass Eisen durch die Absorption einer Substanz, die heute als Kohlenstoff bekannt ist, in Stahl umgewandelt wurde. Antoine Lavoisier zeigte 1772, dass Diamanten eine Form von Kohlenstoff sind, als er Proben von Holzkohle und Diamanten verbrannte und feststellte, dass beide kein Wasser produzieren und die gleiche Menge an Kohlendioxid pro Gramm freisetzen. Carl Wilhelm Scheele zeigte 1779, dass Graphit, der als eine Form von Blei gedacht war, stattdessen mit Kohle identisch war, aber mit einer kleinen Beimischung von Eisen, und dass er bei der Oxidation mit Salpetersäure “Luftsäure” (sein Name für Kohlendioxid) abgab. 1786 bestätigten die französischen Wissenschaftler Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge und C. A. Vandermonde, dass Graphit hauptsächlich aus Kohlenstoff bestand, indem er in Sauerstoff oxidiert wurde, ähnlich wie es Lavoisier mit Diamant getan hatte. Es blieb wieder etwas Eisen übrig, das die französischen Wissenschaftler für die Graphitstruktur für notwendig hielten. In ihrer Veröffentlichung schlugen sie den Namen Carbone (lateinisch carbonum) für das Element in Graphit vor, das beim Verbrennen von Graphit als Gas freigesetzt wurde. Antoine Lavoisier führte dann in seinem Lehrbuch von 1789 Kohlenstoff als Element auf.

Ein neues Allotrop von Kohlenstoff, Fulleren, das 1985 entdeckt wurde, umfasst nanostrukturierte Formen wie Buckyballs und Nanoröhren. Ihre Entdecker - Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley - erhielten 1996 den Nobelpreis für Chemie. Das daraus resultierende erneute Interesse an neuen Formen führte zur Entdeckung weiterer exotischer Allotrope, darunter Glaskohlenstoff, und zu der Erkenntnis, dass “amorpher Kohlenstoff” nicht streng amorph ist.

Natürliches Vorkommen

Kohlenstoff ist nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff das vierthäufigste chemische Element im beobachtbaren Universum, gemessen an der Masse. Kohlenstoff ist in der Sonne, in Sternen, Kometen und in den Atmosphären der meisten Planeten reichlich vorhanden. Einige Meteorite enthalten mikroskopisch kleine Diamanten, die entstanden sind, als das Sonnensystem noch eine protoplanetare Scheibe war. Mikroskopische Diamanten können auch durch den intensiven Druck und die hohe Temperatur an den Einschlagstellen der Meteoriten entstehen.

Im Jahr 2014 kündigte die NASA eine stark verbesserte Datenbank zur Verfolgung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) im Universum an. Mehr als 20% des Kohlenstoffs im Universum können mit PAKs, komplexen Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff ohne Sauerstoff, in Verbindung gebracht werden. Diese Verbindungen sind in der PAK-Welthypothese enthalten, in der angenommen wird, dass sie bei der Abiogenese und der Bildung von Leben eine Rolle spielen. PAK scheinen “ein paar Milliarden Jahre” nach dem Urknall entstanden zu sein, sind im ganzen Universum weit verbreitet und mit neuen Sternen und Exoplaneten assoziiert.

Es wird geschätzt, dass die feste Erde insgesamt 730 ppm Kohlenstoff enthält, mit 2000 ppm im Kern und 120 ppm im Mantel und in der Kruste zusammengenommen. Da die Masse der Erde 5,972×1024 kg beträgt, würde dies 4360 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff bedeuten. Das ist viel mehr als die Menge an Kohlenstoff in den Ozeanen oder der Atmosphäre (unten).

