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Steinkohle

Steinkohle

Kohle ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes, festes Sedimentgestein, das durch Carbonisierung von Pflanzenresten (Inkohlung) entstand und zu mehr als 50 Prozent des Gewichtes und mehr als 70 Prozent des Volumens aus Kohlenstoff besteht. Es wird auch "Schwarzes Gold" genannt. Kohle ist ein Energieträger und wird vom Menschen als fossiler Brennstoff verwendet.

Entstehung

Das Ausgangsmaterial von Kohle ist hauptsächlich pflanzlichen Ursprungs wie beispielsweise Farnen (Baumfarne). Beim Absterben versanken diese Pflanzen im Sumpf. Unter diesen Bedingungen kommt kein Sauerstoff an die Pflanzen und es kann keine Zersetzung durch aerobe Bakterien stattfinden. Es entstand Torf. Bei Meereseinbrüchen wurden diese Sümpfe mit Sedimenten bedeckt. Unter dem wachsenden Druck und erhöhter Temperatur begann der Prozess der Inkohlung. Der Druck presste das Wasser aus dem Torf und es entstand zuerst Braunkohle (der geringe Druck presste nur wenig Wasser aus der Kohle), mit mehr Überlagerungen steigerte sich jedoch der Druck, immer mehr Wasser wurde aus der Kohle heraus gepresst und nach und nach wurde aus der Braunkohle Steinkohle und mit nochmals mehr Druck Anthrazit. Die Qualität der Kohle tief unter der Erde ist besser, weil hier, bedingt durch den hohen Druck der Überlagerungen, der Wassergehalt niedriger ist als an der Oberfläche. Insbesondere während des Karbons (vor etwa 280 bis 345 Millionen Jahren) entstanden mächtige Kohlelagerstätten, die heute zu den weltweit wichtigsten Energielieferanten zählen.

Verwendungszweck

Kohle wird überwiegend als fester Brennstoff benutzt, um Wärme durch Verbrennung zu erzeugen. Dabei entstehen Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Gase wie Schwefeldioxid. Um elektrische Energie zu erzeugen, wird mittels der Wärme Wasserdampf erzeugt, der wiederum Turbinen antreibt. Um zu vergleichen, welche Energiemenge mit welcher Kohle gewonnen werden kann, bedient man sich meist der Steinkohleeinheit. Ungefähr 50% des derzeitigen Strombedarfes in Deutschland wird durch Kohle gedeckt, Steinkohle und Braunkohle sind dabei in etwa gleich stark vertreten. Die derzeit bekannten Lagerstätten, die mit der heutigen Technologie erschlossen werden können, reichen für mindestens 300 Jahre. Moderne Kohlekraftwerke setzen eine Vielzahl von Techniken ein, um die Schädlichkeit der Abfallprodukte zu beschränken und gleichzeitig die Effizienz des Verbrennungsprozesses zu steigern. In einigen Ländern sind diese Techniken allerdings nicht weit verbreitet, zumal sie die Investitionskosten des Kraftwerks erhöhen. Ein nicht unbeträchtlicher Teil der Kohle wird nach ihrer Verkokung (siehe auch Koks) zur Reduktion von Erzen, hauptsächlich Eisenerz, in Hochöfen verwendet. Ab dem 19. Jahrhundert fand die Kohle auch Verwendung zur Herstellung von Stadtgas, welches für die Straßenbeleuchtung und das Kochen sowie Heizen verwendet wurde. In Gaswerken gewann man das Stadtgas durch die Trockendestillation aus der Kohle - ein Nebenprodukt war der Koks. Im 20. Jahrhundert wurde das Stadtgas weitgehend durch das Erdgas ersetzt. Im 18. Jahrhundert wurde Braunkohle unter dem Namen Umber oder Cöllnische Erde als Farbpigment verwendet.

Umweltproblematik

Umber Bei der Verfeuerung von Kohle entsteht sehr viel klimaschädliches CO₂. Insbesondere Braunkohlekraftwerke mit ihrem vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad stoßen sehr viel davon aus. Die CO₂-Freisetzung ist prinzipbedingt und kann nicht verhindert werden, sondern nur durch einen besseren Wirkungsgrad der Kraftwerke und dadurch geringeren Kohleverbrauch in Maßen reduziert werden. Das Schwefeldioxid, das vor allem bei der Verbrennung von Braunkohle entsteht, ist mitverantwortlich für den Sauren Regen. Bei modernen Stein- und Braunkohlenkraftwerken werden die Abgase in Rauchgasentschwefelungsanlagen (siehe auch REA, REA-Gips) von Schwefeldioxid, durch katalytische (SCR) oder nichtkatalytische (SNCR) Entstickung von Stickoxiden und in elektrischen Abscheidern von Staub gereinigt. Bei der Gewinnung von Braunkohle im Tagebau können ähnlich wie bei weiten, trockenen Äckern in der Landwirtschaft große Staubmengen entstehen. Daher ist der Einsatz von effizienter Staubbekämpfungstechnik unerlässlich. Außerdem gibt es einen immensen Flächenverbrauch. Um Lagerstätten möglichst vollständig hereingewinnen zu können, werden bisweilen sogar ganze Dörfer verlegt. Ein weiterer Aspekt ist die Absenkung des Grundwasserspiegels auf ein Niveau unterhalb der tiefsten Fördersohle im Braunkohlentagebau. Dies geschieht mit Tauchpumpen in extra dafür geschaffenen Brunnen. Eine Absenkung des Grundwasserspiegels kann negative Auswirkungen auf die Flora haben, da obere Bodenschichten trockenfallen können. Auch führt die Absenkung zu einem Trockenfallen nahegelegener Brunnen, die ihr Wasser aus dem betroffenen Grundwasserleiter beziehen.

Unterteilungen

Grundwasserleiter

Braunkohle

Braunkohle ist die minderwertige Kohle und wird fast ausschließlich als Brennstoff für die Stromerzeugung genutzt. Sie ist bräunlich-schwarz und hat einen hohen Feuchtigkeitsanteil, teilweise bis zu 50 Prozent. Ihr Kohlenstoffgehalt liegt bei 65-70 % in der wasserfreien Kohle. Der Schwefelgehalt beträgt bis zu 3%. Sie wird vor allem im Tagebau abgebaut.
- Abbaustätten In Deutschland gibt es drei große Braunkohle-Reviere, die Niederrheinische Bucht, das Mitteldeutsche (siehe auch: Mitteldeutsche Straße der Braunkohle) und das Lausitzer Revier Bitterfeld Revier/Mitteldeutscher Revier((Halle-Leipzig-Bitterfeld)) Entstehungszeit der Braunkohle ist das Tertiär. Wie bei der Steinkohle spielt auch hier das Holz abgestorbener Bäume eine Rolle, welches unter Druck und Luftabschluss den Prozess der Inkohlung durchlief. Jedoch ist Braunkohle in einem jüngeren Erdzeitalter entstanden, deswegen unterscheidet sie sich qualitativ von der Steinkohle zum Beispiel durch einen höheren Schwefelgehalt und einer groben, lockeren und porösen Grundmasse, in der auch große Einschlüsse (mitunter ganze Baumstämme) zu finden sind. Bei der Braunkohle unterscheidet man die Glanzbraunkohle, Mattbraunkohle und die Weichbraunkohle. Die Sorten mit einem hohen Anteil flüchtiger Bestandteile lassen sich in einer Kokerei zu Koks verarbeiten. Je nach Stärke des Verfahrens erhält man Schwel- oder Grudekoks Huflattich ist laut des Heilpflanzenbuches von Gerhard Madaus von 1938 die einzige Pflanze, die problemlos auf reiner Braunkohle gedeihen kann. Bei der Braunkohlenverfeuerung fällt als Nebenprodukt Braunkohlenflugasche an. Siehe auch: Liste deutscher Tagebaue für eine Auflistung der deutschen Gebiete, in denen Braunkohle gefördert wird.

Steinkohle

Steinkohle ist ein Sammelbegriff für höherwertige Kohlen. Entstehungszeit der Steinkohle ist das Karbon. Entstanden ist sie aus großen Urwaldbeständen, die im Prozess des Absterbens große Mengen Biomasse anhäuften, ähnlich wie in einem Torfmoor zur heutigen Zeit. Diese Ablagerungen wurden teilweise in regelmäßigen Abständen (deswegen gibt es im Steinkohlebergbau meist mehrere Flöze) durch andere Sedimente wie Tone und Sand/Sandsteine abgedeckt. Dadurch wurde das organische Ausgangsmaterial unter Luftabschluss und hohen Drücken und Temperaturen solange verdichtet und umgewandelt, bis ein fester Verbund aus Kohlenstoff, Wasser und unbrennbaren Einschlüssen in Form von Asche entstand. Diesen Prozess nennt man Inkohlung. Steinkohle zeichnet sich durch eine schwarze, feste Grundmasse aus, in welcher mitunter Einschlüsse und Abdrücke prähistorischer Pflanzen zu finden sind.
- Abbau- / Lagerstätten: Ruhrgebiet Aachener Steinkohlenrevier Saarland Ibbenbüren (Antrazitkohle) Der Abbau von Steinkohle erfolgt in Deutschland in Tiefen (Teufe) von ca. 800-1750m. In den USA z.B. kann Steinkohle im Tagebau in Tiefen von 0-70m gewonnen werden. Daher ist diese Kohle in der Produktion viel billiger und kommt auch in Deutschen Kraftwerken häufiger zum Einsatz als heimische Kohle. Damit in Deutschland nicht ausschließlich Kohle aus dem Ausland verstromt wird, existiert die Steinkohlesubvention. Ruhrkohlen werden nach dem Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen (F.B.), bezogen auf die wasser- und aschefreie Kohle (abgekürzt: waf), in folgende Kohlenarten eingeteilt: Gasflammkohlen [> 35 % F.B. (waf)], Gaskohlen [35 - 30 % F.B. (waf)], Fettkohlen [30 - 20 % F.B. (waf)], Esskohlen [20 - 14 % F.B. (waf)], Magerkohlen [14 - 10 % F.B. (waf)], Anthrazit [< 10 % F.B. (waf)].

