Wenn wir heute über die Entwicklung der Chemie reden, dann betrachten wir dass unter dem Blickwinkel der Neuzeit (moderne Chemie). Dabei sollen wir aber nicht vergessen, dass sich praktische Erfahrungen, sowie theoretische Kenntnisse über die Vorgänge in der Natur als Vorstufen wissenschaftlicher Naturerkenntnisse bis in die Frühgeschichte der Menschen zurückverfolgen lassen (z.B. Um 600 v. u. Z. entstand die Lehre (in China), dass die Welt aus 5 Urstoffen (Wasser, Feuer, Holz, Metall, Erde) zusammengesetzt ist. 200 Jahre später, um 400 v. u. Z. wurde die Atomtheorie (spekulativ) entwickelt. Weiterhin wurden in dieser Zeit die Symbole für die bekannten Metalle und für einige chemische Begriffe eindeutig nachgewiesen. Dies trifft auch für die Gewinnung chemischer Erkenntnisse und deren gewerbliche Ausnutzung, sowie für die Entstehung spezifischer Ziel- und Aufgabenstellungen der Chemie verwendenden Unternehmen, für die Entwicklung spezieller Arbeitsmittel und Arbeitsmethoden, für die Herausbildung erster chemischer Begriffe und Gesetzmäßigkeiten zu.
Chemische Forschungs- und Entwicklungsarbeit haben heute große Bedeutung im Alltag. Die Chemie, als Teilgebiet der Naturwissenschaften, hat sich im letzten Vierteljahrhundert sehr entwickelt. Häufig erscheint die Chemie, beim Vergleich mit den Verwandten Sachgebieten Biologie und Physik, recht unspektakulär, weil sie die Presse nicht mit Sensationen, wie Fortschritte in der Medizin oder mit astronomischen Ereignissen, erfreut. Trotzdem hat die Chemie von allen wissenschaftlichen Sachgebieten, den weitreichendsten Einfluss auf soziale Gewohnheiten und Werte. Gegenstand der Chemie sind die Stoffe und die stofflichen Veränderungen.
Inhaltverzeichnis
Deckblatt
Inhaltverzeichnis Erklärung
Vorwort
1 Einführung in die allgemeine Chemie und die organische Chemie
2 Elemente der 4. Hauptgruppe
3 Kohlenstoff
3.1 Diamant
3.2 Graphit
3.3 Ruß
3.4 Holzkohle
3.5 Aktivkohle
3.6 Koks
4 Kohlenstoffoxide
4.1 Kohlenmonoxid
4.2 Kohlendioxid
4.3 Kohlenstoffsuboxide
5 Kohlenwasserstoffe
5.1 Alkane
5.2 Alkene
5.3 Alkine
5.4 Aromatische Kohlenwasserstoffe
6 Kohlenhydrate
7 Fette und Öle
7.1 Tierische Fette
7.2 Pflanzliche Fette
8 Erdöl und Erdgas
Schlusswort
Literaturverzeichnis
Erklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Facharbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe.
Insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche kenntlich gemacht habe.
Vorwort
Manche würden mich fragen warum ich für meine Facharbeit das Thema Chemie gewählt habe. Die Chemie ist ein interessantes und großes Gebiet, das einem eine große Vielfalt an Möglichkeiten zur Anwendung bietet. Ich möchte, versuchen, aus diesen großen Bereich, Ihnen, die Kohlenstoffverbindungen näher zu erläutern. Die Kohlenstoffverbindungen sind für mich deshalb so reizvoll weil sie auf unser Alltagsleben ein stetigen Einfluss nehmen, oft Verwenden wir sie ohne zu wissen das es sich um Kohlenstoffverbindungen handelt, außerdem treten sie in vielen verschiedenen Formen und Variationen auf. Sie können von flüssigen Zustand, wie zum Beispiel Kaffee oder Milch, bis hin zu den härtesten Stoffen der Welt, wie der Diamant zeigt, reichen. Ich hoffe, das Ihnen die folgende Abhandlung einen kleinenÜberblick,über die Welt der Kohlenstoffverbindungen, gibt.
1. Einführung in die allgemeine Chemie und organische Chemie
Wenn wir heute über die Entwicklung der Chemie reden, dann betrachten wir dass unter dem Blickwinkel der Neuzeit (moderne Chemie). Dabei sollen wir aber nicht vergessen, dass sich praktische Erfahrungen, sowie theoretische Kenntnisse über die Vorgänge in der Natur als Vorstufen wissenschaftlicher Naturerkenntnisse bis in die Frühgeschichte der Menschen zurückverfolgen lassen (z.B. Um 600 v. u. Z. entstand die Lehre (in China), dass die Welt aus 5 Urstoffen (Wasser, Feuer, Holz, Metall, Erde) zusammengesetzt ist. 200 Jahre später, um 400 v. u. Z. wurde die Atomtheorie (spekulativ) entwickelt. Weiterhin wurden in dieser Zeit die Symbole für die bekannten Metalle und für einige chemische Begriffe eindeutig nachgewiesen. Dies trifft auch für die Gewinnung chemischer Erkenntnisse und deren gewerbliche Ausnutzung, sowie für die Entstehung spezifischer Ziel- und Aufgabenstellungen der Chemie verwendenden Unternehmen, für die Entwicklung spezieller Arbeitsmittel und Arbeitsmethoden, für die Herausbildung erster chemischer Begriffe und Gesetzmäßigkeiten zu.