In Verbindung mit dem Sauerstoff im Kohlendioxid wird Kohlenstoff in der Erdatmosphäre gefunden (ca. 900 Gigatonnen Kohlenstoff - jedes ppm entspricht 2,13 Gt) und in allen Wasserkörpern gelöst (ca. 36.000 Gigatonnen Kohlenstoff). Der Kohlenstoff in der Biosphäre wurde auf 550 Gigatonnen geschätzt, jedoch mit einer großen Unsicherheit, die vor allem auf die große Unsicherheit bei der Menge der terrestrischen Bakterien im tiefen Untergrund zurückzuführen ist. Auch Kohlenwasserstoffe (wie Kohle, Erdöl und Erdgas) enthalten Kohlenstoff. Die “Reserven” (nicht die “Ressourcen”) der Kohle belaufen sich auf etwa 900 Gigatonnen mit vielleicht 18.000 Gt an Ressourcen. Die Ölreserven betragen etwa 150 Gigatonnen. Nachgewiesene Quellen für Erdgas sind etwa 175×1012 Kubikmeter (mit etwa 105 Gigatonnen Kohlenstoff), aber Studien schätzen weitere 900×1012 Kubikmeter “unkonventionelle” Vorkommen wie Schiefergas, die etwa 540 Gigatonnen Kohlenstoff enthalten.

Kohlenstoff wird auch in Methanhydraten in den Polarregionen und unter den Meeren gefunden. Nach verschiedenen Schätzungen liegt dieser Kohlenstoff zwischen 500, 2500 Gt oder 3.000 Gt.

In der Vergangenheit waren die Mengen an Kohlenwasserstoffen größer. Laut einer Quelle wurden im Zeitraum von 1751 bis 2008 etwa 347 Gigatonnen Kohlenstoff als Kohlendioxid durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre freigesetzt. Eine andere Quelle beziffert die Menge, die seit 1750 in die Atmosphäre gelangt ist, auf 879 Gt, und die Summe, die in die Atmosphäre, ins Meer und an Land (z.B. in Torfmoore) gelangt, auf fast 2.000 Gt.

Kohlenstoff ist ein Bestandteil (ca. 12 Massenprozent) der sehr großen Massen von Karbonatgestein (Kalkstein, Dolomit, Marmor usw.). Kohle ist sehr kohlenstoffreich (Anthrazit enthält 92-98%) und ist die größte kommerzielle Quelle für mineralischen Kohlenstoff, der 4.000 Gigatonnen oder 80% der fossilen Brennstoffe ausmacht.

Was die einzelnen Kohlenstoff-Allotrope betrifft, so wird Graphit in großen Mengen in den Vereinigten Staaten (hauptsächlich in New York und Texas), Russland, Mexiko, Grönland und Indien gefunden. Natürliche Diamanten kommen im Gestein Kimberlit vor, das in alten vulkanischen “Hälsen” oder “Röhren” gefunden wird. Die meisten Diamantenvorkommen befinden sich in Afrika, insbesondere in Südafrika, Namibia, Botswana, der Republik Kongo und Sierra Leone. Diamantvorkommen wurden auch in Arkansas, Kanada, der russischen Arktis, Brasilien und in Nord- und Westaustralien gefunden. Auch am Kap der Guten Hoffnung werden jetzt Diamanten vom Meeresboden geborgen. Diamanten werden natürlich gefunden, aber etwa 30% aller in den USA verwendeten Industriediamanten werden jetzt hergestellt.

Kohlenstoff-14 wird in den oberen Schichten der Troposphäre und der Stratosphäre in 9-15 km Höhe durch eine Reaktion gebildet, die durch kosmische Strahlung ausgefällt wird. Es werden thermische Neutronen erzeugt, die mit den Kernen von Stickstoff-14 kollidieren und dabei Kohlenstoff-14 und ein Proton bilden. Als solches enthält 1,5%×10-10 des atmosphärischen Kohlendioxids Kohlenstoff-14.

Kohlenstoffreiche Asteroiden sind in den äußeren Teilen des Asteroidengürtels unseres Sonnensystems relativ vorherrschend. Diese Asteroiden wurden noch nicht direkt von Wissenschaftlern beprobt. Die Asteroiden können für den hypothetischen, weltraumgestützten Kohlenstoffabbau verwendet werden, was in Zukunft möglich sein könnte, aber derzeit technologisch nicht möglich ist.