Fettkohle

Fettkohle ist eine dichte Kohle, für gewöhnlich schwarz, manchmal dunkelbraun, oft mit gut erkennbaren hellen und matten Streifen und wird überwiegend als Brennstoff in der Energieerzeugung genutzt. Ein großer Teil wird auch zur Erzeugung von Wärme in der Industrie oder zur Gewinnung von Koks eingesetzt. Fettkohle ist die häufigste Kohlenart im Ruhrgebiet. Ihr Feuchtigkeitsgehalt liegt für gewöhnlich unter 20 Prozent. Ihr Kohlenstoffgehalt liegt bei ~88 % in der wasserfreien Kohle. Der Schwefelgehalt beträgt bis zu 1%. Ein weiteres Kennzeichen der Fettkohle ist ihr hoher Anteil an flüchtigen Bestandteilen. Deshalb verbrennt Fettkohle mit einer langen, leuchtenden und stark rußenden Flamme.

Anthrazitkohle

Am anderen Spektrum der Kohlensorten hinsichtlich des Gehaltes an flüchtigen Bestandteilen befindet sich der Anthrazit als die höchstwertige Kohlesorte. Er wird überwiegend zur privaten und gewerblichen Raumheizung genutzt. Diese Kohlensorte besitzt eine ungewöhnlich große Härte. Der Feuchtigkeitsgehalt von frisch abgebautem Anthrazit ist gewöhnlich unter 15 Prozent. Ihr Kohlenstoffgehalt liegt über 91 % in der wasser- und aschefreien Kohle. Der Schwefelgehalt beträgt bis zu 1%. Im Anthrazit sind nur geringe flüchtige Bestandteile gebunden. Deshalb verbrennt diese Kohleart mit einer sehr kurzen und heißen Flamme von bläulicher Farbe. Ruß und sichtbare Rauchgase entstehen nur wenig bei diesem Brennstoff. Die Farbe von Anthrazit ist ein metallisch glänzendes dunkles Grau, woher dieser Brennstoff auch seinen Namen hat (Anthrazit griech. Glanzkohle).

Koks

Der Koks ist ein fester, kohlenstoffhaltiger Rückstand, der aus asch- und schwefelarmer Fettkohle gewonnen wird. Dabei werden in Kokereien ihre flüchtigen Bestandteile entfernt, indem sie in einem Ofen unter Luftausschluss bei mehr als 1400 °C erhitzt wird, so dass der feste Kohlenstoff und die verbleibende Asche verschmelzen. Dieser Prozess, die Verkokung, gehört zu den Verfahren der Kohleveredelung. Koks brennt mit einer nahezu unsichtbaren blauen Flamme. Es entstehen dabei keinerlei Ruß oder sichtbares Rauchgas. Koks wird als Brennstoff und als Reduktionsmittel bei der Eisenproduktion in Hochöfen eingesetzt. Er hat eine stumpf-graue Farbe und ist dabei hart und porös. Bei der Koks-Herstellung fällt als Nebenprodukt Steinkohlenteer an. Weitere Formen der Steinkohle sind in der Reihenfolge abnehmender flüchtiger Bestandteile Gaskohle, Gasflammkohle, Flammkohle, Esskohle, Magerkohle und als Sonderform Faulschlammkohle. Kohle wurde bis 1963 insbesondere in England in Chaldron gemessen.

Öl aus Kohle

Steinkohle ist auch zur Erzeugung von unkonventionellem Erdöl geeignet. Wenn die Erdölreserven knapp werden, kann auf dieses Verfahren zurückgegriffen werden.

Siehe auch

- Kohle/Tabellen und Grafiken

Weblinks

- http://www.gvst.de
- http://www.lausitzer-bergbau.de
- [http://www.bergschaeden.info Bergbaureviere in Deutschland]
- [http://www.steinkohle-portal.de Steinkohleportal]
- [http://www.deutsche-steinkohle.de Steinkohlen-Bergbau in Deutschland]
- [http://www.getec.info Braunkohle, Braunkohlenstaub]
- [http://www.energie-fakten.de/wirkungsgrade.html Wie haben sich die Wirkungsgrade der Kohlekraftwerke entwickelt und was ist künftig zu erwarten?]
- [http://www.wiener-gasometer.at/de/technik/gas/index.html Gewinnung von Stadtgas aus Kohle, Trockendestillation von Kohle]
- [http://www.wisoveg.de/rheinbraun/norsdsued.html Die rheinische Braunkohle] Kategorie:Gestein Kategorie:Brennstoff Kategorie:Stoffgemisch Kategorie:Bergbau ja:石炭

Sedimentgestein

]] Sedimentgesteine oder Sedimentite (Klastika), sind Gesteine, die aus der Diagenese von Sedimenten hervorgegangen sind. Sedimente entstehen durch Erosion und Umlagerung von Gesteinen und deren Verwitterungsprodukten oder durch Ausfällung oder Ausscheidung gelöster Stoffe. Charakteristisch für Sedimente ist die auf Materialwechsel zurückgehende Schichtung. Sedimentbildende Prozesse werden durch die Wirkungen der Atmosphäre, der Hydrosphäre und der Biosphäre auf die Oberfläche des festen Erdkörpers beeinflusst. Das Sediment wird dabei von den Bedingungen geprägt, unter denen es entstanden ist. Alle Umweltbedingungen, die zur Bildung eines Sedimentes beitragen, werden unter dem Begriff der Facies zusammengefasst und sind charakteristisch für verschiedene Sedimentationsräume.

Einteilung

Klastische Sedimentite

Als Klastika (gr. klastó - (ab)gebrochen, von klãn - (ab)brechen) bezeichnet man Sedimentgesteine, deren Material aus der mechanischen Zerstörung anderer Gesteine stammt. Eine weitere Bezeichnung ist Trümmergestein. Hierzu gehören zum Beispiel Sand, Kies und andere. Klastische Sedimente werden anhand des Korngrößenspektrums und des Materiales, aus dem sie bestehen, charakterisiert. Korngrößen. – Je nach Korngröße unterscheidet man Psephite (grobklastische), Psammite (mittelklastische) und Pelite (feinklastische Gesteine).
- Ein klastisches Sedimentgestein aus kantigen, unregelmäßig gebrochenen Komponenten (Korndurchmesser über 2 mm) wird als Brekzie (ital. breccia) bezeichnet, hingegen als Konglomerat, wenn es aus abgerundeten Komponenten besteht.
- Ein klastisches Sedimentgestein mit Mineralkomponenten von 0,06-0,002 mm Korngröße wird als Schluff (auch: Schluffstein oder Siltstein) bezeichnet.
- Ein klastisches Sedimentgestein aus unterschiedlichen Korngrößen, die von einem Trübestrom abgelagert sind, wird Turbidit genannt. Bindemittel. – Die Körner und Mineralkomponenten, aus denen die klastischen Sedimentgesteine bestehen, sind mit Hilfe von chemischen oder mineralischen Bindemitteln verkittet. Hierbei kann es sich um Tonmineralien, kalkige Bindemittel (CaCO₃), kieselige Bindemittel (SiO₂) und ferritische Bindemittel (FeO(OH)) handeln. Beispiele. – Beispiele für klastische Gesteine sind Sandstein, Schluffsteine, Arkosen, Grauwacken, Konglomerate. Eine Sonderform der klastischen Sedimente sind pyroklastische Sedimente. Dies sind diagenetisch unverfestigte und verfestigte Gesteine, die aus von Vulkanen ausgeworfenem klastischen Material bestehen (etwa Tuff, Bimsstein). Siehe auch: Pyroklastischer Strom

Chemische Sedimentite

Chemische Sedimentite entstehen durch die Fällung gelöster Stoffe aus übersättigten Lösungen. Häufig werden dabei die Evaporite (Karbonate, Sulfate, Halogenide und andere Salze) gebildet, die mächtige Gesteinspakete umfassen und Formationen bilden können, wie z.B. der Zechstein in Nord- und Mitteldeutschland.

Biogene Sedimentite

Biogene Sedimentite, auch organogene Sedimentite oder Biolithe, werden durch Aktivitäten von lebenden Organismen wie auch aus Resten von toten Organismen gebildet. Hierzu gehören die aktive Ausscheidung mineralischer Substanzen, die sich zu mächtigen Sedimentpaketen anhäufen können, wie z.B. Riffkalke. Reste abgestorbener Organismen können auch größere Sedimentkörper bilden, z.B. Torf, der durch die Anhäufung von abgestorbenen Pflanzenresten entsteht, oder Bone beds u.a.

Rückstandsgesteine

Rückstandsgesteine, auch Residualgesteine, entstehen aus den Rückständen chemisch aufbereiteter Gesteine am Ort der Gesteinszerstörung (Verwitterung) wie z.B. Kaolin (aus Granit, Rhyolith, Arkose), Bauxit (aus Karbonatgestein -> Kalkbauxit oder Silikatgestein -> Silikatbauxit) .

Bedeutung von Sedimentgesteinen

Viele Sedimentgesteine werden wirtschaftlich genutzt (z.B. Kalkstein in der Bauindustrie). In Sedimenten können Erdöl und Erdgas entstehen (Erdölmuttergestein), die dann in ein Erdölspeichergestein ausgepreßt werden können. Stein- und Braunkohle ist ebenfalls ein Sedimentgestein von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Sedimentgesteine (insbesondere Kalkstein und Dolomit) können große Mengen an Kohlenstoff enthalten. Dadurch ist der Anteil von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre im Vergleich zu den Atmosphären z.B. der Venus oder des Mars extrem gering. Das Studium der Sedimentgesteine ermöglicht die Rekonstruktion von Lebensräumen, die vor geologischen Zeiten bestanden haben.

Weblinks

- Liste der Gesteine
- Liste der Gesteine nach Genese Kategorie:Geologie Kategorie:Petrologie Kategorie:Bodenkunde ja:堆積岩 th:หินตะกอน

Kohlenstoff

Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle und lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element. Es kommt in der Natur sowohl in gediegener Form als auch chemisch gebunden vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen Molekülen und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.

Modifikationen des Kohlenstoff

Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor: Diamant, Graphit und Fullerene. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
Graphit ist ein guter elektrischer Leiter von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist die Leitfähigkeit anisotrop: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel. Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte Element und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen (siehe unten).