Chemische Forschungs- und Entwicklungsarbeit haben heute große Bedeutung im Alltag. Die Chemie, als Teilgebiet der Naturwissenschaften, hat sich im letzten Vierteljahrhundert sehr entwickelt. Häufig erscheint die Chemie, beim Vergleich mit den Verwandten Sachgebieten Biologie und Physik, recht unspektakulär, weil sie die Presse nicht mit Sensationen, wie Fortschritte in der Medizin oder mit astronomischen Ereignissen, erfreut. Trotzdem hat die Chemie von allen wissenschaftlichen Sachgebieten, den weitreichendsten Einfluss auf soziale Gewohnheiten und Werte. Gegenstand der Chemie sind die Stoffe und die stofflichen
Veränderungen.
Die Chemie unterteilt sich in zwei große Gebiete, in die der anorganische und organische Chemie. Anorganische Chemie beschäftigt sich mit allen Stoffen, außer Kohlenstoff. Wo dagegen die organische Chemie sich hauptsächlich mit Kohlenstoff und deren Verbindungen auseinander setzt.
Früher wurde die organische Chemie so betrachtet, das für ihrer Bearbeitung die ,,Lebenskraft" Notwendig war. Diese Vorstellung war solange gültig bis es im Jahr 1828 dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler (1*) gelang, durch Umlagerung der Atome in der anorganischen Verbindung Ammoniumcyanat die typisch organische Verbindung Harnstoff herzustellen: Ammoniumcyanat Harnstoff.
Mit dieser Wöhler'schen Synthese war aber der Beweis erbracht, dass die sogenannte ,,Lebenskraft" nicht erforderlich ist, man behielt aber den Begriff ,,organische Chemie" für alle Kohlenstoffverbindungen mit Ausnahme der Salze des CO2 (z.B. Calciumcarbonat) bei. Die organische Chemie wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts neu von Kekulé (2*) definiert: ,,Alle Kohlenstoffverbindungen sind organische Verbindungen"/1. Diese Art Verbindungen stellt schon in ihrer Vielzahl eine besondere Gruppe von Stoffen dar.
1*) Friedrich Wöhler war ein Chemiker und Mediziner. Er wurde am 31. Juli 1800 in Escherscheim bei Frankfurt am Main geboren und starb am 23. September 1882 in Göttingen. Er stellte die Werte von Aluminium, Beryllium und Yttrium in reinem Zustand dar. Ebenso führte er 1828 erstmals die Synthese einer organischen Verbindung aus einem anorganischen Ausgangsstoff durch.
2*) Friedrich August Kekulé von Stradonitz war ein Chemiker, der am 7.9.1829 in Darmstadt geboren wurde (_13.7.1896 in Bonn). Er stellte als Hypothese auf, dass die Kohlenstoffatome des Benzols ringförmig angeordnet seien, und gab 1865 die heute übliche Benzolformel an.
2. Elemente der 4. Hauptgruppe
In der 4. Hauptgruppe des Periodensystems, auch Kohlenstoffgruppe genannt, stehen die Nichtmetalle Kohlenstoff (C), Silicium (Si) und die Metalle Zinn (Sn) und Blei (Pb). Germanium (Ge) zeigt eine deutliche Mittelstellung zwischen Metallen und Nichtmetallen. Silicium und Germanium besitzen Halbleitereigenschaften (1*). In keiner anderen Gruppe des Periodensystems sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Elementen einer Gruppe so groß wie hier. Das Anfangsglied (Kohlenstoff) hat in seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften nur noch geringe Ähnlichkeit mit dem Endglied der Gruppe (Blei). Alle Elemente besitzen in ihrer Außenschale 4 Elektronen (beim Kohlenstoff: 2s² 2p², bis 6s² 6p² beim Blei), das Kohlenstoff ist daher Vierbindig, es kann alle Oxidationszahlen von +4 bis -4 aufweisen.
Zu einem abgeschlossenen Energieniveau können die Elemente der 4. Hauptgruppe kommen indem sie 4 Elektronen abgeben. Dadurch fällt das höchste Energieniveau weg, und das nächst niedere, das (außer beim Kohlenstoff) mit s²p6 voll besetz ist, wird zum höchsten. Durch die Elektronenabgabe erhalten die Atome eine positive Ladung. Durch diese Abgabe von Elektronen können Zinn und Blei positive Ionen bilden, Kohlenstoff jedoch nicht. Die Beständigkeit der vierwertigen Stufe nimmt vom Kohlenstoff zum Blei, in der Oxidationsstufe zwei, ab. In der gleichen Richtung verringert sich die Tendenz zur Bildung von Ketten aus gleichen Atomen und die Stabilität der Wasserstoffverbindungen.
