Definition: Was bedeutet Kohlenstoff?
Kohlenstoff ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol C. Er gehört zu den wichtigsten Grundbausteinen des Lebens und kommt in allen bekannten Organismen vor. Kohlenstoff ist Bestandteil von Eiweißen, Fetten, Kohlenhydraten, Erbmaterial und zahlreichen weiteren Verbindungen.
In der Natur tritt Kohlenstoff sowohl in reiner Form als auch chemisch gebunden auf. Reine Formen sind beispielsweise Diamant und Graphit. Gebundener Kohlenstoff kommt in Kohlendioxid, Methan, Kalkstein, Erdöl, Erdgas, Kohle, Böden und Biomasse vor.
Kohlenstoff wird ständig zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Lebewesen, Böden und Gesteinen ausgetauscht. Dieser Kohlenstoffkreislauf ist für Klima, Ökosysteme und Stoffwechselprozesse von grundlegender Bedeutung.
Eigenschaften von Kohlenstoff
Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit, stabile Bindungen mit sich selbst und mit vielen anderen Elementen einzugehen. Dadurch entstehen Ketten, Ringe und komplexe räumliche Strukturen.
Diese Vielseitigkeit erklärt die große Zahl kohlenstoffhaltiger Verbindungen. Die organische Chemie befasst sich überwiegend mit solchen Stoffen.
Atomarer Aufbau
Ein Kohlenstoffatom besitzt sechs Protonen im Atomkern. Die Zahl der Neutronen kann unterschiedlich sein, wodurch verschiedene Isotope entstehen.
Vier Elektronen stehen für chemische Bindungen zur Verfügung. Deshalb kann Kohlenstoff bis zu vier Bindungen mit anderen Atomen eingehen.
Isotope
Kohlenstoff kommt in verschiedenen Isotopen vor. Die häufigsten sind Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13. Kohlenstoff-14 ist radioaktiv.
Kohlenstoff-14 entsteht in der Atmosphäre und wird von Lebewesen aufgenommen. Nach dem Tod nimmt sein Anteil durch radioaktiven Zerfall ab. Dies wird zur Altersbestimmung organischer Materialien genutzt.
Reine Formen des Kohlenstoffs
Kohlenstoff kann unterschiedliche feste Strukturen bilden. Obwohl sie aus demselben Element bestehen, besitzen sie sehr verschiedene Eigenschaften.
Diamant
Im Diamant ist jedes Kohlenstoffatom fest mit vier weiteren Atomen verbunden. Dadurch entsteht ein sehr stabiles räumliches Gitter.
Diamant ist besonders hart und leitet Wärme gut. Er wird als Schmuckstein und in Schneid-, Schleif- und Bohrwerkzeugen verwendet.
Graphit
Graphit besteht aus flachen Kohlenstoffschichten. Innerhalb einer Schicht sind die Atome stark gebunden, zwischen den Schichten wirken schwächere Kräfte.
Die Schichten können leicht gegeneinander gleiten. Deshalb wird Graphit in Bleistiften, Schmiermitteln, Elektroden und Batterien eingesetzt.
Graphen
Graphen besteht aus einer einzelnen Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome. Es ist sehr dünn, fest und elektrisch leitfähig.
Das Material wird für elektronische, energetische und technische Anwendungen erforscht. Eine großflächige und kostengünstige Herstellung ist jedoch anspruchsvoll.
Fullerene und Nanoröhren
Fullerene sind kugel- oder käfigförmige Kohlenstoffmoleküle. Kohlenstoffnanoröhren besitzen röhrenförmige Strukturen.
Sie weisen besondere mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Mögliche Anwendungen liegen in Materialtechnik, Elektronik und Medizin.
Organische Kohlenstoffverbindungen
Organische Verbindungen enthalten Kohlenstoff und meist Wasserstoff. Häufig kommen zusätzlich Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor vor.
Zu ihnen gehören natürliche Biomoleküle ebenso wie Kunststoffe, Treibstoffe, Lösungsmittel und Arzneimittel.
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Sie dienen vielen Organismen als Energiequelle und Baustoff.
Zucker, Stärke und Zellulose gehören zu dieser Stoffgruppe. Pflanzen stellen sie bei der Photosynthese her.
Fette
Fette speichern große Energiemengen und sind Bestandteil biologischer Membranen. Sie bestehen aus langen kohlenstoffreichen Molekülen.
Pflanzen und Tiere speichern überschüssige Energie teilweise in Form von Fetten und Ölen.