Atommodell des Kohlenstoffs

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt. Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem Schalenmodell besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale. Das 2s-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das 2px- und 2py- Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist kugelförmig. In einem p-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem plaziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital.

Diamant (sp³) Struktur

Schalenmodell Die s und p Niveaus können [Hybrid-Orbitale|hybridisieren] und 4 energetisch gleichwertige sp3-Orbitale bilden.Orbitale besitzen eine langgestreckte Tropfenform an. War sie bei den p- Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen.
Die vier sp3-Orbitalesind symmetrisch zueinander im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten Tetraeders. Überlappen sich die sp3-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur wiederspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit (sp²) Struktur

Diamant Sind nur 2 der p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die sog. sp2-Orbitale. Die sp2- Orbitale richten sich senkrecht zum übriggebliebenen p-Orbital aus. Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die sp2- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das p-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden. sp2-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp2 beziehungsweise sp3-Orbitale.
Chemisch sprechen wir von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3-Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350 kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen sp2-Doppelbindung C=C nur um 260 kJ/mol höher.
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol).

Dreifach (sp¹) Bindung

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Während sp3-Bindungen dreidimendionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale, bilden sp1-Bindungen höchstens eindimensionale Ketten, wie zum Beispiel H-C≡C-C≡C-H.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp3 und sp2: Diamant, Graphit und Fulleren. Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

Modifikationen

Diamant

Siehe auch: Diamant
Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlücke von 5.45 eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen wärend mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluß bei hohen Temperaturen in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ca. 700-800 °C zu Kohlendioxid. Diamant gilt unter normal Bedinungen (1 bar/25 °C) gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil
1) die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
2) bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluß der Umgebung -geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben- nicht berücksichtigt wurde/wird (s.h. Carpenter, M.A: Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach, in: Stability of Minerals, Chapman & Hall London, 1992 oder Salje, E.: Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals, Cambridge University Press, Cambridge 1990)) und schließlich
3) Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, daß in einer hydrothermalen Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

Graphit

Siehe auch: Graphit
Die sp2-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung. Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr [anisotrop]: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, die Leitung von Wärme oder Ladungen von Kristallebene zu Kristallebene ist dagegen relativ schelcht.

Fullerene

Siehe auch: Fulleren
Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entsteht eine räumliche Struktur, die Fullerene. Die sp2-Bindungen liegen nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome und gleicht im Aufbau einem Fußball. Die Molekülkugeln untereinander binden sich über eine schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung, genauso wie beim Graphit die Basalebenen. Die aus 60 bzw. 70 Atomen bestehenden Formen lassen sich isolieren und kristallisieren und können daher als Modifikation(en) gelten.

weitere Formen von Kohlenstoff

Graphen

Als Graphen bezeichnet man eine monoatomare Schicht von Kohlenstoff, die einer Basalebene entspricht. Wie bei Alkenen verweist die Endung en auf ungesättigte Doppelbindungen in den Kohlenstoff-Ringen (Betonung: Graph-én). Man versucht, Monolagen in makroskopischer Ausdehnung herzustellen, um die hohe Anisotropie der elektrischen Eigenschaften entlang und senkrecht zur Ebene für die Herstellung neuartiger Halbleiter zu nutzen. Streng genommen kann man Graphen nicht als Modifikation bezeichnen, da es parktisch um einen zweidimensionalen Kristall handelt.

Kohlenstoffnanoröhren

Siehe auch: Kohlenstoffnanoröhre
Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp2-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT). (siehe Kohlenstoffnanoröhren).

Kohlenstoffnanoschaum

Kohlenstoffnanoschaum ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, ähnlich der von Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern. Technisch gesprochen ist Kohlenstoffnanoschaum ein Aerogel mit einer Dichte von 0.2-1.0 Gramm/Kubikzentimeter.

Kohlenstoff-Fasern

Siehe auch: Kohlenstofffaser
Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff. In einer Idealfaser liegen die Graphitlagen geordnet wie in einer langen Papierrolle vor, die Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse. In Wirklichkeit sind die Ebenen stark gestört und bilden nur lokale Ordnungen aus. Das Maß der Störung beeinflusst die Festigkeit.
Kohlenstofffasern sind serh zugfest und werden daher in Verbundwerkstoffen genutzt.

Ruß

Siehe auch: Ruß
Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

Aktivkohle

Siehe auch Aktivkohle
Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert Feststoffe aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

Glaskohlenstoff

Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit ausgeprägter struktureller Fehlordnung und glasartigem Bruchbild. Die Kohlenstoffatome mit sp2-Bindung sind in ebenen Schichten mit hexagonaler Symmetrie angeordnet. Im Gegensatz zu Graphit sind diese Schichten bei glasartigem Kohlenstoff nicht regelmäßig über größere Bereiche hinweg geordnet. Bänder aus graphitisch geordneten, übereinander geschichteten Strukturen bilden eine polymerähnliche Knäuelstruktur. Glasartiger Kohlenstoff ist im Makrobereich porenfrei, zwischen den Graphitschichten sind aber zahlreiche Hohlräume vorhanden. Ähnlich wie bei Gläsern beträgt der Durchmesser etwa 1 bis 3nm. Folgen der strukturellen Fehlordnung sind die geringe Dichte, die im Vergleich zu Graphit geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit und die Isotropie des Werkstoffs. Trotz der aufgeweiteten Struktur beträgt die Helium-Permeabilität nach der Vakuumverfallsmethode nur 10-11 cm² s-1. Neben seiner isotropen Festigkeit verbindet glasartiger Kohlenstoff die guten Hochtemperatureigenschaften von Graphit. Er sublimiert im Vakuum oder Inertgas erst bei Temperaturen oberhalb 3000 °C und oxidiert an Luft bei etwa 600 °C. Er ist hitze - und kälteschockbeständig. Glaskohlenstoff bildet auf Grund der starken Fehlordnung keine Interkalationsverbindungen. Die Folge ist die außerordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit gegen saure und alkalische Reagenzien und Schmelzen. Lediglich Sauerstoff über 600 °C und oxidierende Schmelzen greifen Glaskohlenstoff an. Die hohe Reinheit des Werkstoffs prädestiniert Ihn für Anwendungen in der Analytik, Halbleiter- und Reinststofftechnik. Da Gefäße aus glasartigem Kohlenstoff keine Memory-Effekte zeigen, ist das Material im Bereich der Ultraspurenanalytik vielseitig einsetzbar.

Amorpher Kohlenstoff

(Entwurf: Sehr selten, nicht zu verwechseln mit Ruß. Enthält neben sp2 auch Anteile von sp3 gebundenem Kohlenstoff.)

Kohlenstoff-Verbindungen

Beispiele einiger anorganischer chemischer Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten:
- Oxide des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Kohlenstoffsuboxid (C₃O₂)
- Kohlensäure (H₂CO₃) sowie ihre Salze, die Carbonate.
- Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS₂).
- Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, Stahl.
- Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen, hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Zwischen der Erde, ihren Ozeanen und der Erdatmosphäre findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt. Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie. Auch die Biochemie ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie.

Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung

Die Inkohlung erhöht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer Zeiträume. Dieser Prozess führte zur Entstehung von Braun- und Steinkohle aus Pflanzenmaterial des Karbons. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Intertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1900 °C) und Graphitierung bzw. Graphitisierung (oberhalb 2000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen. Kohlenstoffgehalt in Gew.-% einiger Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung:
- Anthrazit: >90%
- Holzkohle: 90%
- Steinkohle: 85-90%
- Koks (durch Karbonisierung von Steinkohle): ?
- Braunkohle: 60-75%
- Erdöl: 85-90%
- Erdgas: 85-95%
- Torf: 56
- Holz: 45-50%
- Holzkohle (durch Karbonisierung von Holz): 80-90%

Weblinks

- [http://www.ifres.ch/Homepage/DB/Diss_Mauron.pdf Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes] (in Englisch)
- [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node35.php Kohlenstoff auf Chemieseite.de]
- [http://www.htw-germany.com/de/content/glaskohlenstoff.php?aw=1 Glaskohlenstoff] Siehe auch: organische Chemie, Radiokarbonmethode, Polymer, Kohlenstoff-Senke, Kohlendioxid Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-2-Element ja:炭素 ko:탄소 ms:Karbon simple:Carbon th:คาร์บอน

Energieträger

Mit dem Ausdruck Energieträger werden im engeren Sinn Rohstoffe bzw. Stoffe bezeichnet, die in chemischer oder nuklearer Form Energie speichern und daher für die Energiegewinnung oder den Energietransport nutzbar gemacht werden, bzw. werden können. Im erweiterten (politischen) Sprachgebrach werden als Energieträger auch Energiequellen bezeichnet (z.B. Geothermie, Solarenergie, Wasserkraft, etc.), die zwar zur Energiegewinnung geeignet sind, aber keinen Energieträger im engeren Sinn darstellen.

Unterscheidung zwischen primären und sekundären Energieträgern

Die direkt zur Energiegewinnung geeigneten - weil in verwertbarer Form in der Natur vorhandenen - primären Energieträger unterscheidet man in fossile, regenerative und nukleare Energieträger. Als sekundärer Energieträger bezeichnet man Stoffe, die sich zwar zu Energietransport und zur Energiespeicherung eignen, in der Natur aber nicht in verwertbarer ("aufgeladener") Form vorkommen (z.B. Wasserstoff).

Primäre Energieträger

Fossile Energieträger

Die fossilen Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die - durch Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen - nicht verrotten konnten und so ihre chemische Energie erhielten. Fossile Energieträger sind Kohle, Erdgas, Erdöl und Methanhydrat. Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Maß vorhanden sind und ihre Verwendung mit CO₂-Emissionen verbunden ist (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Biomasse

Biomasse zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d.h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verfügung (wie etwa Windenergie), kann jedoch innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern). Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabhängigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung. Die Nutzung zur Energiegewinnung erfolgt unmittelbar (Verbrennung zum Heizen oder zur Stromgewinnung) oder mittelbar (nach Verarbeitung zu Biogas, Kraftstoffen, etc.). Biomasse setzt bei der Verwertung nur CO₂ frei, das vorher zeitnah aus der Atmosphäre gebunden wurde, ist also CO₂-neutral.