Produktion

Graphit

Kommerziell nutzbare natürliche Graphitvorkommen kommen in vielen Teilen der Welt vor, aber die wirtschaftlich wichtigsten Quellen liegen in China, Indien, Brasilien und Nordkorea. Graphitvorkommen sind metamorphen Ursprungs, die in Verbindung mit Quarz, Glimmer und Feldspäten in Schiefer, Gneisen und metamorphosierten Sandsteinen und Kalkstein als Linsen oder Adern mit einer Dicke von manchmal einem Meter oder mehr gefunden werden. Die Graphitvorkommen in Borrowdale, Cumberland, England, waren zunächst von ausreichender Größe und Reinheit, so dass bis zum 19. Jahrhundert Bleistifte einfach durch das Sägen von Blöcken aus Naturgraphit in Streifen hergestellt wurden, bevor die Streifen in Holz eingefasst wurden. Heute erhält man kleinere Graphitablagerungen, indem man das Ausgangsgestein zerkleinert und den leichteren Graphit auf dem Wasser ausschwimmen lässt.

Es gibt drei Arten von Naturgraphit - amorph, Flocken oder kristalline Flocken und Adern oder Klumpen. Amorpher Graphit ist die niedrigste Qualität und am häufigsten vorhanden. Im Gegensatz zur Wissenschaft bezieht sich “amorph” in der Industrie eher auf eine sehr kleine Kristallgröße als auf das völlige Fehlen einer Kristallstruktur. Amorpher Graphit wird für minderwertige Graphitprodukte verwendet und ist der preiswerteste Graphit. Große amorphe Graphitvorkommen findet man in China, Europa, Mexiko und den Vereinigten Staaten. Flockengraphit ist weniger verbreitet und von höherer Qualität als amorpher Graphit; er kommt als separate Platten vor, die in metamorphem Gestein kristallisiert sind. Flockengraphit kann viermal so teuer sein wie amorpher Graphit. Flocken von guter Qualität können zu Blähgraphit für viele Anwendungen, wie z.B. als Flammschutzmittel, verarbeitet werden. Die wichtigsten Vorkommen befinden sich in Österreich, Brasilien, Kanada, China, Deutschland und Madagaskar. Ader- oder Klumpengraphit ist die seltenste, wertvollste und hochwertigste Art von Naturgraphit. Er kommt in Adern entlang von Intrusivkontakten in festen Klumpen vor und wird nur in Sri Lanka kommerziell abgebaut.

Laut USGS betrug die Weltproduktion von Naturgraphit im Jahr 2010 1,1 Millionen Tonnen, wobei China 800.000 t, Indien 130.000 t, Brasilien 76.000 t, Nordkorea 30.000 t und Kanada 25.000 t beitrugen. In den Vereinigten Staaten wurde kein Naturgraphit abgebaut, aber im Jahr 2009 wurden 118.000 t synthetischer Graphit im geschätzten Wert von 998 Millionen Dollar produziert.

Diamant

Die Lieferkette für Diamanten wird von einer begrenzten Anzahl mächtiger Unternehmen kontrolliert und ist zudem an einigen wenigen Standorten auf der ganzen Welt stark konzentriert (siehe Abbildung).

Nur ein sehr kleiner Teil des Diamantenerzes besteht aus echten Diamanten. Das Erz wird zerkleinert, wobei darauf geachtet werden muss, dass dabei keine grösseren Diamanten zerstört werden, und anschliessend werden die Partikel nach ihrer Dichte sortiert. Heute werden die Diamanten mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz in der diamantreichen Dichtefraktion lokalisiert, wonach die letzten Sortierschritte von Hand durchgeführt werden. Bevor der Einsatz von Röntgenstrahlen üblich wurde, erfolgte die Trennung mit Fettbändern; Diamanten neigen stärker zum Anhaften an Fett als die anderen Mineralien im Erz.

Historisch gesehen wurden Diamanten nur in alluvialen Lagerstätten in Südindien gefunden. Indien war von der Zeit ihrer Entdeckung im 9. Jahrhundert v. Chr. bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts n. Chr. weltweit führend in der Diamantenproduktion, aber das kommerzielle Potenzial dieser Quellen war im späten 18. Jahrhundert erschöpft, und zu dieser Zeit wurde Indien von Brasilien verdrängt, wo 1725 die ersten nicht indischen Diamanten gefunden wurden.

Die Diamantenproduktion von Primärvorkommen (Kimberlite und Lamproite) begann erst in den 1870er Jahren nach der Entdeckung der Diamantenfelder in Südafrika. Die Produktion hat im Laufe der Zeit zugenommen, und seit diesem Zeitpunkt wurden insgesamt 4,5 Milliarden Karat abgebaut. Etwa 20% dieser Menge wurden allein in den letzten 5 Jahren abgebaut, und in den letzten zehn Jahren haben 9 neue Minen die Produktion aufgenommen, während 4 weitere Minen darauf warten, bald eröffnet zu werden. Die meisten dieser Bergwerke befinden sich in Kanada, Simbabwe, Angola und eines in Russland.

