How big is Kohlenstoffatom?

Ein Kohlenstoffatom hat sechs Elektronen um einen Kern aus sechs Protonen und meist sechs Neutronen. Gemessen auf dieselbe Weise wie beim Wasserstoffatom im Explorer, also als das Doppelte der Entfernung, in der sich seine äußersten Elektronen am wahrscheinlichsten befinden, ist es etwa 0,13 Nanometer breit, also 130 Picometer. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters, ein Picometer ein Tausendstel eines Nanometers.

Größe

Ein Atom hat keine feste Form oder Größe, deshalb gibt es mehrere Wege, sie zu bestimmen, und jeder ergibt eine andere Zahl. Die hier angegebene Zahl stammt aus Berechnungen dazu, wo sich die Elektronen am wahrscheinlichsten aufhalten. Zwei der sechs Elektronen des Kohlenstoffs bleiben nahe am Kern, die anderen vier liegen weiter außen, wie die Abbildung im Explorer zeigt. Die äußeren vier befinden sich am wahrscheinlichsten etwa 65 Picometer vom Kern entfernt, was das Atom etwa 130 Picometer breit macht.

Für Atome in Molekülen verwenden Chemiker oft ein anderes Maß. Der kovalente Radius ist die halbe Entfernung zwischen den Mittelpunkten zweier miteinander verbundener Atome. Zwei durch eine Einfachbindung verbundene Kohlenstoffatome liegen im Schnitt 154 Picometer auseinander, nach diesem Maß ist ein Kohlenstoffatom also etwa 150 Picometer breit.

Der Van-der-Waals-Radius misst stattdessen, wie nah sich zwei getrennte Atome kommen können, bevor sie sich gegenseitig abstoßen. Nach diesem Maß ist ein Kohlenstoffatom etwa 340 Picometer breit.

Größenvergleiche

Ein Kohlenstoffatom ist etwa 1,2-mal so breit wie ein Wasserstoffatom, das nach demselben Maß 106 Picometer breit ist.
Die Doppelhelix der DNS, etwa 2 Nanometer breit, entspricht der Breite von etwa 15 Kohlenstoffatomen.
Etwa 600.000–800.000 Kohlenstoffatome, nebeneinandergelegt, würden die Breite eines Menschenhaares ergeben.
Wäre ein Kohlenstoffatom auf die Größe eines Basketballs vergrößert, etwa 24 Zentimeter im Durchmesser, wäre ein menschliches Haar etwa 150–185 Kilometer breit.

Wie sich Kohlenstoffatome verbinden

Kohlenstoffatome bilden meist vier Bindungen und können sich zu Ketten unterschiedlichster Länge verbinden. Diese Fähigkeit, Ketten verschiedenster Länge zu bilden, macht Kohlenstoff für das Leben unverzichtbar. Eine Doppelbindung zieht zwei Kohlenstoffatome enger zusammen als eine Einfachbindung, auf 134 Picometer, eine Dreifachbindung auf 120 Picometer.

Reiner Kohlenstoff kommt in mehreren Formen vor, darunter Diamant, Graphit und Graphen. Diamant ist hart genug, um Gestein zu schneiden, während Graphit weich ist. Graphen ist eine nur ein Atom dicke Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Muster aus Sechsecken wie Maschendraht verbunden sind.

Einzelne Kohlenstoffatome sichtbar machen

Einzelne Kohlenstoffatome sind für ein Lichtmikroskop viel zu klein, mit Elektronenmikroskopen wurden sie aber bereits sichtbar gemacht. 2008 nutzten Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory das Mikroskop TEAM 0.5, um Aufnahmen zu machen, auf denen jedes einzelne Kohlenstoffatom in einer Graphenschicht zu erkennen ist. Da Graphen empfindlich ist, verwendeten sie einen schonenderen Elektronenstrahl mit geringerer Energie, der dennoch Details im Abstand von 1 Ångström (100 Picometer) auflöste.

Atome wiegen

Kohlenstoff legt auch den Maßstab für das Wiegen von Atomen fest. Seit 1960 dient Kohlenstoff-12, die Form des Kohlenstoffs mit sechs Neutronen, als Bezugsgröße für Atommassen. Die verwendete Einheit, das Dalton, ist definiert als ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Etwa 99 % des Kohlenstoffs auf der Erde ist Kohlenstoff-12.