Nukleare Energieträger

Allen nuklearen Energieträgern (Uran, Plutonium, bestimmte Transurane, Deuterium, Tritium, bestimmte andere Radionuklide) ist gemeinsam, dass sie bei der Energiegewinnung keine CO₂-Freisetzung verursachen, allerdings entsteht radioaktiver Abfall. Bei der Kernspaltung von Uran, Plutonium und bestimmten anderen Transuranen entstehen Energie und Neutronen, die ihrerseits wiederum weitere Spaltungen auslösen. Diese bei dieser Kettenreaktion frei werdende Energie wird in einem Kernreaktor kontrolliert genutzt. Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne (i.d.R. Deuterium und Tritium) zu schwereren (Helium). Die Sonne und andere Sterne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion. Der Zerfall von radioaktiven Stoffen kann als Energiequelle benutzt werden, dabei wird die entstehende Zerfallswärme in Radioisotopengeneratoren zur Stromgewinnnung auf thermoelektrischer Basis und zum Heizen genutzt. Die gewinnbaren Energiemengen sind gering, daher Radioisotopengeneratoren vornehmlich als Stromquelle und Heizung für Raumsonden im äußeren Sonnensystem eingesetzt, da dort Solarzellen keine ausreichende Leistung und keine Wärme liefern.

Sekundäre Energieträger

Wasserstoff

Methan <-> Synthesegas

Weblinks

- [http://www.umweltbundesamt.at/energietraeger.html Energieträgerinfo beim Umweltbundesamt] Kategorie:Geowissenschaft Kategorie:Erneuerbare Energie Kategorie:Energiewirtschaft

Brennstoff

Brennstoff ist ein brennbares Material, das gespeicherte Energie durch Oxidation, meist in Form einer Verbrennung, in nutzbare Energie umwandelt. Kernbrennstoffe wie Uran oder Plutonium werden nicht chemisch verbrannt, sondern Energie wird durch eine nukleare Kernspaltung oder eine Kernfusion gewonnen. Brennstoffe werden zur Wärmegewinnung eingesetzt, während Kraftstoffe (Treibstoffe) in Verbrennungsmotoren verwendet werden. Diese Definition der Begriffe ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, so ist 'Heizöl EL' ein Brennstoff, der unter der Bezeichnung Diesel als Kraftstoff vertrieben wird. Brennstoffe sind Rohstoffe. Die meisten derzeit genutzten Brennstoffe sind Kohlenstoffverbindungen. Sie werden unterschieden in fossile Rohstoffe und nachwachsende Rohstoffe. Hinzu kommen Wasserstoff und Kernbrennstoff. Weiterhin unterscheidet man natürliche und künstliche Brennstoffe. Natürliche Brennstoffe werden in der Form eingesetzt, in der sie der Umwelt entnommen werden. Künstliche Brennstoffe werden durch einzelne Verfahrensschritte aus den natürlichen Brennstoffen gewonnen. Die Beurteilung der Qualität eines Brennstoffes hinsichtlich seines Vermögens Wärme zu liefern erfolgt durch seinen Heizwert, in manchen Fällen auch durch seinen Brennwert. Brennwert

Brennstoffpreise

Der Weltmarktpreis ist bedingt durch das Auf und Ab der Konjunktur erheblichen Schwankungen unterworfen. Gemessen an der Steinkohleeinheit schwankte der Preis im Zeitraum 1970 bis 2004:
- bei Erdöl um 900 %
- bei Erdgas um 700 %
- bei Steinkohle um 200% Die Preise für die marktgängigen Brennstoffe haben einen erheblichen Einfluss auf die nationalen Volkswirtschaften, stark steigende Preise können eine bereits vorhandene Inflation verstärken.

Verwendung der Brennstoffe

Die auf der Erde vorhandenen Brennstoffe werden verschiedensten Verwendungszwecken zugeführt.
- Festbrennstoffe dienen heutzutage in erster Linie der Erzeugung von Elektrischen Strom im Dampfkraftwerk. Daneben werden Festbrennstoffe für die Verfahrenstechnik und die Erzeugung von Metall bei der Verhüttung von Eisen und Stahl benötigt. Festbrennstoffe haben zur Zeit nur noch einen geringen Anteil an der Beheizung von Gebäuden.
- Flüssigbrennstoffe haben einen erheblichen Anteil im Verkehrswesen und zur Heizung von Gebäuden, weiterhin dienen sie als Rohstoff für Produkte in der Chemischen Industrie.
- Gasförmige Brennstoffe werden hauptsächlich zur Gebäudebeheizung sowie zur Stromerzeugung genutzt. Sie werden in der Chemischen Industrie ebenfalls als Brenn- und Rohstoff verwendet.

Herkunft der Brennstoffe

Die meisten der in Deutschland verwendeten Brennstoffe müssen importiert werden. Das gilt in erster Linie für die flüssigen und gasförmigen Brennstoffe, da Mitteleuropa auf diesem Gebiet nur geringe eigene Ressourcen besitzt. Feste natürliche Brennstoffen werden dagegen in diesem geographischen Gebiet als Bodenschatz in größeren Mengen gefördert, wobei die bei der Förderung anfallenden Kosten durch Subventionen unterstützt werden, um den heimischen Brennstoff gegenüber den auf dem Weltmarkt gezahlten Preisen konkurrenzfähig halten zu können. Die Bereitstellung von Brennstoffen aus Nachwachsenden Rohstoffen hat für die Energiewirtschaft nur eine geringe Bedeutung.

Einteilung und Kennzahlen der Brennstoffe

Feste Brennstoffe

Nachwachsenden Rohstoffen Nachwachsenden Rohstoffen

Flüssige Brennstoffe

Nachwachsenden Rohstoffen

Gasförmige Brennstoffe

Nachwachsenden Rohstoffen Anmerkung:
- bedeutet z. Zt nicht bekannt

Weitere Brennstoffe

Im Bereich der Kernenergie werden radioaktive Elemente mit spaltbarem Material Kernbrennstoffe genannt. Siehe auch: Kraftstoff, Fossiler Brennstoff, Brennstofftechnische Gesellschaft ! Kategorie:Erneuerbare Energie

Aerob

Aerobie (von lat. aer, Luft) bezeichnet eine Lebensweise, bei der elementarer Sauerstoff (O₂) benötigt wird. Lebewesen mit dieser Lebensweise werden als Aerobier bzw. als aerob bezeichnet. Im Gegensatz dazu bezeichnet "Anaerobie" Lebensvorgänge, die ohne Sauerstoff ablaufen. Lebewesen, die keinen Sauerstoff benötigen oder sogar durch ihn gehemmt oder abgetötet werden, bezeichnet man als "Anaerobier" bzw. "anaerob". Beispiele für aerobe Vorgänge:
- Atmung
- Nitrifikation
- Kompostierung Chemisch betrachtet stellen aerobe Vorgänge Oxidationen dar. Wird die Sauerstoffzufuhr unterbrochen, so verlaufen häufig andere, anaerobe biochemische Reaktionen ab, insbesondere Gärungsvorgänge. Ein Beispiel dafür ist der Stoffwechsel von Muskeln, auch beim Menschen. Normalerweise erfolgt die Energiegewinnung aerob durch Oxidation von Glucose mit Sauerstoff in der Zellatmung. Wird der Muskel so stark beansprucht, dass die Sauerstoffversorgung nicht mehr ausreicht, dann schalten die Muskelzellen auf die Milchsäuregärung um, die allerdings weniger Energie aus gleicher Menge Glucose liefert. Daher kommt es nach längerer starker Belastung zu einem Leistungsabfall. Wegen seiner Bedeutung für viele Lebensvorgänge ist Sauerstoff ein wichtiger abiotischer Faktor in der Ökologie. Man bezeichnet Sauerstoff-haltige Habitate als "oxysch", Habitate ohne Sauerstoff als "anoxysch". Bei Biotopen, in denen der Sauerstoffgehalt unterschiedlich ist, spricht man von oxyschen und anoxyschen Zonen.
Beispielsweise ist im Schlickwatt des Wattenmeers die obere Zone hell und relativ gut mit Sauerstoff versorgt. Sie stellt eine aerobe Zone dar. Das Redoxpotential liegt hier oberhalb von +100 mV (Millivolt). Sauerstoff kann chemisch nachgewiesen werden. Dieser Teil des Schlickwatts ist extrem dicht besiedelt. In wenigen Millimetern bis Zentimetern Tiefe ändert sich das Erscheinungsbild: Das Watt sieht schwarz aus; die Färbung entsteht durch Sulfide von Schwermetallen, insbesondere durch Eisenmonosulfid (FeS). Es tritt ein typischer Geruch nach Schwefelwasserstoff auf. Messungen zeigen, dass das Redoxpotential hier unter -200 mV liegt. Molekularer Sauerstoff ist allenfalls noch in Spuren nachweisbar. In dieser anoxyschen Zone können nur solche Lebewesen existieren, die entweder ohne Sauerstoff auskommen (anaerobe Bakterien) oder durch besondere Atmungsorgane (Sipho bei Muscheln) bzw. ihr Verhalten (Wattwurm) Sauerstoff von der Oberfläche holen.