Die Elemente der 4. Hauptgruppe: Kohlenstoffgruppe
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1*) Halbleiter: Halbleitereigenschaften weisen feste Stoffe auf, die bei Erwärmung eine mit der Temperatur sich ändernde elektrische Leitfähigkeit zeigen.
3. Kohlenstoff
Die große Bedeutung dieses Elementes leitet sich jedoch Hauptsächlich davon ab, dass seine Verbindungen in allen lebenden Organismen anzutreffen sind. Leben, wie wir es kennen, basiert auf Kohlenstoffverbindungen. Vor ca. 150 Jahren waren die Naturwissenschaftler der Ansicht, dass diese Stoffe nur in lebenden Organismen synthetisiert werden können. Man bezeichnete sie deswegen als organische Verbindungen. Als Friedrich Wöhler im Jahr 1928 bewies, dass man organische Verbindungen auch im Labor herstellen kann, wurde der Name ,,organische Chemie" trotzdem beibehalten, doch man versteht jetzt darunter die Chemie der Kohlenwasserstoffe und der von ihnen Abgeleiteten Verbindungen, die man erhält wenn man die Wasserstoffatome durch die Atome von anderen Elementen ersetzt. Kohlenstoff ist das einzige Element, das sowohl bei der Aufnahme von 4 Elektronen, als auch bei der Abgabe von 4 Elektronen gleich leicht immer den, von allen Elementen erstrebenswerten Zustand der Elektronenschalen-Sättigung in Verbindung mit dem Edelgaszustand (He- oder Ne-Zustand) erreicht. Dadurch ist es auch in der Lage, sich praktisch in beliebiger Vielzahl mit sich selbst zu verbinden (Diamant, Graphit, Kunststoffe und z.B. die Kohlenwasserstoffe mit ihren Derivaten). Kohlenstoff kann sich in Ring-, Gerader- und verzweigter Kettenform mit sich selbst verbinden.
Kohlenstoff tritt in der Natur sowohl elementar als auch in Verbindungen auf. Vom elementaren Kohlenstoff sind seit längerem zwei Modifikationen bekannt, Diamant und Graphit. Kohlenstoff kommt auch mit anderen Elementen im gebundenem Zustand (in Carbonatgesteinen, in Pflanzen- und Tierwelt, sowie in der Luft und Wasser) vor, und ist wesentlicher Bestandteil aller lebenden Materie. Zwei weitere, allein aus Kohlenstoff aufgebaute, Verbindungen sind die Fullereme- und Cardonkohlenstoffe die als dritte Modifikation angesehen werden. Durch Zersetzung organischer Verbindungen im Vakuum oder bei unzureichender Luftzufuhr entsteht eine im Gegensatz zu den kristallinen Formen amorphe (1*) Modifikation des Kohlenstoffs, z.B. Koks, Ruß, Blut-, Tier-, Knochenkohle. Diese haben wegen ihrer großen Oberfläche ein starkes Adsorptionsvermögen (2*).
3.1.Der Diamant
ist ein spröder, farbloser Kristall mit hoher Brechzahl, der die größte Härte aller bekannten Stoffe aufweist. Geringe Verunreinigungen (vor allem durch Metalloxide) können Diamanten auch farbig aussehen lassen. Er weist eine sehr gute Wärmleitfähigkeit auf. Diamant ist gegen Säuren und Basen beständig. Er kann sich oberhalb von 1500°C unter Luftabschuss spontan in Graphit umwandeln. Die wichtigsten Diamantvorkommen befinden sich in Afrika und in Sibirien. Verwendung finden Diamanten, außer als Schmuckstein (z.B. Brillant) als Hartstoffe in der Industrie zum Bohren, Schneiden, Schleifen und Polieren. Zu diesem Zweck verwendet man synthetisch hergestellte Diamanten, die man bei hohem Druck und hoher Temperatur aus Graphit erzeugt. Aufgrund ihrer außerordentlicher Härte werden Diamanten auch in den Tonköpfen qualitativ hochwertiger Plattenspieler benutzt.
1*) amorph (griechisch): Gestaltlos. Zwischenstufe zwischen festem und flüssigem Aggregatzustand. Als amorph werden Stoffe bezeichnet, die zwar im allgemeinen als fest empfunden werden, deren Atome aber nicht in regelmäßigen Kristallgittern angeordnet sind, sondern eine sogenannte Nahordnung aufweisen.
2*) Adsorption (lateinisch), Anlagerung von Gasen, Dämpfen oder gelösten Stoffen an feste Körper. Je größer die Oberfläche des Körpers, um so größer die Adsorption. Hierauf beruht z.B. die Wirkung von Kohlenkompletten, die aus fein verteilter Kohle bestehen.
3.2. Graphit
wird in vielen Teilen der Welt abgebaut, doch man kann ihn auch synthetisch aus amorphem (sehe 1*) Kohlenstoff herstellen. Graphit ist ein weicher, kristalliner, leicht spaltbarer Feststoff, dessen Wärme- und elektrische Leitfähigkeit parallel zu den Schichten groß, oder senkrecht dazu aber wesentlich kleiner, ist. Graphit ist beständig gegen die meisten Chemikalien, er verbrennt in reinem Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Natürlicher und synthetischer Graphit finden eine vielfältige Verwendung, z.B. als Elektroden für Elektroöfen, Elektrolysezellen und Schmelztiegel, sowie auch als Stromabnehmer an Elektromotoren und Generatoren, oder auch in kolloider Form in Schmiermitteln. Bleistiftminen (4*) werden durch Brennen eines Gemenges aus Graphit und Ton gewonnen.