In den Vereinigten Staaten wurden Diamanten in Arkansas, Colorado und Montana gefunden. Im Jahr 2004 führte die überraschende Entdeckung eines mikroskopisch kleinen Diamanten in den Vereinigten Staaten im Januar 2008 zur Entnahme von Massenproben von Kimberlitrohren in einem abgelegenen Teil von Montana.

Heute befinden sich die meisten kommerziell nutzbaren Diamantvorkommen in Russland, Botswana, Australien und der Demokratischen Republik Kongo. Im Jahr 2005 produzierte Russland fast ein Fünftel der weltweiten Diamantenproduktion, berichtet der British Geological Survey. Australien hat die reichste diamantenhaltige Pfeife mit einer Produktion, die in den 1990er Jahren ein Spitzenniveau von 42 metrischen Tonnen (41 Lang-Tonnen; 46 Kurz-Tonnen) pro Jahr erreichte. Es gibt auch kommerzielle Vorkommen, die aktiv in den Nordwest-Territorien Kanadas, in Sibirien (hauptsächlich auf dem Gebiet von Jakutien; z.B. Mir-Pipe und Udachnaya-Pipe), in Brasilien sowie in Nord- und Westaustralien abgebaut werden.

Wirtschaftliche Nutzung

Kohlenstoff ist für alle bekannten lebenden Systeme essentiell, und ohne ihn könnte Leben, wie wir es kennen, nicht existieren (siehe alternative Biochemie). Die wichtigste wirtschaftliche Nutzung von Kohlenstoff außer in Nahrungsmitteln und Holz erfolgt in Form von Kohlenwasserstoffen, vor allem in Form der fossilen Brennstoffe Methangas und Rohöl (Erdöl). Rohöl wird von der petrochemischen Industrie in Raffinerien destilliert, um Benzin, Kerosin und andere Produkte herzustellen. Zellulose ist ein natürliches, kohlenstoffhaltiges Polymer, das von Pflanzen in Form von Holz, Baumwolle, Leinen und Hanf produziert wird. Cellulose wird hauptsächlich zur Erhaltung der Struktur in Pflanzen verwendet. Zu den kommerziell wertvollen Kohlenstoffpolymeren tierischen Ursprungs gehören Wolle, Kaschmir und Seide. Kunststoffe werden aus synthetischen Kohlenstoffpolymeren hergestellt, die oft in regelmäßigen Abständen Sauerstoff- und Stickstoffatome in die Hauptpolymerkette einschließen. Die Rohstoffe für viele dieser synthetischen Substanzen stammen aus Erdöl.

Die Verwendung von Kohlenstoff und seinen Verbindungen ist äußerst vielfältig. Er kann Legierungen mit Eisen bilden, von denen der Kohlenstoffstahl die häufigste ist. Graphit wird mit Tonen kombiniert, um die “Mine” zu bilden, die in Bleistiften zum Schreiben und Zeichnen verwendet wird. Er wird auch als Schmiermittel und Pigment, als Formmaterial bei der Glasherstellung, in Elektroden für Trockenbatterien und beim Galvanisieren und Galvanoformen, in Bürsten für Elektromotoren und als Neutronenmoderator in Kernreaktoren verwendet.

Holzkohle wird als Zeichenmaterial in Kunstwerken, beim Grillen, in der Eisenverhüttung und in vielen anderen Anwendungen verwendet. Holz, Kohle und Öl werden als Brennstoff zur Energieerzeugung und zum Heizen verwendet. Diamanten in Edelsteinqualität werden in Schmuckstücken verwendet, und Industriediamanten werden in Bohr-, Schneid- und Polierwerkzeugen für die Bearbeitung von Metallen und Stein eingesetzt. Kunststoffe werden aus fossilen Kohlenwasserstoffen hergestellt, und Kohlefasern, die durch Pyrolyse von synthetischen Polyesterfasern hergestellt werden, werden zur Verstärkung von Kunststoffen verwendet, um fortschrittliche, leichte Verbundmaterialien zu bilden.