Aerobier

Als Aerobier bezeichnet man in der Ökologie Lebewesen, die zum Leben elementaren Sauerstoff (O₂) benötigen. Der Sauerstoff wird ganz überwiegend für oxidative Stoffumsetzungen im Energiestoffwechsel benötigt, wie zum Beispiel bei der Atmung der höheren Lebewesen.
Lebewesen, die Sauerstoff in nur geringen Konzentrationen bevorzugen, nennt man mikroaerophil. Kategorie:Ökologie Kategorie:Mikrobiologie Kategorie:Biochemie

Torf

Torf ist ein organisches Material, das in Mooren abgebaut wird. Er entsteht aus der Ansammlung pflanzlicher Substanzen in verschiedenem Grade der Zersetzung. Moor]

Entstehung

Durch einen niedrigen pH-Wert und Luftabschluss durch Wassersättigung wird die Zersetzung pflanzlicher Substanzen extrem verlangsamt. Die Bildung von Torf geht dadurch so langsam vor sich, dass es bis zur Entstehung beispielsweise des norddeutschen Teufelsmoores ca. 8000 Jahre dauerte (ca. 1 m pro 1000 Jahre). So entsteht ein Mittelzustand zwischen Land und Wasser: die Moore (regionale Bezeichnungen sind unter anderem Lohden in der Oberpfalz, Ried in Schwaben und Thüringen und Moos in Bayern). In den ersten Stadien der Bildung lässt der Torf die Struktur der Pflanzen noch deutlich erkennen, es entsteht der so genannte Weißtorf; bei weiterer Zersetzung entsteht ein homogener, wenigstens bei Betrachtung mit bloßem Auge strukturloser Körper, Brauntorf oder auch Bunttorf genannt. Die älteste Torfschicht ist der so genannte Schwarztorf. Die unteren Schichten eines Torflagers sind dabei (weil älter und größerem Druck ausgesetzt) in der Zersetzung weiter vorgeschritten (reifer) als die oberen (unreifen). Wo die Bodenbeschaffenheit eine Ansammlung von stehendem seichtem Wasser gestattet, wird dieses durch Pflanzen überwuchert, die dann ihrerseits wiederum das Wasser vor schneller Verdunstung schützen. Verdunstung Die Torfmoorbildung wird begünstigt durch eine Einsenkung des Bodens oder Verbindung mit benachbarten Gewässern sowie einen undurchlässigen Untergrund. Auch auf spaltenfreien Gesteinen, die ein Versickern des Wassers nicht gestatten, und auf solchen, welche bei ihrer Verwitterung einen undurchlässigen Ton liefern, können Moore entstehen. Ferner müssen die klimatischen Bedingungen mehr Wasser nachliefern als durch Verdunstung und Abfluss entzogen werden, wie in regen- und nebelreichen Gegenden, weshalb die gemäßigten Zonen die eigentliche Heimat der Moore bilden, während sie sich in der heißen Zone auf hoch gelegene Plateaus und auf regenreiche Wälder beschränken. Außer durch die atmosphärischen Niederschläge beziehen die Moore das Wasser aus Seen, Schnee- und Eisfeldern oder aus Flüssen, welche sie oft saumartig umgeben. Moore tragen auch zur allmählichen Verlandung von Gewässern durch Torfbildung bei. So besitzt der Federsee in Oberschwaben heute nur noch eine Wasseroberfläche von 256 Hektar, während er noch gegen das Ende des 18. Jahrhunderts 1100 Hektar groß war. 18. Jahrhundert Die Pflanzen, die zur Vermoorung und Vertorfung führen, sind solche, welche in großer Anzahl vorkommen und stark wuchern, besonders aber verfilzte Wurzeln treiben: die Heiden (Besenheide, Glockenheide), Sauergräser (besonders Seggen-Arten und Wollgräser und Simsen), Binsen, Schwarzerlen, vor allem aber Torfmoose (Sphagnum). In hoch gelegenen Regionen kann auch die Bergkiefer (Pinus mugo) eine Rolle spielen. Je nach Beteiligung einzelner der genannten Pflanzen an der Moorbildung und den hydrologischen Verhältnissen unterscheidet man Niedermoore, Zwischenmoore sowie Hochmoore. In ersteren dominieren Seggenriede, Röhrichte und Bruchwälder, in den nährstoffärmeren Zwischen- und Hochmooren sind Torfmoose die Haupttorfbildner.

Torfabbau

Bruchwälder Bruchwälder] Bruchwälder] Torf wird nach dem Tagebauverfahren in einem so genannten Torfstich gewonnen. Traditionell wurde Torf vor allem als Heizmaterial verwendet. Da Moore heute als bewahrenswerte Biotope angesehen werden, findet in Deutschland ein Abbau in großem Umfang kaum noch statt. In Skandinavien und Irland wird Torf noch regelmäßig zur Energie- und Wärmegewinnung abgebaut und dient vor allem der lokalen Versorgung. Die Eigenschaften von Niedermoor- und Hochmoortorfen unterscheiden sich beträchtlich. Niedermoore spielen (außer bei Urbarmachung) wirtschaftlich keine Rolle, nur in geringen Mengen wird Niedermoortorf für balneologische Zwecke abgebaut. Die Nutzung von Torf als Brennstoff an der Nordseeküste wird bereits von Plinius überliefert; auch ein arabischer Reisender des 10. Jahrhunderts berichtet von "brennbarer Erde". Hochmoortorf hat seit dem 15. Jahrhundert bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts sowie in Notzeiten des 20. Jahrhunderts als Brennstoff in Form des minderwertigen Splinttorfes große Bedeutung besessen. Heute wird er hauptsächlich in der Pflanzenindustrie und sowohl von Berufs- wie Hobbygärtnern in großen Mengen verwandt. Durch den Abbau des Torfes, der in der Regel eine Entwässerung voraussetzt, werden die betroffenen Moore großflächig zerstört. Angesichts ihrer Langsamwüchsigkeit und des schweren Eingriffs, den der Abbau bedeutet, können sie sich oft nicht mehr erholen. In einigen Ländern, wie beispielsweise Kanada und Finnland, gibt es Anstrengungen, abgetorfte Flächen zu regenerieren. Aufgrund des gestiegenen Umweltbewusstseins der Bevölkerung treibt die Torfindustrie in vielen Ländern Projekte zur Wiedervernässung, Regenerierung oder zur land- und forstwirtschaftlichen Nutzung ehemaliger Torfabbaugebiete voran. Die Zulassung neuer Flächen unterliegt strengen Auflagen. Weißtorf ist wenig zersetzter Hochmoortorf, ist also eher faserig. Schwarztorf ist dagegen stärker zersetzt.

Torfnutzung

Heizmaterial

Man kann Torf direkt als Heizmaterial verwenden, oder es zu Torfkohle umwandeln. Dies geschah ähnlich wie bei der Herstellung von Holzkohle, in dem der Torf unter geringer Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr langsam in einem Kohlenmeiler brannte. Es hat einen Energieinhalt von 20-22 MJ/kg. Im 18. Jahrhundert setze man Torfkohle in der Erzverhüttung ein, um so die teuer gewordene Holzkohle zu strecken. Ziegeleien und weitere Industrien mit hohem Bedarf an Brennmaterial verwendeten damals auch Torfkohle. Holzkohle war knapp geworden, da damals großflächig Wälder abgeholzt waren (siehe auch: Waldzustand um das Jahr 1800) und erst nach der Aufforstung mit schnellwachsenden Nadelbäumen Mitte des 19. Jahrhunderts ging der Bedarf nach Torfkohle zurück. Torf, an der Luft getrocknet, war bis ins 20. Jahrhundert hinein als Heizmaterial in Verwendung. Bis zum 18. Jahrhundert wurde es vorwiegend für den lokalen Bedarf gebraucht. Im 18. Jahrhundert, während des Holzmangels durch die aufkommende Industrie, wurde Torf zum wichtigen überregionalen Handelsgut und erst mit der Erfindung der Eisenbahn im 19. Jahrhundert konnte Kohle Torf als Heizmaterial verdrängen. Heute heizt man mit Torf noch in europäischen Staaten, wie Finnland, Irland, Russland und Schweden. Da Torfasche lange nachglüht, führte dies zu vielen Bränden. Die Wärmeausbeute ist vergleichbar mit Braunkohle, allerdings riecht Torffeuer stark.

Whisky-Herstellung

Viele Whisky-Sorten, vor allem schottische, erfordern das Trocknen des Malzes über einem Torffeuer, da nur so der spezielle rauchige Geschmack erzielt werden kann.

Brennstoff für Dampflokomotiven

Torf wurde in verschiedenen Gegenden auch als Heizmaterial für Dampflokomotiven verwendet. Wegen des (bereits erwähnten) langen Nachglühens der Torfasche hatten diese Dampflokomotiven zur Verhinderung von Waldbränden charakteristisch birnenförmige Schornsteine. Um eine entsprechende Menge von Torf mitführen zu können, führten Dampflokomotiven teilweise mehrere geschlossene Torftender oder auch sogenannte Torfmunitionswagen hinter sich her.

Kultursubstrat

Da Torf ein vielfaches des Eigengewichtes an Wasser speichern kann, wird er mit Kalk neutralistiert und mit Nährsalzen und weiteren Zuschlagstoffen wie Ton oder Sand aufgemischt und so zum Kultursubstrat weiterverarbeitet. Einige Pflanzen wie Azaleen benötigen einen sauren Boden und so dient die Beimischung von Torf üblicher Weise auch zur präzisen Regelung des Säurehaushaltes des Bodens. In der Berufsgärtnerei gibt es in diesem Bereich kaum Ersatzmöglichkeiten für Torf. Kritisiert wird von Naturschützern insbesondere der Einsatz von Torf im privaten Garten. Von Hobbygärtnern werden jedes Jahr zur Bodenverbesserung rund 2,3 Millionen Kubikmeter Torf ausgebracht. Ohne Neutralisieren und Düngen kann dieser lediglich die Durchlüftung des Bodens verbessern, sonst jedoch durchaus die Bodenqualität verschlechtern, da Hochmoortorf extrem nährstoffarm ist und zur Bodenversauerung führt.

Torfbett

Torf wurde früher gelegentlich auch als preiswerte Schlafunterlage verwendet und eignete sich besonders für Bettnässer und Kleinkinder. Auch in jüngster Zeit werden Torffasern als natürlicher Rohstoff für Matratzen, Bettdecken und Kissen wieder verwendet.

Medizin, Kosmetik

Torf wird vielfach in der Medizin und Körperpflege eingesetzt, vor allem als Moorbad, Moorpackungen und sogar als Torfsauna. Badetorf unterscheidet sich von normalem Torf durch seine geringe Zahl an gesundheitlich gefährdenden Mikroorganismen. Die heilende Wirkung des Torfes ist noch nicht vollständig erforscht. Balneologen vermuten eine heilende Wirkung, wenn der Torf als dickflüssiger Moorbrei mit Temperaturen von 38 °C bis 40 °C auf die Haut aufgebracht wird. Insbesondere von der damit verbundenen Wärmebehandlung, daneben auch von den enthaltenen Huminsäuren, verspricht man sich einen positiven Einfluss auf das Endokrine System und eine Förderung der Durchblutung des Körpers.

Weitere Nutzung

Aus Torffasern lassen sich Textilien herstellen, die besonders leicht und warm sind. Des weiteren kann Schwarztorf zur Herstellung von Aktivkohle verwendet werden. Früher wurde Torf auch als Streu in Ställen verwendet.