Eiweiße
Eiweiße oder Proteine bestehen aus Aminosäuren. Neben Kohlenstoff enthalten sie Stickstoff und häufig weitere Elemente.
Proteine dienen als Baustoffe, Enzyme, Transportstoffe und Signalstoffe in Organismen.
Erbmaterial
DNA und RNA sind komplexe organische Moleküle. Ihr Kohlenstoffgerüst trägt die Bestandteile, in denen genetische Information gespeichert ist.
Damit ist Kohlenstoff direkt an Vererbung, Entwicklung und Fortpflanzung beteiligt.
Anorganische Kohlenstoffverbindungen
Nicht alle kohlenstoffhaltigen Verbindungen gelten als organisch. Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Carbonate und bestimmte Carbide werden meist der anorganischen Chemie zugeordnet.
Kohlendioxid
Kohlendioxid besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Es ist Bestandteil der Atmosphäre und ein wichtiges Treibhausgas.
Pflanzen nehmen es bei der Photosynthese auf. Verbrennung, Atmung und Zersetzung setzen es frei.
Kohlenmonoxid
Kohlenmonoxid besteht aus einem Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom. Es entsteht bei unvollständiger Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe.
Das farb- und geruchlose Gas ist stark giftig. Es bindet an den roten Blutfarbstoff und behindert den Sauerstofftransport.
Carbonate
Carbonate sind Salze der Kohlensäure. Calciumcarbonat ist ein wichtiger Bestandteil von Kalkstein, Kreide und den Schalen vieler Organismen.
Große Mengen Kohlenstoff sind in Sedimenten und Gesteinen als Carbonate gespeichert.
Kohlenstoffkreislauf
Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt den Austausch von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Gesteinen.
Es gibt schnelle biologische Kreisläufe und sehr langsame geologische Prozesse. Menschliche Aktivitäten verbinden diese Speicher in neuer Geschwindigkeit.
Kurzer Kohlenstoffkreislauf
Pflanzen nehmen Kohlendioxid auf und bauen daraus organische Stoffe. Tiere und Mikroorganismen nehmen den Kohlenstoff über Nahrung auf.
Atmung, Ausscheidungen und Zersetzung führen ihn innerhalb von Tagen bis Jahrhunderten zurück in Atmosphäre, Boden und Wasser.
Langer Kohlenstoffkreislauf
Ein Teil des Kohlenstoffs wird in Sedimenten, Gesteinen und fossilen Rohstoffen gespeichert. Diese Prozesse dauern Tausende bis Millionen Jahre.
Verwitterung, Plattentektonik und Vulkanismus transportieren Kohlenstoff langsam zwischen Erdkruste, Ozeanen und Atmosphäre.
Kohlenstoff in der Atmosphäre
In der Atmosphäre kommt Kohlenstoff hauptsächlich als Kohlendioxid und Methan vor. Beide Gase beeinflussen das Klima.
Ihre Konzentration hängt von natürlichen Quellen, Senken und menschlichen Emissionen ab.
Atmosphärisches Kohlendioxid
Kohlendioxid wird von Pflanzen und Ozeanen aufgenommen. Atmung, Zersetzung, Verbrennung und Vulkane setzen es frei.
Die Verbrennung fossiler Energieträger erhöht die Gesamtmenge im aktiven Kohlenstoffkreislauf.
Atmosphärisches Methan
Methan enthält ein Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatome. Es entsteht vor allem unter sauerstoffarmen Bedingungen.
Quellen sind Feuchtgebiete, Tierhaltung, Reisfelder, Deponien und die Förderung fossiler Energieträger.
Kohlenstoff in Pflanzen und Tieren
Pflanzen bilden die wichtigste Verbindung zwischen atmosphärischem Kohlendioxid und organischer Biomasse. Sie speichern Kohlenstoff in Blättern, Stämmen, Wurzeln und Samen.
Tiere nehmen organischen Kohlenstoff über Nahrung auf. Ein Teil wird für Wachstum genutzt, ein anderer bei der Atmung als Kohlendioxid abgegeben.
Photosynthese
Bei der Photosynthese wird Lichtenergie genutzt, um Kohlendioxid und Wasser in energiereiche Stoffe umzuwandeln.
Dieser Prozess bildet die Grundlage fast aller Nahrungsketten und setzt Sauerstoff frei.
Zellatmung
Bei der Zellatmung werden organische Kohlenstoffverbindungen abgebaut. Die gespeicherte Energie wird für Lebensprozesse nutzbar gemacht.
Kohlendioxid entsteht als Abbauprodukt und wird an die Umgebung abgegeben.
