Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffe

Kohlenstoff ist eine Element, das du überall in deinem Alltag leicht finden kann. Wenn du zum Beispiel einen Bleistift verwendet hast, hast du Kohlenstoff in seiner Graphit-Form gesehen. Auch die Holzkohlebriketts auf deinem Grill bestehen aus Kohlenstoff, ebenso wie die Diamanten in einem Ring oder einer Halskette (in diesem Fall Kohlenstoff, der hohen Temperaturen und einem hohen Druck ausgesetzt war). Was du vielleicht nicht sofort erkennst: Etwa 18% der Masse deines Körpers besteht auch aus Kohlenstoff. Tatsächlich bilden Kohlenstoffatome die Hauptkette (Backbone) vieler wichtiger Moleküle in deinem Körper, einschließlich Proteinen, DNA, RNA, Zucker und Fetten.

Diese komplexen biologischen Moleküle werden oft als Makromoleküle bezeichnet; sie werden auch als organische Moleküle eingeteilt, was einfach bedeutet, dass sie Kohlenstoffatome enthalten. (Wichtig ist, dass es ein paar Ausnahmen von dieser Regel gibt. Kohlendioxid und Kohlenmonoixd enthalten zum Beispiel Kohlenstoff, aber werden in der Regel nicht als organisch betrachtet.)

Warum ist Kohlenstoff so beliebt für die Herstellung von molekularen Hauptketten? Warum nutzen wir stattdessen nicht zum Beispiel Sauerstoff? Zum einen sind Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen ungewöhnlich stark, sodass Kohlenstoff eine stabile, robuste Hauptkette für große Moleküle bilden kann. Vielleicht noch wichtiger ist jedoch die Fähigkeit von Kohlenstoff für kovalente Bindungen. Weil ein C-Atom kovalente Bindungen zu bis zu vier anderen Atomen bilden kann, ist es gut geeignet, um das Grundgerüst oder die Hauptkette eines Makromoleküls zu bilden.

Als eine Analogie kannst du dir vorstellen, dass du mit dem Tinker Toy® Konstruktionsset spielst und du Verbindungsräder mit entweder zwei oder vier Löchern hast. Wenn du ein Verbindungsrad mit vier Löchern wählst, kannst du mehr Verbindungen verwenden und leichter eine komplexere Struktur bauen, als wenn du das Rad mit den zwei Löchern wählen würdest. Ein Kohlenstoffatom kann sich an vier andere Atome binden, wie das Vier-Loch-Rad, während ein Sauerstoffatom nur an zwei Atomen binden kann, wie das Zwei-Loch-Rad.

Die Fähigkeit von Kohlenstoff, Bindungen zu vier anderen Atomen zu bilden, geht zurück auf die Anzahl und Konfiguration seiner Elektronen. Kohlenstoff hat die Ordnungszahl von sechs (besitzt also sechs Protonen und sechs Elektronen in seiner neutralen Form). Die ersten beiden Elektronen füllen die innere Schale und die verbleibenden vier befinden sich in der zweiten Schale, welche die Valenzschale (die äußerste) Schale ist. Um eine Stabilität zu erreichen, muss Kohlenstoff vier weitere Elektronen finden, um die äußerste Schale zu füllen, sodass sie insgesamt acht Elektronen enthält und die Oktettregel erfüllt. Kohlenstoffatome bilden also Bindungen zu bis zu vier anderen Atomen. In Methan (CH${}_4$‍) bildet der Kohlenstoff zum Beispiel vier kovalente Bindungen mit vier Wasserstoffatomen. Jede Bindung korrespondiert mit einem geteilten Elektronenpaar (eins vom Kohlenstoff und eins vom Wasserstoff), sodass der Kohlenstoff acht Elektronen für eine gefüllte äußerste Schale erhält.

Kohlenwasserstoffe sind organische Moleküle, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Wir verwenden Kohlenwasserstoffe häufig in unserem Alltag: Zum Beispiel Propan in einem Gasgrill oder Butan in einem Feuerzeug sind Kohlenwasserstoffe. Sie sind gute Brennstoffe, weil ihre kovalenten Bindungen eine große Menge an Energie speichern, die beim Verbrennen (d.h. wenn sie unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser mit Sauerstoff reagieren) freigesetzt wird.

Methan (CH${}_4$‍), das einfachste Kohlenwasserstoff-Molekül, besteht aus einem zentralen Kohlenstoffatom, an das vier Wasserstoffatome gebunden sind. Der Kohlenstoff und die vier Wasserstoffatome bilden die Eckpunkte einer dreidimensionalen Form, eines Tetraeders, der vier dreieckige Flächen besitzt; deshalb gilt Methan als ein tetraedisches Molekül. Allgemein gesagt: Wenn ein Kohlenstoffatom an vier andere Atome gebunden ist, nimmt das Molekül (oder ein Teil von einem Molekül) eine tetraedische Form ähnlich zu Methan ein. Dies passiert, weil die Elektronenpaare, aus denen die Bindungen bestehen, sich gegenseitig abstoßen. In einem Tetraeder haben sie den größtmöglichen Abstand zueinander.

Bei den meisten Makromolekülen handelt es sich nicht um Kohlenwasserstoffe, weil sie neben Kohlenstoff und Wasserstoff noch weitere Atome wie Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor enthalten. Kohlenstoffketten mit gebundenen Wasserstoffatomen bilden jedoch die Grundstruktur der meisten Makromoleküle (auch wenn andere Atome dazwischen gestreut sind). Das Verständnis der Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen ist also wichtig, um die Eigenschaften von Makromolekülen zu verstehen.