In den Ländern

Weltweit gibt es etwa 271 Millionen Hektar Torfboden. In Afrika 6 Millionen Hektar, in Nordamerika 135 Millionen Hektar, Südamerika 6 Millionen Hektar, Asien 33 Millionen Hektar, Europa 88 Millionen Hektar, Mittlerer Osten 2 Millionen Hektar und Ozeanien 1 Millionen Hektar.

Finnland

In Finnland wird Torf im großen Umfang genutzt, da etwa ein Drittel des Landes aus Torfboden besteht. Es sind etwa 800.000 ha industriell nutzbar, allerdings ist die durchschnittliche Tiefe des Torfes nur etwa 1,4 m. Etwa 8 % des Stromes und 6 % des gesamten Energiebedarfs im Jahr 2003 wurden aus Torf erzeugt. Es gibt etwa 40 Kraftwerke, die Torf und Holz verfeuern, und 10 % der Bevölkerung heizt mit Torf, welches in der Regel als Pellet angeliefert wird. Die größten Unternehmen sind Vapo Oy Energia in der Stadt Jyväskylä und Turveruukki Oy in der Stadt Oulu. Produziert wurden im Jahr 2001 6 Millionen Tonnen Torf zur Energieproduktion und 0,5 Millionen Tonnen Torf für den landwirtschaftlichen Bedarf.

Irland

Torf findet man in Irland auf etwa einem sechstel der Landfläche. Die Produktion betrug 1999 etwa 4,7 Millionen Tonnen. Die Mehrheit des hier vorkommenden Torfes ist nicht in einer Senke entstanden, sondern auf einer Hügelspitze. Diese unnatürliche Lage entstand durch menschlichen Einfluss. So holzte man vor einigen tausend Jahren die Hügel ab und nutzte den oberen Teil als Weideland. Um Abspülungen durch Bodenerosion zu vermeiden, staute man das Wasser mit Mauern aus Feldsteinen. Dies führte dann über die Jahrtausende zum Wachsen von Torf auf den Hügeln. Heute gibt es etwa 1 Millionen Hektar derartigen Bodens, der durchschnittlich 3 m dick ist. Moore, welche in einer Senke entstanden sind, gibt es in Irland nur mit einer Fläche von ca. 200.000 Hektar. Da diese aber im Durchschnitt 7 m dick sind, entstanden kurz nach dem Ende der Weichsel-Eiszeit vor 10.000 Jahren, wurde deren Torf vorrangig abgebaut. Seit dem 18. Jahrhundert versorgte man sich so mit Brennstoff, Wälder gab es schon lange nicht mehr, und so sind diese Moore heute so gut wie verschwunden. Im Jahr 1946 entstand das halb-staatliche Unternehmen :en:Bord na Móna durch den Turf Development Act, wodurch die industrielle Torfnutzung gefördert werden sollte. Heute betreibt es ein sehr großes Schienennetz von etwa 1200 Meilen, welches für den Torfabbau benötigt wurde.

Natürliche Torffeuer

Natürliche Torffeuer können fremdentzündet oder selbstentzündet sein. In der Regel wird Torf dort in Brand geraten, wo das Grundwasser künstlich abgesenkt wird, kein Regen fällt und Brandrodung betrieben wird. Es gibt beispielsweise in Afrika Gebiete, wo während der Regenzeit große Wassermassen in Trockengebiete abgeleitet werden und dort für einige Monate im Jahr ein Sumpfgebiet entsteht, welches zur Bildung von Torf führt. Dies ist so in Mali und in Botswana. Wenn dann das Wasser verdunstet und der Torf von oben her abtrocknet, reichen normale Temperaturen von ca. 40 °C aus, die oberste Torfschicht durch Selbstentzündung in Brand zu setzen. Der Vorgang ist dabei der selbe wie beim selbstentzündeten Kohlebrand. Ausgiebige Torfbrände verursachten bis ins 19. Jahrhundert den Heerrauch.

Indonesien

In Indonesien gibt es große Torfwälder, die auf mehrere Meter tiefen Torfflöze wachsen. Nach der Entwässerung von 1 Millionen Hektar Sumpfland im Rahmen des "Mega-Rice" Projektes auf der Insel Borneo kam es dort zu Wald- und Torfbränden, wodurch wenigstens 40 cm Torf auf einer Fläche von 500.000 ha verloren gingen. Im Jahr 1997/98 brannten beispielsweise etwa 10 Millionen Hektar und hüllten Indonesien und Teile Südostasiens 10 Monate lang in dunklen Rauch ein. Die Brände ließen sich kaum löschen, da unterirdische Brandnester im Torf immer wieder das Feuer neu entfachten.

Mali

In Mali, im Überschwemmungsgebiet des Flusses Niger, finden sich unterirdische Torffeuer, die speziell in der Trockenzeit immer wieder in Brand geraten und dabei sämtliche organische Materie, auch Baumwurzeln, zerstören. Dabei treten an der Oberfläche Temperaturen bis 765 °C auf. Seit 1960 vermuteten einige Wissenschaftler einen Vulkan in der Gegend, doch im Jahr 2001 konnte diese Annahme widerlegt werden und Torffeuer als Ursache genannt werden.

Okawango-Delta

Der Okawango ist ein durchschnittlich 1.700 km langer Fluss im südlichen Afrika, der in den Sümpfen des (oberirdisch) abflusslosen 15.000 km² großen und sumpfigen Okawango-Beckens in Botswana im Nordosten der Sandwüste Kalahari versickert. Während der Regenzeit überschwemmt er das Becken durchschnittlich etwas mehr als einen Meter hoch. Durch die großen Mengen an verdunstetem Wasser reichert sich Salz an den während der Regenzeit überschwemmten höchsten Landerhebungen an, wodurch dort mit der Zeit die Pflanzen absterben. Dies führt dazu, dass sich der vom Fluß mitgeschwemmte Sand dort sammelt, eine Insel entsteht und somit kommt es immer seltener zu Überschwemmungen, bis schließlich die Insel ganzjährig trocken bleibt. Damit trocknet auch der sich im Untergrund gebildete Torf aus und die Voraussetzung für ein selbstentzündendes Torffeuer ist gegeben. Der Brand zerstört die Insel und spült das Salz und den Sand in den entstandenen unterirdischen Hohlraum. Damit kann der Zyklus von neuem beginnen, der etwa 150 Jahre lang ist. Dieser natürliche Vorgang verhindert die bei der hohen Verdunstung eigentlich zu erwartende Bildung eines lebensfeindlichen Salzsees oder einer Salztonebene.

Siehe auch

- Moorleiche
- Die Moorsoldaten
- Moorheilbad
- Permafrostboden

Weblinks

- [http://www.dgmtev.de Deutsche Gesellschaft für Moor- und Torfkunde]
- [http://moorschutz.de/wie-entstehen-moore.html Wie entstehen Moore?]
- [http://www.fire.uni-freiburg.de/media/2004/news_20040128_ger.htm Torfwaldbrände in Indonesien]
- [http://www.wits.ac.za/geosciences/okavango/wetlands.htm Torfbrände in der Kalahari]
- [http://folk.uio.no/dagkd/Publications/Mali/svensen_et_al.pdf Torfbrände in Mali (pdf)]
- [http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/peat/peat.asp Statistiken] Kategorie:Naturschutz Kategorie:Bodenkunde Kategorie:Moor Kategorie:Brennstoff

Inkohlung

Als Inkohlung wird der natürliche Prozess der Entstehung von Kohle bezeichnet. Bis heute ist es nicht gelungen, den Prozess restlos zu verstehen. Die Inkohlung führt in Zeiträumen von Jahrmillionen von frischem Pflanzenmaterial zu Huminsäuren und Torf, dann über Braunkohle und Steinkohle zum Anthrazit, in einzelnen Fällen sogar zum Graphit. Der Anteil an Wasser und flüchtigen Bestandteilen nimmt dabei laufend ab, sodass der relative(!) Anteil an Kohlenstoff zunimmt, der im Graphit nahezu 100 % beträgt.

Phasen der Inkohlung

Die Inkohlung findet in zwei Phasen statt. Direkt nach dem Absterben der Pflanze setzt die biochemische Phase ein, die Vertorfung, in der Pilze und Bakterien Zellulose und Lignin in Huminstoffe umwandeln. Durch zunehmenden Einfluss der Erdwärme beginnt danach die geochemische Phase der Inkohlung, die hauptsächlich durch die Temperatur- und Druckverhältnisse beeinflusst wird.

Biochemische Phase

Nach Absterben der Pflanzenteile beginnt die Umkehrung der Prozesse, die zu Lebzeiten in der Pflanze stattfanden. Mikroorganismen bauen zuerst Kohlenhydrate und Proteine, schließlich auch Zellulose und Lignin ab. Insbesondere durch die komplexe und teilweise unbekannte chemische Struktur der Lignine und Huminstoffe, die an diesen Prozessen beteiligt sind, ist eine genaue chemische Darstellung der Prozesse nicht bekannt. Während dieser ersten Phase nimmt der Kohlenstoffgehalt rasch von ca. 40 % auf über 60 % zu. Durch das kontinuierliche Ablagern neuer Pflanzenteile wird der Torf zusammengepresst und entwässert. Mit zunehmender Tiefe (ca. 10 m) verschlechtern sich die Lebensbedingungen für Mikroorganismen und die weitere Inkohlung wird abiotisch fortgesetzt.

Geochemische Phase

In der zweiten Phase nimmt der Wassergehalt weiter ab: Von 75 % am Übergang Torf/Braunkohle bis auf 10 % an der Grenze Braunkohle/Steinkohle. Der Kohlenstoffanteil nimmt durch Abgabe von Wasser, Kohlenstoffdioxid und Methan weiter zu. Während in junger Braunkohle noch Zellulose und Lignin zu finden ist, verschwindet mit weiterem Fortschreiten des Prozesses zuerst die Zellulose und am Übergang zur Steinkohle auch das Lignin. Im Steinkohlestadium ist die Abspaltung von Methan bestimmend, es werden aber auch zunehmend komplexere Kohlenwasserstoffe abgespalten, also Hydroxyl-, Carboxyl-, Methoxyl- und Carbonylgruppen.