Kohlenstoff in Böden
Böden speichern Kohlenstoff in Pflanzenresten, Humus, Wurzeln und Bodenorganismen. Weltweit gehören sie zu den größten Kohlenstoffspeichern an Land.
Die Menge hängt von Klima, Vegetation, Bodenart, Feuchtigkeit und Nutzung ab.
Humus
Humus besteht aus abgestorbener und umgewandelter organischer Substanz. Ein Teil wird schnell abgebaut, ein anderer bleibt über lange Zeit stabil.
Tonminerale und Bodenaggregate schützen organischen Kohlenstoff vor Zersetzung.
Humusverlust
Intensive Bodenbearbeitung, Erosion und fehlende Pflanzenbedeckung können den Humusvorrat verringern.
Beim Abbau wird Kohlenstoff als Kohlendioxid freigesetzt. Gleichzeitig verschlechtern sich Bodenstruktur und Wasserspeicherung.
Kohlenstoff in Mooren
Moore speichern Kohlenstoff in Torf. Unter wassergesättigten Bedingungen wird abgestorbenes Pflanzenmaterial nur langsam zersetzt.
Über Jahrtausende können dadurch mächtige organische Bodenschichten entstehen.
Entwässerung
Wird ein Moor entwässert, dringt Sauerstoff in den Torf ein. Mikroorganismen bauen das Material ab.
Dabei wird gespeicherter Kohlenstoff als Kohlendioxid freigesetzt. Der Boden sackt langfristig ab.
Wiedervernässung
Durch Wiedervernässung wird der Sauerstoffzutritt verringert und der Torfabbau gebremst.
Kurzfristig können Methanemissionen auftreten. Langfristig verhindert die Maßnahme jedoch große Kohlendioxidemissionen aus weiterer Torfzersetzung.
Kohlenstoff in Wäldern
Wälder speichern Kohlenstoff in lebender Biomasse, Totholz, Streu und Böden. Große alte Bäume enthalten besonders hohe Mengen.
Die Speicherwirkung hängt von Wachstum, Nutzung, Störungen und Zersetzung ab.
Wald als Senke
Ein Wald ist eine Kohlenstoffsenke, wenn er mehr Kohlendioxid aufnimmt, als er freisetzt.
Junge wachsende Bestände nehmen schnell Kohlenstoff auf. Alte Wälder besitzen häufig besonders große bestehende Vorräte.
Wald als Quelle
Brände, Trockenheit, Schädlinge und Rodung können große Mengen Kohlenstoff freisetzen.
Geschädigte Wälder nehmen zugleich weniger Kohlendioxid auf. Dadurch kann sich ihre Bilanz zeitweise umkehren.
Kohlenstoff in den Ozeanen
Ozeane speichern große Mengen Kohlenstoff in gelöster Form, in Organismen und Sedimenten.
Sie tauschen ständig Kohlendioxid mit der Atmosphäre aus und beeinflussen dadurch die globale Konzentration.
Löslichkeitspumpe
Kohlendioxid löst sich besonders gut in kaltem Wasser. Meeresströmungen transportieren gelösten Kohlenstoff in tiefere Schichten.
Dort kann er über lange Zeit gespeichert bleiben, bevor er wieder an die Oberfläche gelangt.
Biologische Pumpe
Phytoplankton nimmt Kohlendioxid auf und baut daraus Biomasse. Ein Teil wird von anderen Organismen gefressen.
Abgestorbenes Material und Ausscheidungen sinken in die Tiefe. Ein kleiner Anteil erreicht Sedimente und wird langfristig gespeichert.
Fossiler Kohlenstoff
Fossiler Kohlenstoff ist in Kohle, Erdöl und Erdgas gespeichert. Er stammt aus früherer Biomasse, die über geologische Zeiträume umgewandelt wurde.
Die Verbrennung setzt diesen Kohlenstoff innerhalb kurzer Zeit als Kohlendioxid frei.
Störung des natürlichen Gleichgewichts
Natürliche geologische Prozesse setzen fossilen Kohlenstoff nur sehr langsam frei. Der Mensch beschleunigt diesen Vorgang stark.
Natürliche Senken können die zusätzlichen Mengen nicht vollständig aufnehmen. Dadurch steigt die Kohlendioxidkonzentration.
Kohlenstoff und Klimawandel
Kohlenstoffverbindungen wie Kohlendioxid und Methan sind zentrale Treibhausgase. Ihre zunehmende Konzentration verändert die Strahlungsbilanz der Erde.