3.3. Ruß
ist ein feinverteilter Kohlenstoff, der zusätzlich noch Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel gebunden enthält. Man verwendet ihn als Pigment in schwarzer Tinte. Größter Rußverbraucher ist die Gummi- und Kautschukindustrie (z.B. Autoreifenherstellung). Weitere Einsatzgebiete finden sich in der Kunststoffindustrie, Faserindustrie, Papierindustrie, Baustoffindustrie, Elektroindustrie, Lack- und Farbindustrie, und die Feuerfestindustrie, sowie in der Herstellung von Hartstoffen.
3.4. Holzkohle
entsteht, wenn man Holz unter Luftabschluss stark erhitzt. Sie weist im Gegensatz zum Steinkohlen- oder Braunkohlenkoks kaum Verunreinigungen auf und wird daher in der Metallurgie als Reduktionsmittel eingesetzt, wenn Verunreinigungen unbedingt vermieden werden müssen.
3.5. Aktivkohle
entsteht aus Holzkohle, da die Holzkohle eine sehr offene Struktur besitzt und deswegen eine große Oberfläche aufweist. Die Oberfläche wird zu Aktivkohle aufgearbeitet, indem man sie pulversiert und mit heißem Wasserdampf reinigt. Aktivkohle wird verwendet um Substanzen zu absorbieren. So benutzt man sie z.B. in Luftfiltern zur Beseitigung unangenehmer Gerüche oder zur Reinigung des Wassers von farbigen oder schlecht schmeckenden Stoffen. Auch die Wirkung von Gasmaskenfiltern beruht z.T. auf Aktivkohle. Eine besondere Art von Aktivkohle ist die Tierkohle. Sie dient in der Medizin zum Entgiften des Magen-Darm-Kanals. Tierkohle entsteht, indem Blut oder Knochen unter Luftabschluss stark erhitzt werden.
3.6. Koks
entsteht durch Entgasung (Trockendestillation, erhitzen unter Luftabschluss) von Steinkohle und Braunkohle. Koks besteht hauptsächlich aus miteinander verfilzten, sehr kleinen Graphitkristallen, enthält aber stets Verunreinigungen. Es wird in der Metallurgie in großen Mengen als Reduktionsmittel verwendet und ist Ausgangsstoff für die Gewinnung von Calciumcarbid und Kohlenstoffmonoxid, die ihrerseits vielen großtechnischen chemischen Prozessen zugrunde liegen.
Allein unter natürlichen/reinen Kohlenstoffverbindungen findet man eine unersetzbare Vielfältigkeit und Verwendbarkeit des Stoffes, die notwendig in unserem modernen Industrieleben ist.
3*)Kolloide (griechisch): Stoffe, die sich wegen der Größe ihrer Teilchen nicht echt, d.h. unter Bildung völlig klarer Lösungen, lösen, sondern solche Lösungen (kolloide Lösungen) bilden, die den Tyndall-Effekt (von John Tyndall (Physiker) im Jahr 1869 gefundene Erscheinung, bei der Zerstreuung von Licht durch kleinste (kolloidale) Teilchen hervorgerufen wird. Blaues Licht wird stets stärker gestreut als rotes. Darauf beruht die blaue Himmelsfarbe.) zeigen. Wegen ihrer gleichnamigen elektrischen Ladung flocken die Teilchen trotz ihrer Größe nicht aus.
4*) Bleistiftmine: die Bezeichnung Bleistift hat sich eingebürgert, weil man früher mit Stiften schrieb, die aus Blei und Zink gegossen waren. Sie besitzen, wie Graphit, die Eigenschaft, grau anzufärben.
4. Kohlenstoffoxide
Kohlenstoff ist in der Lage drei Oxide zu bilden: Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenstoffsuboxid (C3O2).
4.1. Kohlenmonoxid
entsteht, wenn man Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoffe unter begrenzter Sauerstoffzufuhr verbrennt: 2C + O2 2CO
Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenmonoxid ist giftig, weil es das Hämoglobin im Blut blockiert und somit den Sauerstofftransport behindert. Diese Reaktion (Blockierung von Hämoglobin) ist reversibel (1*), ausreichende Frischluftzufuhr kann bei CO-Vergiftungen helfen. Stärke Kohlenmonoxid-Vergiftungen führen sogar zum Tod durch Erstickung, während sich schwache Vergiftungen durch Kopfschmerzen und Benommenheit bemerkbar machen.