Kohlefaser wird durch Pyrolyse von extrudierten und gestreckten Filamenten aus Polyacrylnitril (PAN) und anderen organischen Substanzen hergestellt. Die kristallographische Struktur und die mechanischen Eigenschaften der Faser hängen von der Art des Ausgangsmaterials und von der nachfolgenden Verarbeitung ab. Kohlenstofffasern aus PAN haben eine Struktur, die schmalen Graphitfilamenten ähnelt, aber durch die thermische Verarbeitung kann die Struktur zu einem endlos gewalzten Blatt neu geordnet werden. Das Ergebnis sind Fasern mit einer höheren spezifischen Zugfestigkeit als Stahl.

Ruß wird als schwarzes Pigment in Druckfarben, Künstlerölfarben und Aquarellen, Kohlepapier, Autolacken, Tusche und Toner für Laserdrucker verwendet. Ruß wird auch als Füllstoff in Gummiprodukten wie Reifen und in Kunststoffmischungen verwendet. Aktivkohle wird als Absorptions- und Adsorptionsmittel in Filtermaterial in so unterschiedlichen Anwendungen wie Gasmasken, Wasserreinigung und Küchenabzugshauben sowie in der Medizin zur Absorption von Giftstoffen, Giften oder Gasen aus dem Verdauungssystem verwendet. Kohlenstoff wird bei der chemischen Reduktion bei hohen Temperaturen verwendet. Koks wird verwendet, um Eisenerz zu Eisen zu reduzieren (Verhüttung). Die Einsatzhärtung von Stahl wird durch Erhitzen der fertigen Stahlkomponenten in Kohlenstoffpulver erreicht. Karbide aus Silizium, Wolfram, Bor und Titan gehören zu den härtesten bekannten Materialien und werden als Schleifmittel in Schneid- und Schleifwerkzeugen verwendet. Kohlenstoffverbindungen machen die meisten der in der Bekleidung verwendeten Materialien aus, wie natürliche und synthetische Textilien und Leder, sowie fast alle Innenoberflächen in der gebauten Umgebung, mit Ausnahme von Glas, Stein und Metall.

Diamanten

Die Diamantenindustrie lässt sich in zwei Kategorien einteilen: eine Kategorie, die sich mit Diamanten in Edelsteinqualität befasst, und eine andere, die sich mit Diamanten in Industriequalität befasst. Während ein umfangreicher Handel mit beiden Arten von Diamanten besteht, funktionieren die beiden Märkte dramatisch unterschiedlich.

Im Gegensatz zu Edelmetallen wie Gold oder Platin werden Edelsteindiamanten nicht als Handelsware gehandelt: Es gibt einen erheblichen Aufschlag beim Verkauf von Diamanten, und es gibt keinen sehr aktiven Markt für den Weiterverkauf von Diamanten.

Industriediamanten werden vor allem wegen ihrer Härte und Wärmeleitfähigkeit geschätzt, wobei die gemmologischen Eigenschaften wie Klarheit und Farbe meist keine Rolle spielen. Etwa 80% der geförderten Diamanten (dies entspricht etwa 100 Millionen Karat oder 20 Tonnen jährlich) sind für die Verwendung ungeeignet, da Edelsteine für die industrielle Verwendung (bekannt als Bort) verbannt werden. synthetische Diamanten, die in den 1950er Jahren erfunden wurden, fanden fast sofort industrielle Anwendungen; jährlich werden 3 Milliarden Karat (600 Tonnen) synthetische Diamanten produziert.

Die vorherrschende industrielle Verwendung von Diamanten ist das Schneiden, Bohren, Schleifen und Polieren. Für die meisten dieser Anwendungen werden keine großen Diamanten benötigt; tatsächlich können die meisten Diamanten von Edelsteinqualität mit Ausnahme ihrer geringen Größe industriell verwendet werden. Diamanten werden in Bohrspitzen oder Sägeblättern eingebettet oder für Schleif- und Polieranwendungen in ein Pulver geschliffen. Spezialisierte Anwendungen umfassen den Einsatz in Laboratorien als Einschluss für Hochdruckexperimente (siehe Diamant-Ambosszelle), Hochleistungslager und den begrenzten Einsatz in Spezialfenstern. Mit den kontinuierlichen Fortschritten bei der Herstellung synthetischer Diamanten werden neue Anwendungen möglich. Besonders aufregend ist die mögliche Verwendung von Diamant als Halbleiter, der sich für Mikrochips eignet, und wegen seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit als Wärmesenke in der Elektronik.