Die globale Erwärmung beeinflusst wiederum Kohlenstoffspeicher. Tauender Permafrost, Waldbrände und Bodenerwärmung können zusätzliche Gase freisetzen.
Kohlenstoffbudget
Das Kohlenstoffbudget beschreibt die Menge an Kohlendioxid, die noch ausgestoßen werden kann, um eine bestimmte Erwärmungsgrenze mit einer festgelegten Wahrscheinlichkeit einzuhalten.
Da sich Kohlendioxid im Klimasystem anreichert, verringert jede Emission das verbleibende Budget.
Kohlenstoffspeicherung
Kohlenstoff kann biologisch, mineralisch oder technisch gespeichert werden. Wälder, Moore und Böden sind natürliche Speicher.
Technische Verfahren scheiden Kohlendioxid ab und lagern es in geologischen Formationen ein.
Biologische Speicherung
Aufforstung, Humusaufbau und Moorschutz können Kohlenstoff binden oder bestehende Vorräte erhalten.
Die Speicherung ist jedoch durch Fläche, Nährstoffe und Dauerhaftigkeit begrenzt. Brände oder Nutzungsänderungen können den Kohlenstoff wieder freisetzen.
Mineralische Speicherung
Kohlendioxid kann mit bestimmten Mineralien reagieren und stabile Carbonate bilden.
Dieser Prozess kann natürlich oder technisch beschleunigt ablaufen. Er gilt als vergleichsweise dauerhaft, benötigt aber geeignete Materialien und Energie.
Geologische Speicherung
Abgeschiedenes Kohlendioxid kann in tiefe poröse Gesteinsschichten gepresst werden. Dichte Deckschichten sollen ein Entweichen verhindern.
Standortwahl, Überwachung und langfristige Verantwortung sind entscheidend für die Sicherheit.
Kohlenstoff in Produkten
Holz, Kunststoffe, Textilien und zahlreiche Chemikalien enthalten Kohlenstoff. Die Dauer der Speicherung hängt von der Lebenszeit des Produkts ab.
Kurzlebige Produkte geben ihren Kohlenstoff bei Verbrennung oder Zersetzung schnell frei. Langlebige Bauprodukte können ihn über Jahrzehnte binden.
Kunststoffe
Die meisten Kunststoffe werden aus fossilen Rohstoffen hergestellt. Ihr Kohlenstoff bleibt während der Nutzung im Material gebunden.
Bei Verbrennung entsteht Kohlendioxid. Gelangen Kunststoffe in die Umwelt, zerfallen sie nur langsam und bilden Mikroplastik.
Holzprodukte
Holz speichert biogenen Kohlenstoff. Eine lange stoffliche Nutzung verlängert die Speicherzeit.
Die Klimawirkung hängt zusätzlich davon ab, ob Waldkohlenstoffvorräte erhalten bleiben und welche Materialien ersetzt werden.
Reduzierung kohlenstoffbedingter Emissionen
Die wichtigste Maßnahme ist die Verringerung der Nutzung fossiler Energieträger. Erneuerbare Energien und Effizienz ersetzen Verbrennungsprozesse.
Auch Schutz von Wäldern, Mooren und Böden verhindert die Freisetzung gespeicherten Kohlenstoffs.
Kreislaufwirtschaft
Wiederverwendung und Recycling halten kohlenstoffhaltige Materialien länger im Wirtschaftskreislauf.
Dadurch sinkt der Bedarf an neuen fossilen Rohstoffen und energieintensiver Herstellung.
Suffizienz
Ein geringerer Verbrauch kurzlebiger Produkte reduziert Rohstoffbedarf, Produktion und Entsorgung.
Suffizienz ergänzt technische Lösungen und begrenzt die Gesamtmenge der in Umlauf gebrachten Materialien.
Zusammenfassung
Kohlenstoff ist ein vielseitiges chemisches Element und Grundbaustein allen bekannten Lebens. Er kommt in Organismen, Böden, Meeren, Gesteinen, fossilen Energieträgern und der Atmosphäre vor.
Im natürlichen Kohlenstoffkreislauf wird er zwischen verschiedenen Speichern ausgetauscht. Die Verbrennung fossiler Rohstoffe verlagert große Mengen geologisch gebundenen Kohlenstoffs in die Atmosphäre und verstärkt den Klimawandel. Der Schutz natürlicher Speicher, der Ausstieg aus fossilen Energieträgern und eine kreislauforientierte Nutzung kohlenstoffhaltiger Materialien sind daher von zentraler Bedeutung.