Das Interesse an Kohlenmonoxid, als Ausgangsstoff für organische Synthesen begann im Dritten Reich mit Autarkiebestrebungen Hitlers. Mit der Fischer-Tropsch-Synthese (2*) wurde ein Verfahren zur Herstellung von Benzin aus Kohle und Wasser entwickelt. Dabei wurde Kohlenmonoxid katalytisch mit H2 zu Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid umgesetzt:
2CO + H2 -(CH2)- + CO2
Ein Nachteil bei dieser Synthese ist, dass ein Gemisch aus ganz unterschiedlichen Kohlenwasserstoffe entsteht. Ein großer Teil der heutigen Forschung konzentriert sich darauf, Katalysatoren zu finden, die die Selektivität der Reaktion erhöhen und somit zu einer geringeren Produktivvielfalt führen.
4.2. Kohlendioxid
(CO2) entsteht bei der Verbrennung von Kohlenstoff und kohlenstoffhaltigen Verbindungen ( aus allen Brennstoffen außer Wasserstoff, sofern die Luftzufuhr ausreichend und die Temperatur nicht zu hoch ist).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Kohlenstoffdioxid kann auch aus Minerallwasserquellen, Erdgasen und Fermentationsgasen gewonnen werden.
Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses, stabiles, nicht brennbares Gas, das leicht säuerlich schmeckt und schwerer als Luft ist. Es absorbiert infrarote Strahlung und ist als Bestandteil der Atmosphäre für den Wärmehaushalt der Erde von Bedeutung (CO2 vermindert die Abstrahlung von Wärme in den Weltraum).
1*) reversibel (lateinisch), umkehrbar, Umkehrung von physikalischen und chemischen Vorgängen.
2*) Fischer-Tropsch-Verfahren: Im Jahr 1925 von Franz Fisch (Chemiker) und Hans Tropsch (Chemiker) erfundenes Verfahren zur synthetischen Gewinnung von aliphatischen Kohlenwasserstoffen ( aliphatische Verbindungen sind organische Verbindungen mit in geraden oder verzweigten offenen Ketten angeordneten Kohlenstoffatomen). Hierbei wird ein aus Koks und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch, unter dem Einfluss von Katalysatoren, bei schwach erhöhtem Druck und etwa 200°C in flüssige Kohlenwasserstoffe übergeführt. Das Verfahren wird zur Zeit in Südafrika für Motorenbenzin angewandt.
Kohlenstoffdioxid ist ungiftig, aber erhöhte CO2 -Konzentrationen beschleunigen die Atemgeschwindigkeit. Übersteigt die Volumenanteil des Kohlendioxids in der Atemluft 10%, so geht die erregende Wirkung in eine lähmende über und kann schließlich zum Tod führen. Kohlenstoffdioxid wird zur Erzeugung von Kohlenstoffdioxidschnee als Trockeneis für Kühlzwecke und als Feuerlöschmittel verwendet. Kohlenstoffdioxid hemmt die Entwicklung von Mikroorganismen, dadurch eignet sich dieses Trockeneis besonderes zum Frischhalten von Lebensmitteln. Die Löschwirkung beruht in erster Linie auf der Verdrängung des Sauerstoffs vom Brandherd, in zweiter Linie auf dem Wärmeentzug.
Kohlenstoffdioxidlöscher (Kohlenstoffsäureschneelöscher) stellt folgenden Vorteile dar: Einsatz in elektrischen Anlagen möglich (Kohlenstoffdioxid leitet den elektrischen Strom nicht); CO2 sublimiert (3*) ohne Rückstände; in Gegensatz zu den Nasslöschern sind sie durch ein Ventil abstellbar. Bei den Nassfeuerlöschern (eignen sich besonderes zum Löschen der Brände mit Holz, Kohle oder Textilien) befindet sich komprimiertes Kohlenstoffdioxid in einer Stahlpatrone. Es wird durch Einschlagen eines Bolzens frei und drückt die Löschflüssigkeit aus dem Löscher heraus.
Kohlenstoffdioxid spielt im Stoffwechsel lebender Organismen eine wichtige Rolle. Bei der Atmung nehmen Mensch, Tier und Pflanzen aus der Luft Sauerstoff auf und oxidieren damit organische Stoffe ihres Körpers zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die freibleibende Energie wird benötigt um Lebensprozesse aufrechtzuerhalten, außerdem setzen die Pflanzen mit Hilfe des Chlorophylls Kohlenstoffdioxid und Wasser zu organischen Stoffen um, wobei Sauerstoff frei wird.
Außerdem wird CO2 bei der Harnstoffherstellung, bei verschiedenen Synthesen in der organische Chemie, Herstellung verschiedene Carbonate, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, als Treibgas oder Schutzgas verwendet. Kohlenstoffdioxid wir auch zur Extraktion (4*) von Naturstoffen eingesetzt.
4.3. Kohlenstoffsuboxide
(C3O2 und C5O2) sind binäre (d.h. zweigliedrig, aus zwei Bestandteilen bestehend) Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs. Die besitzen aber nur sehr geringe Bedeutung.
3*) Sublimation - Übergang eines Stoffes aus dem festen in den gasförmigen Aggregatzustand, ohne dass die Substanz flüssig wird.
4*) Extraktion - Grundoperation zur Phasentrennung von Feststoff- und Flüssigkeitsgemischen. Es gibt Flüssig-Flüssig-Extraktion und Fest-Flüssif-Extration.