Sichtbare petrographische Veränderungen

Weblinks

- [http://www.regenwurm.de/fr142.htm Mehr zum Thema Inkohlung] Kategorie:Geologie

Karbon (Geologie)

Das Karbon ist eine Periode der Erdgeschichte. Es wurde bereits 1822 in England als geologisches System (= Periode) eingeführt. Namensgebend sind die weltweit verbreiteten Kohleflöze vor allem im Oberkarbon (lateinisch carbo - Kohle). Das Karbon begann vor 360 Millionen Jahren und endete vor 286 Millionen Jahren. Die zeitlichen Grenzen zum älteren Devon und jüngeren Perm werden durch radiometrische Datierungen des Alters von Grenzsedimenten ermittelt. Die stratigraphische Gliederung des Karbon wird regional sehr unterschiedlich vorgenommen, ist aber jeweils in sich sehr konstant. Die nebenstehende stratigraphische Tabelle gibt die Stufengliederung wieder, wie sie in Westeuropa üblich ist. Das Oberkarbon wird auch Siles, das Unterkarbon Dinant genannt. In den USA wird eine Zweiteilung des Karbon vorgenommen: das Mississippian, das in etwa dem westeuropäischen Unterkarbon entspricht, ist nach mächtigen Kalksteinserien benannt, die besonders gut im Tal des Mississippi aufgeschlossen sind und das Pennsylvanian, das die kohlehaltigen Flöze des Oberkarbon enthält. In Russland wird das Karbon in Ober-, Mittel- und Unterkarbon geteilt. Die biostratigraphische Zonengliederung beruht hauptsächlich auf marinen Organismengruppen: Goniatiten (aus der Gruppe der Kopffüßer), Conodonten (vermutlich Zähne von Tieren unbestimmter Stellung, phosphatisches Material), Armfüßer, Korallen und Großforaminiferen. Im Oberkarbon fußt die biostratigraphische Gliederung in terrestrischen Ablagerungen zum Teil auch auf Landpflanzen.

Paläobiologie

Pflanzenreich

Man könnte das Karbon, zumindest das Oberkarbon, auch als das Zeitalter der Farne bezeichnen. Wenn man bedenkt, dass mehrere Kubikmeter Holz nötig sind um einen Kubikmeter Kohle entstehen zu lassen, lässt sich das enorme Ausmaß der Steinkohlewälder des Oberkarbon erahnen. Die beherrschenden Vertreter der Flora in den Kohlesümpfen waren die Gattungen Lepidodendron und Sigillaria, baumartige Pflanzen, die zu den Bärlapppflanzen (Lycophyta) gezählt werden. Beide Gattungen erreichten Größen von bis zu 40 Metern und Stammdurchmesser von über einem Meter. Die Schachtelhalme (Spenophyta) brachten mit Calamites ebenfalls bis zu 20 Meter große Baumformen hervor (meist sind von den Stämmen nur Steinkerne der verholzten Markröhren erhalten). Die bereits im Devon erschienene Gruppe der Farnsamer (Pteridospermatophyta) brachte mit Glossopteris (vom damaligen Südkontinent Gondwana) ebenfalls baumartige Formen hervor. Erst gegen Ende des Oberkarbon lassen sich die ersten Vertreter der Samenpflanzen (Gymnospermen, Nacktsamer) nachweisen. Bekannte Gattungen sind Lebachia und Walchia.

Tierreich

Leben in den Ozeanen

Gepanzerte Fische (Placodermen), die in den Ozeanen des Devon die vorherrschende Gruppe waren, erholten sich nicht vom Massenausterben an der Wende Devon/Karbon. Die Entwicklung verlief hin zu beweglicheren Formen der Strahlenflosser. Es entstanden die Crinoiden, die zur Gruppe der Stachelhäuter (Echinodermata) gehören. Crinoiden sind am Meeresboden festgeheftete Nahrungsfilterer, die in den Ozeanen des Karbon regelrechte "Rasen" bildeten und oft gesteinsbildend auftraten. Andere gesteinsbildende Organismengruppen waren Moostierchen (Bryozoa) (verästelte oder fächerförmige, koloniebildende Tiere) und Großforaminiferen (vor allem die Gattungen Schwagerina und Fusulina). Großforaminiferen sind einzellige, benthisch lebende, amöboide Lebewesen, die jedoch bis 10 cm Größe erreichen. Die Ammonoideen, eine Gruppe der Kopffüßer (Cephalopoda), entwickelten sich zu großer Mannigfaltigkeit. Die Biostratigraphie des Karbon beruht zum großen Teil auf dieser Gruppe.

Leben an Land

Die ältesten, flügellosen Insekten sind bereits aus dem Unterdevon bekannt, im Oberkarbon waren bereits geflügelte Insekten (Insecta) entwickelt. Diese unterscheiden sich jedoch von heute lebenden Formen dadurch, dass ihre Flügel nicht zusammenfaltbar waren (heute sind nichtzusammenfaltbare Flügel nur von Libellen und Eintagsfliegen bekannt). Die einzigen an Land lebenden Wirbeltiere des Karbon waren Amphibien. Meist behielten sie jedoch eine aquatische oder zumindest semiaquatische Lebensweise bei. Die Amphibien hatten an Land keinerlei Nahrungskonkurrenten und entwickelten mannigfaltige Formen. Manche Arten erreichten Größen von bis zu sechs Metern. Die ersten den Reptilien zugeordneten Skelette sind an der Basis des Oberkarbon gefunden worden. Vermutlich während des Oberkarbon entwickelte sich auch das so genannte Amnion-Ei, mit fester Außenschale und zwei Dottersäcken. Da das Amnion-Ei in sich einen abgeschlossenen Flüssigkeitskörper darstellt, bedeutete es größere Unabhängigkeit vom Wasser bei der Fortpflanzung.

Paläogeographie

Vorgeschichte

Bereits im Devon war es zur Kollision der beiden Kontinentmassen Laurentia (Nordamerika) und Fennosarmatia (Nordeuropa und Russische Tafel) gekommen. Dieses plattentektonische Ereignis bezeichnet man als kaledonische Orogenese. Die neu gebildete Kontinentmasse trägt den Namen Laurussia. Im Devon befand sich Laurussia in kontinentaler Position. Zwischen Laurussia und der etwas weiter südlich liegenden Kontinentmasse von Gondwana (Afrika, Südamerika, Antarktis, Australien und Indien) befand sich ein durch verschiedene Terranes, kleinere Massen kontinentaler Kruste, gegliederter Meeresraum. Erste Kollisionen in diesem Bereich hatten schon im oberen Devon die variszische Orogenese eingeleitet.

Entwicklung im Karbon

Im Verlauf des Unterkarbon setzte sich die Konvergenz von Laurussia und Gondwana fort und erreichte an der Wende von Unter- und Oberkarbon einen ersten Höhepunkt. Diese Kontinent/Kontinent-Kollision ist die Ursache der variszischen Orogenese in Europa. Erst im Oberkarbon schloss sich der Bereich zwischen Nordwestafrika und Nordamerika, die Bildung der Appalachen fand damit ihren Abschluss. Mit dem Anschluss des sibirischen und des Kasachstan-Kraton an Laurussia (dabei entstand das Ural-Gebirge) waren schließlich im Perm alle großen Kontinentmassen zu einem Superkontinent, der Pangäa, vereinigt. Der die Pangäa umgebende Ozean wird Panthalassa genannt.

Klima

Zu Beginn des Karbon befand sich die Südspitze Afrikas im Bereich des Südpols. Im weiteren Verlauf des Karbon drehte sich Gondwana im Uhrzeigersinn, im Perm befand sich die Antarktis über dem Südpol. Im Unterkarbon bildeten sich bereits erste Vergletscherungen, die Eisausbreitung fand allerdings erst an der Grenze Karbon/Perm ihren Höhepunkt. Hinweise auf diese permo-karbone-Vereisung finden sich auf allen Teilen des Gondwana-Kontinents in Form von Tilliten (Moränenablagerungen) in mehreren sedimentären Horizonten. Dies lässt auf einen mehrfachen Wechsel von Warm- und Kaltzeiten schließen. Eine Ursache in den weitverbreiteten Kohleablagerungen des Oberkarbon kann in glazio-eustatischen Meeresspiegelschwankungen gesehen werden, die durch wiederholte Bildung großer Inlandseismassen im Südbereich von Gondwana hervorgerufen wurden.

Das Karbon in Europa

Unterkarbon

Kohlenkalk-Fazies

Am Südrand von Laurussia (dem Kontinent, der sich im Devon durch die Kollision von Laurentia (Nordamerika) und Fennosarmatia (Nordeuropa und Russland) gebildet hatte) kam es im Unterkarbon zu einer sehr fossilreichen Sedimentation von Kalkstein. Der Bereich der Kohlenkalk-Fazies erstreckte sich von Irland/England, Belgien und die Ardennen über das linksrheinische Schiefergebirge bis nach Polen. Im Bereich Englands wurde die marine Karbonatsedimentation durch mehrere Hochzonen gegliedert (vor allem das London-Brabanter-Massiv und die Normannische Schwelle). Zur Ablagerung kamen Moostierchen-Riffkalke, Schuttkalke und dunkle bituminöse Kalke. An Fossilien sind vor allem Bryozoen, Korallen, Brachiopoden (Armfüßer), Goniatiten und Crinoiden überliefert. Die Mächtigkeit des Kohlenkalk erreicht 300-700 Meter und ist zur südlich anschließenden Kulm-Fazies, siehe unten, durch Riffschutt und Kalkturbidite verzahnt.

Kulm-Fazies

Die Kulm-Fazies schließt sich südlich an die Kohlenkalk-Fazies an, sie stellt eine synorogene Sedimentation dar, also Ablagerungen, die gleichzeitig mit der Gebirgsbildung der variszischen Orogenese erfolgten. Das klastische Material wurde dabei von der Mitteldeutschen Kristallinschwelle, damals ein Inselbogen, geliefert. Das Sedimentationsbecken, in dem die Kulm-Fazies zur Ablagerung kam, wurde durch diese Schwelle grob in einen nördlichen und einen südlichen Bereich teilte. Der nördliche Bereich bildet heute das Rheinische Schiefergebirge Im diesem Beckenbereich kamen hauptsächlich Tonschiefer (mit der bivalven Muschel Posidonia becheri) und Radiolarien führende Kieselschiefer (Lydite) zur Ablagerung. Im südlichen Bereich herrschte eine Flyschfazies mit turbiditischen Sandsteinen, Grauwacken und Olisthostromen vor. Die Kulm-Fazies erreichte in diesem südlichen Becken Mächtigkeiten von bis zu 3.000 Meter.