Biologie

Kohlenstoff kommt in allen bekannten organischen Lebewesen vor und ist die Grundlage der organischen Chemie. Zusammen mit Wasserstoff bildet er verschiedene Kohlenwasserstoffe, die für die Industrie als Kältemittel, Schmiermittel, Lösungsmittel, als chemische Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen und Petrochemikalien sowie als fossile Brennstoffe wichtig sind.

In Verbindung mit Sauerstoff und Wasserstoff kann Kohlenstoff viele Gruppen wichtiger biologischer Verbindungen bilden, darunter Zucker, Lignane, Chitine, Alkohole, Fette und aromatische Ester, Carotinoide und Terpene. Mit Stickstoff bildet er Alkaloide, und mit der Zugabe von Schwefel bildet er auch Antibiotika, Aminosäuren und Kautschukprodukte. Unter Zugabe von Phosphor zu diesen anderen Elementen bildet es DNA und RNA, die chemischen Codeträger des Lebens, und Adenosintriphosphat (ATP), das wichtigste Energieübertragungsmolekül in allen lebenden Zellen.

Sicherheit

Reiner Kohlenstoff hat eine extrem geringe Toxizität für den Menschen und kann in Form von Graphit oder Holzkohle sicher gehandhabt werden. Er ist widerstandsfähig gegen Auflösung oder chemische Angriffe, selbst im sauren Inhalt des Verdauungstraktes. Folglich wird er, sobald er einmal in das Körpergewebe eingedrungen ist, dort wahrscheinlich auf unbestimmte Zeit verbleiben. Ruß war wahrscheinlich eines der ersten Pigmente, die zum Tätowieren verwendet wurden, und es wurde festgestellt, dass Ötzi, der Mann aus dem Eis, Tätowierungen aus Kohlenstoff hatte, die während seines Lebens und 5200 Jahre nach seinem Tod überlebten. Das Einatmen von Kohlenstaub oder Ruß (Carbon Black) in großen Mengen kann gefährlich sein, das Lungengewebe reizen und die kongestive Lungenkrankheit, die Kohlearbeiter-Pneumokoniose, verursachen. Diamantstaub, der als Schleifmittel verwendet wird, kann schädlich sein, wenn er verschluckt oder eingeatmet wird. In den Abgasen von Dieselmotoren entstehen Mikropartikel aus Kohlenstoff, die sich in der Lunge anreichern können. In diesen Beispielen kann die Schädigung eher durch Verunreinigungen (z.B. organische Chemikalien, Schwermetalle) als durch den Kohlenstoff selbst verursacht werden.

Kohlenstoff hat im Allgemeinen eine geringe Toxizität für das Leben auf der Erde, aber Kohlenstoff-Nanopartikel sind für Drosophila tödlich.

Kohlenstoff kann in Gegenwart von Luft bei hohen Temperaturen kräftig und hell brennen. Große Anhäufungen von Kohle, die in Abwesenheit von Sauerstoff über Hunderte von Millionen von Jahren inaktiv geblieben sind, können spontan verbrennen, wenn sie der Luft in Kohlebergwerkshalden, Schiffsladeräumen und Kohlebunkern sowie auf Lagerplätzen ausgesetzt werden.

Bei nuklearen Anwendungen, bei denen Graphit als Neutronenmoderator verwendet wird, kann es zu einer Akkumulation von Wigner-Energie und einer plötzlichen, spontanen Freisetzung kommen. Durch Glühen auf mindestens 250 °C kann die Energie sicher freigesetzt werden, obwohl im Windscale-Feuer das Verfahren schief ging und andere Reaktormaterialien verbrannt wurden.

Zu der großen Vielfalt von Kohlenstoffverbindungen gehören so tödliche Gifte wie Tetrodotoxin, das Lektin Ricin aus den Samen der Rizinuspflanze Ricinus communis, Zyanid (CN-) und Kohlenmonoxid sowie lebensnotwendige Stoffe wie Glukose und Eiweiß.