5. Die Kohlenwasserstoffe
Die Kohlenwasserstoffe sind die wichtigsten Verbindungen in der organische Chemie.
Kohlenstoff und Wasserstoff sind Bestandteile alle Kohlenwasserstoffe. Bei einer geringen Variation in der Zusammensetzung könnte man vielleicht erwarten, dass die chemische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe nicht sehr voneinander unterscheiden. Dies ist erstaunlicherweise ein Irrtum. Das Grundgerüst der Kohlenwasserstoffe, und auch der meisten anderen organischen Verbindungen, bilden stabile Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.
Kohlenstoff ist das einzige Element, das in der Lage ist, unbegrenzte Ketten von Atomen durch Einfach-, Zweifach- oder Dreifachbindungen mit sich selbst aufzubauen, die anderen Elemente sind überhaupt nicht, oder nur in sehr geringem Maße, dazu in der Lage. Die Kohlenwasserstoffe lassen sich in vier Gruppen unterteilen, in die Alkane, das sind Paraffine oder Grenzkohlenwasserstoffe, die Alkene (Olefine), die Alkine und die aromatische Kohlenwasserstoffe. Alle diese Stoffe bilden eine homologe Reihe.
5.1. Die Alkane
sind aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, die entweder an Wasserstoffatome oder an andere Kohlenstoffatome über vier Einfachbindungen gebunden sind. Kettenförmige Alkane haben die Summenformel CnH2n+2 , zyklische Alkane ohne Seitenketten besitzen die Formel CnH2n. Alkane sind brennbar, diese Eigenschaft wird vorwiegend in Verbrennungsmotoren zur Energieerzeugung genutzt. Geradkettige Alkane neigen zur vorzeitigen Einzündung des Benzin-Luft-Gemisches bei der Kompression (Volumenverminderung eines Gases durch Druckerhöhung). Um die Wichtigkeit der Alkanen zu deuten, nehme ich Methan, als ein Vertreter der homologe Reihe der Alkanen. Methan ein farbloses, brennbares Gas. Es bildet mit Luft explosive Gemische. Methan ist ein wichtiger Bestandteil des Erdgases, des Leucht- und Kokereigases, von Abgasen der Benzinsynthese, Erdölraffinerien und des Faulschlamms von Abwasserkläranlagen. Methan wird nach Reinigung als Heizgas, Treibgas, Schweißgas sowie in der chemischen Industrie vielseitig verwendet.
5.2. Die Alkene
(Olefine)unterscheiden sich von den Alkanen dadurch, dass im Molekühl mindestens eine C-C-Doppelbindung enthalten ist. Daher hat ein Alkenmolekül pro Doppelbindung zwei H-Atome weniger als das entsprechende Alkanmolekül. Man bezeichnet solche Moleküle als ungesättigt. Ein für die Technik sehr wichtiges Alken ist Ethen. Er dient als Ausgangsstoff für den Kunststoff Polyethylen oder Polyethen, der durch Polymerisation von Ethylmolekühlen synthetisiert wird. Trichlorethen (Trichlorethylen), ist ein wichtiges Lösungs- und Reinigungsmittel, das unbrennbar ist. Es dient zum Entfetten von Metallteilen vor der Oberflächenveredlung, sowie zum Lösen von Fetten, Ölen und Harzen. Chlorethen (Vinylchlorid), wird großtechnisch durch Additionsreaktion aus Chlorwasserstoff und Ethin gewonnen. Es wird in großen Mengen durch Polymerisation zum Polyvinylchlorid umgesetzt. Vinylchlorid und die meisten anderen Halogenkohlenwasserstoffe sind mehr oder weniger gesundheitsschädlich.
Olefine sind Kohlenwasserstoffe oder deren Abkömmlinge, die im gesättigtem Zustand feste Stoffe sind, sie haben im ungesättigten Zustand einen niedrigen Schmelzpunkt. Durch Aufbrechen der Doppelbindungen z.B. in Speiseölen werden dann aus derartigen Ölen vollkommen gesättigte feste Speisefette. Dieses Verfahren wird bei der Fetthärtung angewandt.
5.3. Alkine
Sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung im Molekül. Die größte technische Bedeutung hat das Gas Ethin. Reines Ethin ist ein farbloses, brennbares Gas. Dieses Gas wird im Ethin-Sauerstoff-Gebläser zu Schweiß- oder Brennarbeiten verwendet. An Ethin lassen sich z.B. Wasserstoff, Halogene, Alkohole, Wasser anlagern. Ethin ist deshalb eine ideale Ausgangssubstanz für viele Synthesen.
5.4. Aromatische Kohlenwasserstoffe
werden jene bezeichnet, die benzolartige Strukturen enthalten. Aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen zeichnen sich durch sehr große Beständigkeit aus. Der Name ,,aromatische Kohlenwasserstoffe" oder ,,Aromaten" bezieht sich auf den aromatischen Geruch all dieser Verbindungen. Viele dieser Verbindungen sind krebserregend, wie z.B. Benzopyren (das u.a. in KfZ-Abgasen und Tabakrauch enthalten ist) und die polyzyklische aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK). Die aromatischen Kohlenwasserstoffe Toluel (1*) und Xylen (2*) werden vielfach in Lösungsmitteln (3*) eingesetzt (vor allem in Klebstoffen (4*), Verdünnern, etc.).