Die variszische Orogenese

Beim variszischen Gebirge handelt es sich um ein kompliziert gebautes Decken- und Faltengebirge. Die enorme Krustenverkürzung macht sich in starken Verfaltungen und internen Überschiebungen bemerkbar. Der Name stammt von den Varisziern einem alten bayerischen Volksstamm. Das mitteleuropäische Variszikum wird von Norden nach Süden in folgende Zonen eingeteilt:
- Das Subvariszikum stellt einen Molassetrog dar, der im Oberkarbon die Abtragungsprodukte des aufsteigenden Gebirges aufnahm. Im Subvariszikum, beziehungsweise an dessen Randbereich entwickelten sich außerdem im Oberkarbon die größte Masse der Mitteleuropäischen Kohlevorkommen.
- Das Rhenoherzynikum umfasst Harz, Ardennen, Rheinisches Schiefergebirge und reicht bis Cornwall.
- Zum Saxothuringikum gehören die Sudeten, das Erzgebirge, Thüringer- und Frankenwald, Spessart und Odenwald und die nördlichen Bereiche der Vogesen und des Schwarzwalds.
- Das Moldanubikum umfasst die Böhmische Masse, Schwarzwald und Vogesen. Wie bereits erwähnt fanden erste Kollisionen von Terranes (kleinere Massen kontinentaler Kruste) bereits im Devon statt. Zur Hauptfaltungsphase der variszischen Orogenese kam es an der Grenze Unter/Oberkarbon, auch als sudetische Phase bezeichnet. Bis ins Perm ist in den mitteleuropäischen Varisziden tektonische Aktivität nachweisbar.

Oberkarbon, oder: die postvariszische Entwicklung

Während der Hauptphase der variszischen Gebirgsbildung waren große Teile Europas zu Festland und damit zu Abtragungsgebieten geworden. Die Sedimentation im Oberkarbon unterschied sich damit grundlegend von den Verhältnissen im Unterkarbon.

Subvariszikum

An den Rändern des Subvariszischen Beckens entwickelte sich hauptsächlich im Westfal (siehe stratigraphische Tabelle oben) ein paralischer Kohlegürtel mit ausgedehnten Kohlesümpfen (zur Entstehung paralischer Kohlen kommt es an Küstengebieten: durch wiederholten Anstieg und Abfall des Meeresspiegels werden Sumpfgebiete überschwemmt, von Sedimenten überdeckt und wieder zu Festland, sodass sich neue Sumpfgebiete entwickeln ...). Dieser Gürtel paralischer Kohlen zieht sich von Südengland über das Ruhrgebiet bis nach Polen. Im Ruhgebiet erreicht das Oberkarbon eine maximale Mächtigkeit von 6000 Metern.

Siehe auch

Variszische Orogenese

Literatur

- Andreas Braun: Das Karbon: Nicht nur Steinkohle. Biologie in unserer Zeit 32(5), S. 286 - 293 (2002), ISSN 0045-205X
- Peter Faupl: Historische Geologie, UTB für Wissenschaft, 2. Aufl. (2003), ISBN 3-8252-2149-0.
- Wolfgang Frisch und Jörg Loeschke (1993): Plattentektonik, Kapitel 10.2: Paläozoische Gebirgsgürtel, Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt, ISBN 3-534-09410-7.
- Reinhard Schönenberg und Joachim Neugebauer (1997): Einführung in die Geologie Europas, Rombach Verlag Freiburg, ISBN 3-7930-9147-3.
- Ernst Probst: Deutschland in der Urzeit", C. Bertelsmann, München 1986, ISBN 3-570-1066-x
Weblinks

- [http://www.scotese.com/late.htm Plattentektonische Konstellation zur Zeit des Oberkarbons von www.scotese.com]
- [http://www.scotese.com/newpage4.htm Plattentektonische Konstellation zur Zeit des Unterkarbons von www.scotese.com]
- [http://www.biokurs.de/skripten/13/bs13-52.htm]
- [http://www.erdgeschichte.de.vu/ Perioden der Erdgeschichte] Kategorie:Erdzeitalter ja:石炭紀

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Kohlendioxid

Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es wird manchmal auch als Kohlendioxid bezeichnet, was aber nicht korrekt ist, da die Verbindung ein Oxid des Elementes Kohlenstoff und nicht der (lediglich kohlenstoffhaltigen) Kohle ist. Seine chemische Formel ist CO₂. Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist in geringer Konzentration ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wenn Sauerstoff im Überschuss vorhanden ist. Auch im Organismus von Lebewesen entsteht Kohlenstoffdioxid als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO₂ wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO₂ durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Fotosynthese aus anorganischem CO₂ Glukose.

Physikalische Eigenschaften

Das Kohlenstoffdioxid-Molekül ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen polar sind heben sich deren elektrische Dipolmomente durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist. Dennoch ist Kohlenstoffdioxid aufgrund der inneren Dipolmomente gut in Wasser löslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung.

Chemische Eigenschaften

In Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid bildet Kohlensäure H₂CO₃, wobei aber mehr als 99% des Kohlenstoffdioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche liegt vor in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat ("Bicarbonat", HCO₃^–) und Carbonat (CO₃^2–), die in einem vom pH-Wert abhängigen Mengenverhältnis zu einander stehen. Fängt man die bei der Dissoziation gebildeten Oxonium-Ionen (H⁺, eigentlich H₃O⁺) durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH^–) ab, so verschiebt sich das Mengenverhältnis zu Gunsten von Carbonat.

Verwendung

Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Trockeneis schmilzt nicht, sondern sublimiert bei −78 °C, allerdings kann man es unterhalb der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten. Bei der Sublimation entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO₂-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz findet. Viele Getränke enthalten Kohlenstoffdioxid, um beim Trinken einen besseren Erfrischungseffekt zu erzielen. Bei manchen Getränken entsteht es durch Gärung (Bier, Sekt), bei anderen wird es künstlich zugesetzt (Limonade, Sodawasser) oder es wird kohlenstoffdioxidhaltiges, natürliches Mineralwasser verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt es die Bezeichnung E 290. Bei der Herstellung wird Kohlenstoffdioxid unter hohem Druck in das Getränk gepumpt, wobei es mit Wasser zu Kohlensäure reagiert. Da Kohlensäure eine unbeständige Säure ist, zerfällt sie beim Druckabfall durch Öffnen des Gefäßes in ihre Ausgangsprodukte: Wasser und Kohlenstoffdioxid, welches bläschenförmig aufsteigt. Der Zerfall der Kohlensäure auf der Zunge beim Trinken stimuliert die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat. Kohlenstoffdioxid kommt auch in Feuerlöschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdrängt (siehe auch Brandbekämpfung, Löschmittel). Kohlenstoffdioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Grund ist der CO₂-Mangel durch ungenügenden Luftaustausch, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung und dass Pflanzen bei höheren CO₂-Gehalten schneller wachsen. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas verwendet (Kopplung von Düngung und Heizung). Auch durch Zuführung von organischer Substanz wird der CO₂-Gehalt erhöht. Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark das CO₂ im Minimum steht, und wie hoch die Lichtintensität ist (Wirksamkeit steigt mit zunehmendem Lichtangebot). Überkritisches Kohlenstoffdioxid kann in vielen Bereichen giftige organische Lösungsmittel ersetzen und wird auch in der Halbleiterindustrie zur Reinigung von Wafern verwendet. Auch zur Extraktion von Naturstoffen wie z. B. Koffein aus Pflanzen wird superkritisches Kohlenstoffdioxid verwendet. In zunehmendem Maße kommt Kohlenstoffdioxid als natürliches Kältemittel in Klimaanlagen zum Einsatz. Kohlenstoffdioxid wird auch als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt - entweder in reiner Form oder häufiger als Zusatz zu Argon und/oder Helium. Da Kohlenstoffdioxid bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil ist, wird es nicht als Inertgas sondern als Aktivgas bezeichnet. CO₂ wird auch in Abführmitteln (Zäpfchen) verwendet. Durch eine chemische Reaktion während der Auflösung des Zäpfchens wird CO₂ freigesetzt und dehnt den Darm, was wiederum den Stuhlreflex auslöst.

Treibhausgas

Stuhlreflex Stuhlreflex Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, beispielsweise sichtbares oder ultraviolettes Licht, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Von vielen Wissenschaftlern wird die Hypothese vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zum so genannten anthropogenen Treibhauseffekt führe, der einen Klimawandel (Globale Erwärmung) zur Folge habe. Einen wesentlichen Beitrag dazu leiste das CO₂, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird. Während über die Reduktion des CO₂-Ausstoßes weitgehend Einigung besteht (Kyoto-Protokoll), werden Verfahren zur CO₂-Sequestrierung kontrovers diskutiert. Der Beitrag von CO₂ zum Treibhauseffekt bzw. ob ein solcher nachweisbar ist, und damit die negativen Folgen der CO₂-Freisetzung durch den Menschen, wird allerdings von Klimakritikern bestritten, die daher auch entsprechende Umweltschutzmaßnahmen als unnötig ablehnen. Den weltweit höchsten Kohlenstoffdioxidausstoß pro Einwohner haben die USA, Kanada, Finnland, Tschechien und Belgien (Stand 2002), wobei in Zukunft auch die stark wachsende Industrie asi

Steinkohle

Entstehung

Verwendungszweck

Umweltproblematik

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Steinkohle

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Koks

Öl aus Kohle

Siehe auch

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Sedimentgestein

Einteilung

Klastische Sedimentite

Chemische Sedimentite

Biogene Sedimentite

Rückstandsgesteine

Bedeutung von Sedimentgesteinen

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Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Modifikationen

Diamant

Graphit

Fullerene

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Graphen

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Kohlenstoff-Verbindungen

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Graphit (sp²) Struktur

Dreifach (sp¹) Bindung