1*) Toluen (Methylbenzen) farblose, benzinähnlich riechende Flüssigkeit mit hoher Lichtbrechung, die kaum in Wasser, aber sehr gut in vielen organischen Lösungsmitteln löslich ist. Toluen wird als Lösungsmittel besonderes für Lacke, Farben und Chlorkautschuk verwendet.
2*) Dimethylbenzene (Xylene) farblose Flüssigkeiten mit aromatischem Geruch, die als Lösungsmittel verwendet werden.
3*) Organische Lösungsmittel sind flüssige Kohlenwasserstoffverbindungen, die andere Stoffe lösen können, ohne sie chemisch zu verändern. Oft stellen sie nur eine Art Hilfsstoff für Verarbeitung und Gebrauch dar, der nach erfolgten Anwendung verdampft. Organische Lösungsmittel sind in Klebstoffen, Lacken und Farben sowie in Verdünnern, Korrekturlacken und -verdünnern, Filz- und Folienstiften, Textmarkern, Reinigungs-, Fleckputz-, und Entfettungsmittel enthalten. Organische Lösungsmittel sind in unterschiedlichem Maße wassergefährdend, zum Teil durch starke Giftwirkung auf Fische und andere Wasserorganismen. Beim Kauf von Farben, Lacken, Büroartikeln oder ähnlichem kann man inzwischen oft auf lösungsmittelfreie oder zumindest lösungsmittelarme Alternativprodukte zurückgreifen.
4*) Klebstoffen sind Stoffe oder Stoffgemische zum Verbinden von Gegenständen. Eine Vielzahl verschiedener Klebstoffe wird im Haushalt und im Hobby- und Heimwerkerbereich eingesetzt. Die Produktpalette reicht von Leimen und Allesklebern über Glas-, Metall- und Porzellanklebern bis hin zu speziellen Sekunden- und Kontaktklebern sowie sogenannten Superklebern. Klebstoffe können aufgrund ihres Lösemittelgehaltes leicht entzündlich sein. Viele der eingesetzten Lösungsmittel sind gesundheitsschädlich.
6. Kohlenhydrate
Kohlenhydrate zählen zu den Naturstoffen und spielen in pflanzlichen und tierischen Organismen eine lebenswichtige Rolle. Der Name Kohlenhydrate leitet sich von der empirischen Formel Cx(H2O)y der meisten Substanzen dieser Klasse ab (z.B. Glucose besitzt die Summenformel C6H12O6 ). Die Kohlenhydrate sind allerdings keine Hydrate des Kohlenstoffs, sondern Polyhydroxyaldehyde und -ketone. Kohlenhydrate enthalten nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Kohlenhydrate sind Oxydationsprodukte mehrwertiger Alkohole. Nach ihrem Verhalten gegenüber Säuren unterteilt man sie in drei Hauptgruppen:
1. Monosaccaride (Einfachzucker), sie sind nicht durch Säuren zerlegbar. Zu ihnen gehören die Pentosen und Hexosen, wie Glucose und Fructose.
2. Oligosaccaride (Mehrfachzucker), sie sind aus 2 bis 6 Monosaccariden zusammengesetzt, die unter Wasseraustritt miteinander verknüpft werden, sie zerfallen durch Hydrolyse.
3. Polysaccaride (Vielfachzucker), sie sind aus vielen Monosaccharidmolekülen zu hochmolekularen Verbindungen aufgebaut. Wichtige Naturstoffe wie Stärke, Cellulose und Glycogen (1*) zählen zu ihnen.
Die Endung -ose trift bei allen Kohlenhydraten zu. Die Monosaccaride enthalten neben Hydroxygruppen (2*) noch jeweils eine Aldehydgruppe oder Ketogruppe. Danach kann man Aldosen und Ketosen unterscheiden, nach der Anzahl der Kohlenstoffatome Pentosen, Hexosen usw.
Aus Stärke und Cellulose lässt sich durch Hydrolyse (Wassereinbau) wieder Glucose (Traubenzucker) zurückgewinnen. Diese hydrolytische Rückgewinnung von Glucose wird großtechnisch bei der Herstellung von Stärke und Cellulose (Holzverzuckerungsverfahren) genutzt. Der heute noch großtechnisch gewonnene Stärkezucker wird aus Kartoffel-, Mais- oder Milostärke hergestellt und findet reiche Verwendung bei der Herstellung von Kunsthonig, Zuckerwaren, Bonbonsirup, Likör, Marmelade und Konditoreiwaren.
1*) Glycogen: tierisches Polysaccarid, welches als Reservestoff dient und besonderes in der Leber gespeichert wird.
2*) Hydroxygruppen: Gruppen, die an einem Kohlenwasserstoffrest eine Hydroxylgruppe tragen.
7. Öle und Fette
Jeder Organismus (ob pflanzlich oder tierisch) muss Energie in chemischer Form speichern können, die dann bei Bedarf zur Verfügung steht. In den Samen der Pflanzen wird die gespeicherte Energie gebraucht, um nach dem Keimen ein gutes Wachstum zu ermöglichen. Tiere, die Winterschlaf halten, benötigen für diese Zeit ein großes Energiedepot. Energie wird hauptsächlich in Form von Fetten gespeichert. Öle kommen in Nüssen und Samen als Energiereserve vor. Fette und Öle sind Ester aus höheren Fettsäuren und Glyzerol.
7.1 Tierische Fette
bestehen hauptsächlich aus Glyceriden, mit den Fettsäuren Stearin-, Palmitin- und Ölsäure. Je höher der Anteil an Ölsäure ist, um so leichter schmilzt das Fett. Leicht schmelzende tierische Fette sind Schweineschmalz, Walöl und Gänseschmalz, während Rinder- und Hammeltalg schwerer schmelzen. Tierische Fette werden durch Ausschmelzen oder Extraktion aus dem Fettgewebe gewonnen.
7.2 Pflanzliche Fette
, wie Leinöl, Rizinusöl, Olivenöl und Kokosöl, bestehen hauptsächlich aus Glycerinestern mehrfach ungesättigter Fettsäuren. Pflanzliche Fette gewinnt man durch Auspressen unter hohem Druck oder durch Extraktion (1*). Den Rückstand bezeichnet man als Ölkuchen.
Fette kommen bei Menschen und Tieren meist im Fettgewebe (Speck) vor, bei Pflanzen oft in Früchten und Samen. Sie können sowohl flüssige (fette Öle) als auch halbfeste und feste Konsistenz haben, sie sind im Wasser unlöslich, aber leicht löslich in Ether, Benzin, Schwefelkohlenstoff, Tetrachlorkohlenstoff. Sie entstehen im tierischen und pflanzlichen Organismus durch Umwandlung von Kohlenhydraten. Reine Fette sind farb-, geruch- und geschmacklos, bei längerer Aufbewahrung an der Luft erleiden sie jedoch chemische Veränderungen und werden ranzig.
Flüssige Fette (fette Öle), die im Gegensatz zu den ätherischen Ölen auf Papier einen bleibenden Fettfleck hinterlassen, bestehen zum größten Teil aus Ölsäureestern des Glycerins, einige von ihnen, die trocknenden Öle (z. B. Leinöl) finden als Firnisse ausgedehnte Verwendung. Die Einwirkung von Alkalilaugen auf Fette führt zur Verseifung. Wir unterscheiden: Nichttrocknende Öle, z.B. Palmöl, Kokosfett und Olivenöl, halbtrocknende Öle wie Rüböl, Sojaöl und Baumwollsaatöl und trocknende Öle wie Leinöl,
Sonnenblumenöl und Nußöl. Tieröle, z. B. Tranöle, Klauen- und Knochenöl, und Tierfette, z.
B. Butterfett (Milch), Schweine- und Gänseschmalz sowie Hammel- und Rindertalg.
Fette sind wirtschaftlich wichtig für die menschliche Ernährung (Butter, Margarine, Speiseöle), in der Technik als Hilfsstoff (Schmierung, Energieträger) und als Rohstoff für die Fettindustrie (Fettsäure, Seifen, Glycerin und Stearin: Kerzen, kosmetische Präparate, Farbe). Trocknende Öle werden in der Lack- und Linoleumindustrie sowie in der Textilindustrie verwendet.
1*) Extraktion: Grundoperation zur Phasentrennung von Feststoff- und Flüssigkeitsgemischen.
8. Erdöl und Erdgas
Erdöl besteht aus einem Gemisch verschiedenartigsten Kohlenwasserstoffe. Erdöl hat verschiedene Erscheinungsmerkmale. Durch unterschiedliche Einflüsse während der Bildung in den einzelnen Entstehungsgebieten kann sich eine Vielzahl von Rohöl verschiedener Zusammensetzung bilden: es kann flüssig oder fest sein, schwefelhaltig sein oder nicht und Farben von strohgelb bis schwarz aufweisen. Erdöl wird verwendet für z.B.: Benzin, Heizöl, Kunststoffe, Farbstoffe.
Erdgas ist ein Gemisch von leicht entzündlichen Kohlenwasserstoffen, welches vorwiegend aus Methan aber auch aus geringen Mengen Ethan, Propan und Butan besteht. Es findet Verwendung in der Petrochemie und ist ein wichtiger Energielieferant.
Schlusswort
Ich hoffe ich konnte Ihnen einen kleinen Einblick in die Welt der Kohlenstoffverbindungen geben. Das ich einige Themen nicht angesprochen habe ist damit zu erklären das dieses Gebiet doch relativ großist. Ich hoffe es ist mir gelungen Ihnen zu zeigen und Sie zu überzeugen, dass die Kohlenstoffverbindungen nicht nur eine umfangreiche chemische Gruppe darstellen, sondern auch eine große Bedeutung für das Leben auf der Erde haben.
Literaturverzeichnis
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Zitat:
1/ Kohaupt, Burchard: Praxiswissen Chemie. Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1996, S. 83
- Quote paper
- Irene Gies (Author), 2000, Kohlenstoffverbindungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/97745
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